課題二 認(rèn)識(shí)直流電動(dòng)機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)是通以直流電流的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備。與交流電動(dòng)機(jī)相比，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，在啟動(dòng)和調(diào)速要求較高的場合應(yīng)用廣泛；不足之處是直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，運(yùn)行維護(hù)困難。

一、直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

直流電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)基本部分組成，如圖1-9所示。

定子是靜止不動(dòng)的部分，主要由主磁極、換向磁極、機(jī)座、端蓋與電刷等裝置組成。其中主磁極由磁極鐵芯和勵(lì)磁繞組組成，磁極鐵芯由1～1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓鉚接而成。當(dāng)在勵(lì)磁繞組中通入直流電流后，便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。主磁極可以有一對、兩對或更多對，它用螺栓固定在機(jī)座上。換向磁極也是由鐵芯和繞組組成，位于兩主磁極之間，其作用是產(chǎn)生附加磁場，以改善電機(jī)的換向條件，減少電刷與換向片之間的火花。

電樞是直流電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，故又稱為轉(zhuǎn)子，主要由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成。電樞由硅鋼片疊成，并在表面嵌有繞組（電樞繞組）（為直觀，圖中只畫出了一匝）。繞組的首端和末端接在與電樞鐵芯同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)換向片上，同固定在機(jī)座上的電刷連接，而后者與外加的電樞電源相連。

直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理是建立在電磁感應(yīng)和電磁力的基礎(chǔ)上的。當(dāng)電樞繞組中通過直流電流時(shí)，在定子磁場的作用下就會(huì)產(chǎn)生帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示：

T=KmΦId

式中，T——電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；

Φ——一對磁極的磁通量，Wb；

Id——電樞電流，A；

Km——與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)（稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)），Km=PN/2πα，其中，P為磁極對數(shù)，N為切割磁通的電樞總導(dǎo)體數(shù)，α為電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)。

二、直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式

直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的供電方式稱為勵(lì)磁方式。按直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組連接方式的不同分為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)與復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)4種，如圖1-10所示。

其中圖1-10（a）為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，勵(lì)磁繞組與電樞繞組分別用兩組獨(dú)立的直流電源供電；圖1-10（b）為并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，勵(lì)磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由同一直流電源供電；圖1-10（c）為串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，由同一直流電源供電；圖1-10（d）為復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，既有并勵(lì)繞組，又有串勵(lì)繞組。

一般情況下，直流電動(dòng)機(jī)并勵(lì)繞組的電流較小，導(dǎo)線較細(xì)，匝數(shù)較多；串勵(lì)繞組的電流較大，導(dǎo)線較粗，匝數(shù)較少：因而不難辨別。

三、直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)和主要系列

1. 直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)

直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品種類繁多，銘牌樣式也各不相同。圖1-11是我國使用較多的Z4系列直流電動(dòng)機(jī)銘牌。

銘牌中各數(shù)據(jù)的含義與異步電動(dòng)機(jī)銘牌相似，讀者可參照進(jìn)行識(shí)讀。

2. 直流電動(dòng)機(jī)主要系列

直流電動(dòng)機(jī)主要系列有：

Z4系列：一般用途的小型直流電動(dòng)機(jī)；

ZT系列：廣調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)；

ZJ系列：精密機(jī)床用直流電動(dòng)機(jī)；

ZTD系列：電梯用直流電動(dòng)機(jī)；

ZZJ系列：起重冶金用直流電動(dòng)機(jī)；

ZD2ZF2系列：中型直流電動(dòng)機(jī)；

ZQ系列：直流牽引電動(dòng)機(jī)；

Z-H系列：船用直流電動(dòng)機(jī)；

ZA系列：防爆安全用直流電動(dòng)機(jī)；

ZLJ系列：力矩直流電動(dòng)機(jī)。

四、直流電動(dòng)機(jī)的選用

正確選用直流電動(dòng)機(jī)是構(gòu)建直流電動(dòng)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。下面介紹選用直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)遵循的一般原則。

1. 直流電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇

額定功率選擇的原則：所選額定功率要能滿足生產(chǎn)機(jī)械在拖動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)（啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等）對功率和轉(zhuǎn)矩的要求并在此基礎(chǔ)上使直流電動(dòng)機(jī)得到充分利用。

額定功率選擇的方法：根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械工作時(shí)負(fù)載（轉(zhuǎn)矩、功率、電流）大、小變化特點(diǎn)，預(yù)選直流電動(dòng)機(jī)的額定功率，再根據(jù)所選直流電動(dòng)機(jī)額定功率校驗(yàn)過載能力和啟動(dòng)能力。

2. 直流電動(dòng)機(jī)種類的選擇

直流電動(dòng)機(jī)種類選擇時(shí)應(yīng)考慮的主要內(nèi)容有以下幾項(xiàng)。

（1）直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性應(yīng)與所拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性相匹配。

（2）直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械要求。對調(diào)速性能的要求在很大程度上決定了直流電動(dòng)機(jī)的種類、調(diào)速方法以及相應(yīng)控制方法。

（3）直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械對直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能的要求，直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能主要是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，同時(shí)還應(yīng)注意電網(wǎng)容量對直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的限制。

（4）經(jīng)濟(jì)性：一是直流電動(dòng)機(jī)及其相關(guān)設(shè)備（如啟動(dòng)設(shè)備、調(diào)速設(shè)備等）的經(jīng)濟(jì)性；二是直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，主要是要效率高，節(jié)省電能。

3. 直流電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇

直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓一般為110V、220V、440V，最常用的電壓等級為220V。

4. 直流電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速

（1）對不需要調(diào)速的高、中速生產(chǎn)機(jī)械，可選擇相應(yīng)額定轉(zhuǎn)速的直流電動(dòng)機(jī)，從而省去減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

（2）對不需要調(diào)速的低速生產(chǎn)機(jī)械，可選用相應(yīng)的低速直流電動(dòng)機(jī)或者傳動(dòng)比較小的減速機(jī)構(gòu)。

（3）對經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，選擇額定轉(zhuǎn)速時(shí)則應(yīng)主要考慮縮短啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間以提高生產(chǎn)率。啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間的長短主要取決于直流電動(dòng)機(jī)的飛輪矩和額定轉(zhuǎn)速。應(yīng)選擇較小的飛輪矩和額定轉(zhuǎn)速。

（4）對調(diào)速性能要求不高的生產(chǎn)機(jī)械，可選用多速直流電動(dòng)機(jī)或者選擇額定轉(zhuǎn)速稍高于生產(chǎn)機(jī)械的直流電動(dòng)機(jī)配以減速機(jī)構(gòu)，也可以采用電氣調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)。在可能的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用電氣調(diào)速方案。

（5）對調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)機(jī)械，應(yīng)使直流電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，直接采用電氣調(diào)速。

思考與練習(xí)

1. 簡述直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。

2. 直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式有哪幾種？請畫出其電路。

3. 直流電動(dòng)機(jī)一般為什么不允許采用全壓啟動(dòng)？

4. 簡述直流電動(dòng)機(jī)的選用原則。