課題二 認識直流電動機

直流電動機是通以直流電流的旋轉電機，是將直流電能轉換為機械能的設備。與交流電動機相比，其優點是調速性能好，啟動轉矩大，過載能力強，在啟動和調速要求較高的場合應用廣泛；不足之處是直流電動機結構復雜，成本高，運行維護困難。

一、直流電動機的基本結構與工作原理

直流電動機由定子和轉子兩個基本部分組成，如圖1-9所示。

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

電樞是直流電動機中的轉動部分，故又稱為轉子，主要由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉軸和風扇等組成。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動的一個換向片上，同固定在機座上的電刷連接，而后者與外加的電樞電源相連。

直流電動機的基本工作原理是建立在電磁感應和電磁力的基礎上的。當電樞繞組中通過直流電流時，在定子磁場的作用下就會產生帶動負載旋轉的電磁力和電磁轉矩，驅動轉子旋轉。直流電動機產生的電磁轉矩由下式表示：

T=KmΦId

式中，T——電磁轉矩，N·m；

Φ——一對磁極的磁通量，Wb；

Id——電樞電流，A；

Km——與電動機結構有關的常數（稱為轉矩常數），Km=PN/2πα，其中，P為磁極對數，N為切割磁通的電樞總導體數，α為電樞繞組并聯支路數。

二、直流電動機的勵磁方式

直流電動機勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。按直流電動機勵磁繞組與電樞繞組連接方式的不同分為他勵直流電動機、并勵直流電動機、串勵直流電動機與復勵直流電動機4種，如圖1-10所示。

其中圖1-10（a）為他勵直流電動機，勵磁繞組與電樞繞組分別用兩組獨立的直流電源供電；圖1-10（b）為并勵直流電動機，勵磁繞組和電樞繞組并聯，由同一直流電源供電；圖1-10（c）為串勵直流電動機，勵磁繞組與電樞繞組串聯，由同一直流電源供電；圖1-10（d）為復勵直流電動機，既有并勵繞組，又有串勵繞組。

一般情況下，直流電動機并勵繞組的電流較小，導線較細，匝數較多；串勵繞組的電流較大，導線較粗，匝數較少：因而不難辨別。

三、直流電動機的銘牌數據和主要系列

1. 直流電動機的銘牌數據

直流電動機產品種類繁多，銘牌樣式也各不相同。圖1-11是我國使用較多的Z4系列直流電動機銘牌。

銘牌中各數據的含義與異步電動機銘牌相似，讀者可參照進行識讀。

2. 直流電動機主要系列

直流電動機主要系列有：

Z4系列：一般用途的小型直流電動機；

ZT系列：廣調速直流電動機；

ZJ系列：精密機床用直流電動機；

ZTD系列：電梯用直流電動機；

ZZJ系列：起重冶金用直流電動機；

ZD2ZF2系列：中型直流電動機；

ZQ系列：直流牽引電動機；

Z-H系列：船用直流電動機；

ZA系列：防爆安全用直流電動機；

ZLJ系列：力矩直流電動機。

四、直流電動機的選用

正確選用直流電動機是構建直流電動機電氣控制系統的關鍵。下面介紹選用直流電動機應遵循的一般原則。

1. 直流電動機額定功率的選擇

額定功率選擇的原則：所選額定功率要能滿足生產機械在拖動的各個環節（啟動、調速、制動等）對功率和轉矩的要求并在此基礎上使直流電動機得到充分利用。

額定功率選擇的方法：根據生產機械工作時負載（轉矩、功率、電流）大、小變化特點，預選直流電動機的額定功率，再根據所選直流電動機額定功率校驗過載能力和啟動能力。

2. 直流電動機種類的選擇

直流電動機種類選擇時應考慮的主要內容有以下幾項。

（1）直流電動機的機械特性應與所拖動生產機械的負載特性相匹配。

（2）直流電動機的調速性能應滿足生產機械要求。對調速性能的要求在很大程度上決定了直流電動機的種類、調速方法以及相應控制方法。

（3）直流電動機的啟動性能應滿足生產機械對直流電動機啟動性能的要求，直流電動機的啟動性能主要是啟動轉矩的大小，同時還應注意電網容量對直流電動機啟動電流的限制。

（4）經濟性：一是直流電動機及其相關設備（如啟動設備、調速設備等）的經濟性；二是直流電動機拖動系統運行的經濟性，主要是要效率高，節省電能。

3. 直流電動機額定電壓的選擇

直流電動機的額定電壓一般為110V、220V、440V，最常用的電壓等級為220V。

4. 直流電動機額定轉速

（1）對不需要調速的高、中速生產機械，可選擇相應額定轉速的直流電動機，從而省去減速傳動機構。

（2）對不需要調速的低速生產機械，可選用相應的低速直流電動機或者傳動比較小的減速機構。

（3）對經常啟動、制動和反轉的生產機械，選擇額定轉速時則應主要考慮縮短啟動、制動時間以提高生產率。啟動、制動時間的長短主要取決于直流電動機的飛輪矩和額定轉速。應選擇較小的飛輪矩和額定轉速。

（4）對調速性能要求不高的生產機械，可選用多速直流電動機或者選擇額定轉速稍高于生產機械的直流電動機配以減速機構，也可以采用電氣調速的直流電動機拖動系統。在可能的情況下，應優先選用電氣調速方案。

（5）對調速性能要求較高的生產機械，應使直流電動機的最高轉速與生產機械的最高轉速相適應，直接采用電氣調速。

思考與練習

1. 簡述直流電動機的工作原理。

2. 直流電動機的勵磁方式有哪幾種？請畫出其電路。

3. 直流電動機一般為什么不允許采用全壓啟動？

4. 簡述直流電動機的選用原則。