項目6直流電動機及控制技術任務6.1認識直流電動機任務6.2直流電動機的控制技術無論是直流發電機還是直流電動機，二者具有相同的結構，只是直流發電機是由原動機拖動旋轉而發電，是把機械能變為電能的裝置；直流電動機則是通入直流電后拖動各種工作機械運轉，是把電能轉換為機械能的設備。

直流電動機的最大弱點就是存在電流換向問題，消耗有色金屬較多，成本高，運行中的檢修和維護也比較復雜，因此其使用的廣泛程度遠比不上交流電動機。盡管如此，由于直流電動機的調速性能較好和啟動轉矩較大，因此仍然廣泛應用在對調速要求較高的大型軋鋼設備、大型精密機床、礦井卷揚機、市內電車及汽車拖拉機等電路中，在控制系統中，直流測速電動機、直流伺服電動機的應用也非常廣泛。因此，對直流電動機進行必要的討論和研究，具有現實意義。項目導入知識目標

了解直流電動機的結構組成和工作原理，熟悉直流電動機的銘牌數據，理解和掌握直流電機的特性；理解和掌握直流電動機的控制技術主磁通原理，掌握直流電動機的啟動控制、反轉控制、調速控制及制動控制的理論與方法，了解直流電動機的常見故障處理方法。技能目標理解和掌握直流電動機的啟動、調速、反轉的控制方法，掌握相關的實驗技能，具有對直流電動機的啟動、調速、正反轉實驗電路進行連線和正確控制的技能和能力。任務6.1

認識直流電動機提出問題

直流電動機的地位如何？你了解直流電動機的結構組成嗎？你理解直流電動機的工作原理嗎？你對直流電動機的銘牌數據了解多少？直流電動機的運行特性和機械特性你了解多少？

直流電動機是將直流電能轉換為機械能的電動機。因其良好的調速性能而在電力拖動中得到廣泛應用。直流電動機按勵磁方式的不同可分為永磁式、他勵式和自勵式3大類，其中自勵式又分為并勵式、串勵式和復勵式3種。知識準備6.1.1直流電動機的結構原理近年來，與電力電子裝置結合而具有直流電機性能的電機不斷涌現，使直流電機大有被取代的趨勢。盡管如此，直流電機仍有一定的理論意義和實用價值。直流電機結構組成圖機座主磁極轉軸電樞鐵心換向磁極電樞繞組換向器電刷

直流電機主要由定子、轉子兩大部分組成。1.定子定子主要有：機座、主磁極、換向極和電刷裝置四部分。機座既可用來作為安裝電機所有零件的外殼，又是聯系各磁極的導磁鐵軛。

主磁極是一個電磁鐵，由主極鐵心和主極線圈兩部分組成。

換向極又稱為附加極，裝在兩個主極之間，用來改善直流電機的換向。

直流電機通過電刷與換向器表面的滑動接觸，把轉動的電樞繞組與外電路相連。

2.轉子轉子主要有：轉軸、電樞鐵心、電樞繞組和換向器四部分。轉軸用來傳遞轉矩，一般用合金鋼鍛壓而成。

電樞鐵心是電機磁路的一部分，是承受電磁力作用的部件。

電樞繞組的作用是產生感應電勢和通過電流產生電磁轉矩，實現機電能量轉換。

換向器是直流電機的結構特征，其作用是機械整流。

直流電動機的工作原理也是建立在電磁力和電磁感應的基礎上。圖中N和S為直流電機的一對定子磁極；電樞繞組用一個單匝線圈來表示；線圈的兩個引出端分別聯在兩個換向片上，換向片上壓著電刷A和B。

6.1.2

直流電動機的轉動原理U+_NSAB轉動原理

當直流電動機電樞繞組與直流電源連通時，根據左手定則可判斷出兩個線圈有效邊在磁場中所受電磁力的作用，兩電磁力對軸形成一個力矩，在電磁力矩的作用下，電樞便按順時針方向旋轉起來。FIiFn直流電動機的工作原理動畫

直流電動機中的反電動勢

電動機電樞在磁場中受力轉動，轉動過程中要與定子磁極的磁場相切割而感應電動勢，電動勢的方向可由右手定則來判斷，感應電動勢產生的電流顯然與電源提供的電樞電流方向總是相反的，因此把這個感應電動勢稱為反電動勢。直流電機的電磁轉矩可表示為：

直流電動機的電磁轉矩T是驅動轉矩，與機械負載的阻轉矩T2及空載損耗轉矩T0相平衡。當軸上的機械負載發生變化時，則電動機的轉速、電動勢、電流及電磁轉矩將自動進行調整，以適應負載的變化，保持新的平衡。例如當負載增加時，軸上的機械轉矩增大，平衡被打破，動力矩小于阻力矩，電動機轉速下降，轉速下降導致切割速度減小，反電動勢減小，則電樞電流增大，電磁轉矩增大，直至達到新的平衡，電動機的轉速重新穩定。

6.1.3直流電動機的勵磁方式

直流電機的勵磁方式是指直流電機勵磁繞組和電樞繞組之間的連接方式。不同勵磁方式的直流電機，其特性有很大差異。因此，勵磁方式是選擇直流電機的重要依據。直流電機的勵磁方式可分為他勵、并勵、串勵、復勵四種類型。Ia+_EUf+_If+_UMRf他勵電動機他勵電機的勵磁繞組與電樞繞組各自分開，勵磁繞組由獨立的直流電源供電，勵磁電流If的大小只取決于勵磁電源的電壓和勵磁回路的電阻，而與電機的電樞電壓大小及負載無關。用永久磁鐵作主磁極的電機可當作他勵電機。MURfIf+_+_IaE并勵電動機并勵電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯。勵磁電流一般為額定電流的5%，要產生足夠大的磁通，需要有較多的匝數。所以并勵繞組匝數多，導線較細。并勵發電機電壓建立的首要條件就是其磁極必須有剩磁。MUR+_+_Ia=IfE串勵電動機串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組相串聯，如圖所示。勵磁電流與電樞電流相同，數值較大，因此，串勵繞組匝數很少，導線較粗。

MURfIf+_+_IaE復勵電動機復勵電機至少有兩個勵磁繞組，一個是串勵繞組，另一個是并勵或他勵繞組。并勵繞組起主要作用，匝數多，導線細；串勵繞組起輔助作用。匝數少，導線粗。

直流電動機有哪些勵磁方式？應用得較多的有哪幾種？

直流電動機的電樞繞組中通過的電流是直流嗎？為什么？

為什么說直流電動機中的感應電動勢是反電動勢？這個反電動勢與發電機中的感應電動勢有何不同？

想想練練

每一臺直流電機上面都有一塊銘牌，上面標注各種額定數據，說明該直流電機的型號、規格、性能，是用戶合理選擇和正確使用直流電機的依據。

6.1.4直流電動機的銘牌數據

銘牌數據都是生產廠家根據國家標準要求，設計和試驗所得的一組反映電機性能的主要數據。

額定功率指直流電機按規定工作方式運行時，能向負載提供的輸出功率。直流電動機的額定功率是指電動機轉軸上輸出的有效機械功率。單位為千瓦（kW）。1.額定功率指額定輸出時電機接線端子間的電壓。單位為伏【V】。2.額定電壓指電機按照規定的工作方式運行時，電機繞組允許流過的最大安全電流。單位為安【A】。

3.額定電流指電機在額定電壓、額定電流和額定輸出功率時，直流電機的旋轉速度。單位為轉/分【r/min】。

4.額定轉速

此外，直流電機的額定數據還有工作方式、勵磁方式、額定勵磁電壓、額定溫升、額定效率等。5.絕緣等級直流電動機的絕緣等級根據其絕緣材料的耐熱等級可分為Y、A、E、B、F、H、C7級，其極限工作溫度分別為90℃、105℃、120℃、130℃、155℃、180℃及180℃以上。額定值是選用或使用電機的主要依據，一般希望電機按額定值運行。但實際上，電機運行時的各種數據可能與額定值不同，它們由負載的大小來確定。若電機的電流正好等于額定值，稱為滿載運行；若電機的電流超過額定值，稱為過載運行；若比額定值小得多，稱為輕載運行。長期過載運行將使電機過熱，降低電機壽命甚至損壞；長期輕載運行使電機的容量不能充分利用。兩種情況都將降低電機的效率，都是不經濟的。故在選擇電機時，應根據負載的要求，盡可能使電機運行在額定值附近。

一臺Z252型直流電動機，已知其銘牌數據為：PN=13kW，UN=220V，ηN=0.86，nN=3000r/min。試求該直流電動機的P1N，IN和TN。

解例根據已知銘牌數據，可求得額定輸入功率為

額定電流為

額定電磁轉矩為

直流電機的定子都包含哪幾部分？各部分作用如何？

何謂直流電機的銘牌數據？其中的額定功率，是電功率還是機械功率？

在直流電動機中，電樞所加電壓已是直流，為什么還要加裝換向器？如果直流電機沒有換向器，還能轉動嗎？想想練練直流電機的轉子都包含哪幾部分？各部分作用如何？

直流電動機的主要參數有電動機輸出功率、電壓、電樞電流、轉速、電磁轉矩、輸出轉矩和效率等。電動機運行特性即是指這些參數間的變化關系。電動機各參數之間的關系可由電動勢平衡方程式和轉矩平衡方程式來確定。

6.1.5直流電動機的特性分析

電動機穩定運行時的端電壓應滿足下面的關系式：1.直流電動機的運行特性

式中ΔU是直流電機的電樞壓降。對串勵電動機來講，電流流過電樞時，引起的電壓降為：（1）電動勢的平衡方程式

式中的Ra是電樞電路的銅耗電阻，Rm是磁系統電路的電阻。對于永磁式直流電動機，則有：

電動機穩定運轉情況下，電動機產生的電磁轉矩為：

（2）轉矩平衡方程式

式中電磁轉矩T是由通過電樞電路的電流與電動機總磁通量相互作用而產生的，T0是因電動機上的轉承、電刷和整流環間的磨擦，電樞和磁系統的旋轉以及銅損耗而形成的空載阻轉矩。另外，式中CT為電機結構常數，與電動機結構因素有關。

輸出轉矩T2是直流電動機軸上的負載阻轉矩，其大小取決于直流電動機拖動的負載。

直流電動機的空載損耗P0很小，只是額定輸出功率的2%～3%，故空載阻轉矩也為輸出轉矩的2%～3%。2.直流電動機的機械特性

直流電動機的機械特性是指時機的轉速n與電磁轉矩T之間的關系，以常用的他勵電動機為例，說明其機械特性。

他勵直流電動機電樞中的反電動勢，

電機轉速

若將電磁轉矩公式代入上式即可得到電機轉速另一形式

其中的n0為空載轉速，C是一常數，反映了電機特性曲線斜率。TnTL0n0nN圖示他勵直流電機的機械特性曲線是一條略向下傾斜的直線，這種機械特性稱為硬特性。TnTL0n0nN串勵機的機械特性較軟，因為串勵電動機的勵磁電流與電樞電流相同，當負載增大時勵磁電流隨之增大，磁通量與勵磁電流成正比增大，電磁轉矩變化也較大，其機械特性是一條隨負載增大，轉速下降很快的軟特性。如果串勵機輕載，轉速將很高，嚴重時還會造成飛車事故。因此，串勵機不允許在空載或輕載下運行。

并勵電動機通常和他勵機的機械特性差別不大，可以認為其機械特性相同。復勵電動機的機械特性介于他勵機和串勵機之間。

一臺并勵直流電動機，已知其銘牌數據為：PN=15kW，UN=110V，ηN=0.83，nN=1800r/min，Ra=0.05Ω，Rf=25Ω。試求：該直流電機的額定電流IN，勵磁電流If，電樞電流Ia，反電動勢Ea及額定電磁轉矩TN。

解例根據已知銘牌數據，可求得額定輸入功率為

額定電流為

額定電磁轉矩為

勵磁電流為

電樞電流為

反電動勢為

何謂直流電動機的運行特性？何謂直流電機的機械特性？

各種勵磁方式不同的直流電動機，哪些屬于硬特性？哪些屬于軟特性？

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中國電機之父，后世楷模拓展閱讀

鐘兆琳，著名的電機學家、教育家，中國電機工程學會創始人之一，中國電機工程學會終身榮譽會員，中國電工技術學會榮譽會員，也是中國第一臺交流發電機與電動機的研制者。鐘先生為中國的電機事業服務了60余年，培養了一大批杰出的電機學、信息學方面的人才，被譽為“中國電機之父”。

20世紀20年代以前，中國基本上沒有搞電機的人才，一些工業用電機，連技術人員都來自西方國家。隨著一批批中國學子由學校走上民族工業企業，中國才開始有自己的電機工業。鐘先生不僅以其出眾的教學才能培養了大批電機制造業的優秀人才，而且身體力行，將教學與民族工業的發展結合起來，為民族電機工業的發展做出了巨大的貢獻。鐘先生堅持“好實踐、惡空談”的教學思想。他深諳制造工藝，長期擔任多個工廠、公司的工程師、顧問與董事，實踐經驗非常豐富。他講課時，不僅講理論，而且還介紹生產經驗。所以交大、浙大凡是聽過他講課的學生，無不稱贊他理論嚴格、系統、扎實，而且重視理論聯系實際。他認真負責的態度，引人入勝的啟發式教學方法，贏得了學生們的一致好評。

鐘兆琳先生治學嚴謹、誨人不倦、正直坦率、艱苦樸素的優良作風，是我們后輩學習的楷模。鐘先生一生實事求是、追求真理、堅持講真話的大無畏精神，在當今社會更是彌足珍貴，更讓人敬佩不已。鐘兆琳為中國的電機事業奮斗了一生，為民族電機制造業的。

科技興則民族興，科技強則國家強，核心科技是國之重器。核心技術并不是那么容易引進的，也不可能一蹴而就，需要國人不忘初心，砥礪前行。任務6.2

直流電動機的控制技術提出問題

你了解直流電動機的啟動采用的方法有哪些？直流電動機如何從正轉改為反轉？直流電動機的調速控制有哪些方法和技術？直流電動機的制動技術包括哪些？你了解和熟悉直流電動機的常見故障處理方法嗎？直流電動機中，他勵直流電動機和并勵直流電動機在拖動中應用得最為廣泛，因此我們以他勵直流電動機或并勵直流電動機為例介紹直流電動機的控制技術。知識準備6.2.1直流電動機的啟動控制1.直接啟動

直接啟動是在不采取任何限流措施的情況下，電樞繞組直流直接接額定電壓的啟動方法。直接啟動瞬間，由于電機電樞轉速n=0，所以把電動勢Ea=0，則此時加額定電壓時電樞的啟動電流為：

由于電樞電阻的數值通常很小，此時啟動電流可達額定電流的10~20倍，超出額定電流這么多的啟動電流可能在換向器上產生火花而損壞換向器，因此是不允許的。2.電樞回路串電阻啟動為了限制啟動電流，可在電樞回路中串入適當的限流電阻Rst。這時剛一啟動瞬間的電流為：

在啟動過程中，隨著電動機轉速的不斷升高，可逐漸切除啟動電阻，直到正常運行狀態時全部切除。

啟動轉矩正比于啟動電流，所以直接啟動時其啟動轉矩也很大，電動機的轉軸在直接啟動時會受到較大的機械沖擊作用，可能造成機械性損傷。因此，直接啟動方法只允許用于容量很小的直流電動機中。

3.降壓啟動

直流電動機在有可調電源的情況下，也可以采用降壓啟動，以限制啟動電流。隨著轉速的升高，電壓也隨之調高，直到額定電壓下穩定運行。這種方法大多用于直流發電機—電動機組。其優點是啟動電流小，可平滑啟動，能耗低。

要改變直流電動機的旋轉方向，必須改變電磁轉矩的方向，由可知，電磁轉矩的方向由主磁通和電樞電流共同決定，只要其中任意一項改變方向，都能使電磁轉矩反向，電動機反轉。6.2.2直流電動機的反轉控制由于直流電動機的勵磁繞組電感較大，換接時會產生很高的自感電壓，造成操作的極不安全。因此在實際使用中通常采用的方法是改變電樞電流達到反轉目的。

根據公式U＝E+IaRa

Ea＝Ce

nT＝CT

Ia

6.2.3直流電動機的調速降低電樞電壓調速調速過程U↘Ia↘T↘n↘E↘Ia↗T↗，

調速幅度大、性能好，應用較廣的調速方法。2.減弱磁通調速調速過程↘E↘Ia↗T(Ia的影響大于

)↗n↗E↗，

只能升速，適合恒功率負載，需用調磁電動機。3.電樞回路串電阻調速調速原理：假定電樞回路未串接電阻時，直流電動機在負載轉矩TN狀態下穩定運行在機械特性曲線的A點。需要調速時，在電樞回路中串接調速電阻RΩ1，電動機由于機械慣性，轉速并不馬上發生改變，工作點從A點過渡到人為特性的b點，顯然電動機的電磁轉矩減小，T=TL的平衡被打破，電動機轉速沿人為特性下降，下降過程中，反電動勢Ea減小，電樞電流增大，電磁轉矩隨之增大，當電磁轉矩重新與負載阻轉矩平衡時，電動機穩定在人為特性的B點運行。若進一步串入調速電阻RΩ2，電動機會以類似過程調速，最后穩定在更低的轉速C點運行。6.2.4直流電動機的制動1.能耗制動

所謂能耗制動，就是在制動時讓電樞繞組從電網中斷開，并立即接到一個制動電阻上。此時電動機勵磁不變，電動機因慣性繼續旋轉，并在電樞繞組中感應電動勢，感應電動勢的電流向制動電阻反向供電，產生反向的電磁轉矩為制動轉矩。在整個制動過程中，電動機儲存的動能轉換成電能全部消耗在電樞電阻和制動電阻上，故稱為能耗制動。

2.

反接制動

所謂反接制動，就是在電動機制動時，電樞電壓反向接在電樞兩端，使其與反電動勢同向，在電樞中就