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直流电机名词定义direct current machine,DC machine

中文名称:直流电机
英文名称:direct current machine,DC machine
定义:将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。
应用学科:电力(一级学科);配电与用电(二级学科)

直流电机(direct current machine)是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。


基本结构

由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到,直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子,定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子,其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称为电枢,由转轴、电枢铁心、电枢绕组换向器和风扇等组成。

定子

1、主磁极
主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。
直流电机(图1)
铁心一般用0.5mm~1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成,分为极身和极靴两部分,上面套励磁绕组的部分称为极身,下面扩宽的部分称为极靴,极靴宽于极身,既可以调整气隙中磁场的分布,又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成,套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上,
2、换向极
换向极的作用是改善换向,减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花,一般装在两个相邻主磁极之间,由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成,套在换向极铁心上,换向极的数目与主磁极相等。
3、机座
电机定子的外壳称为机座。机座的作用有两个:
一是用来固定主磁极、换向极和端盖,并起整个电机的支撑和固定作用;
二是机座本身也是磁路的一部分,借以构成磁极之间磁的通路,磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能,一般为铸钢件或由钢板焊接而成。
4、电刷装置
电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内,用弹簧压紧,使电刷与换向器之间有良好的滑动接触,刷握固定在刷杆上,刷杆装在圆环形的刷杆座上,相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上,圆周位置可以调整,调好以后加以固定。

转子

1、电枢铁心
电枢铁心是主磁路的主要部分,同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成,以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽,槽内嵌放电枢绕组。
2、电枢绕组
电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量变换的关键部件,所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成,线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成,不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中,线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外,槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。
3、换向器
在直流电动机中,换向器配以电刷,能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流,使电磁转矩的方向恒定不变;在直流发电机中,换向器配以电刷,能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体,换向片之间用云母片绝缘。
4、转轴
转轴起转子旋转的支撑作用,需有一定的机械强度和刚度,一般用圆钢加工而成。

励磁方式

他励直流电机

励磁绕组与电枢绕组无联接关系,而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机,永磁直流电机也可看作他励或自激直流电机,一般直接称作励磁方式为永磁。

并励直流电机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联,作为并励发电机来说,是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电;作为并励电动机来说,励磁绕组与电枢共用同一电源,从性能上讲与他励直流电动机相同。

串励直流电机

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后,再接于直流电源。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流

复励直流电机

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反,则称为差复励。
不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是他励和串励,其它励磁方式,在电子工业的不断完善下将逐渐被淘汰,直流发电机的主要励磁方式有他励、并励和复励方式。

型号命名


工作原理

直流电机里边固定有环状永磁体,电流通过转子上的线圈产生安培力,当转子上的线圈与磁场平行时,再继续转受到的磁场方向将改变,因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触,从而线圈上的电流方向也改变,产生的洛伦兹力方向不变,所以电机能保持一个方向转动。
直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势,靠换向器配合电刷的换向作用,使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。
感应电动势的方向按右手定则确定(磁感线指向手心,大拇指指向导体运动方向,其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向)。
导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩,这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩,转矩的方向是逆时针方向,企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩(例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩),电枢就能按逆时针方向旋转起来。

控制原理

直流无刷电机的控制原理,要让电机转动起来,首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置,然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序,inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管),使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场,并与转子的磁铁相互作用,如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时,控制部又再开启下一组功率晶体管,如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管);要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。
  基本上功率晶体管的开法可举例如下:AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL一组,但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间,所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去,否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭,下臂(或上臂)就已开启,结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。
  当电机转动起来,控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(Command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)开关导通,以及导通时间长短。速度不够则开长,速度过头则减短,此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式,如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心。
  高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间,另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、 实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢,怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考,使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好,P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制,因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少,这就是误差(Error)。知道了误差自然就要补偿,方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的,若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握,所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论。

主要分类

直流发电机

直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁电源等所需的直流电机。虽然在需要直流电的地方,也用电力整流元件,把交流电转换成直流电,但从某些工作性能方面来看,交流整流电源还不能完全取代直流发电机。

直流电动机

将直流电能转换为机械能的转动装置。电动机定子提供磁场,直流电源向转子的绕组提供电流,换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。

无刷直流电机

无刷直流电机既保持了传统直流电机良好的调速性能又具有无滑动接触和换向火花、可靠性高、使用寿命长及噪声低等优点,因而在航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。
按照供电方式的不同,无刷直流电机又可以分为两类:方波无刷直流电动机,其反电势波形和供电电流波形都是矩形波,又称为矩形波永磁同步电动机;正弦波无刷直流电动机,其反电势波形和供电电流波形均为正弦波。


常见故障排除

直流电动机的常见故障及排除
直流电动机的常见故障及排除见表4.1
表4.1
故障现象
可能原因
排除方法
不能起动
①电源无电压
②励磁回路断卉
③电刷回路断开
④有电源但电动机不能转动
①检查电源及熔断器
②检查励磁绕组及起动器
③检查电枢绕组及电刷换向器接触情况
④负载过重或电枢被卡死或起动设备不合要求,应分别进行检查
转速不正常
①转速过高
②转速过低
①检查电源电压是否过高!主磁场是否过弱,电动机负载是否过轻
②检查电枢绕组是否有断路、短路、接地等故障;检查电刷压力及电刷位置;检查电源电压是否过低及负载是否过重;检查励磁绕组回路是否正常
电刷火花过大
①电刷不在中性线上
②电刷压力不当或与换向器接触不良或电刷磨损或电刷牌号不对
③换向器表面不光滑或云母片凸出
④电动机过载或电源电压过高
⑤电枢绕组或磁极绕组或换向极绕组故障
⑥转子动平衡未校正好
①调整刷杆位置
②调整电刷压力、研磨电刷与换向器接触面、淘换电刷
③研磨换向器表面、下刻云母槽
④降低电动机负载及电源电压
⑤分别检查原因
⑥重新校正转子动平衡
过热或冒烟
①电动机长期过载
②电源电压过高或过低
③电枢、磁极、换向极绕组故障
④起动或正、反转过于频繁
①更换功率较大的电动机
②检查电源电压
③分别检查原因
④避免不必要的正、反转
机座带电
①各绕组绝缘电阻太低
②出线端与机座相接触
③各绕组绝缘损坏造成对地短路
①烘干或重新浸漆
②修复出线端绝缘
③修复绝缘损坏处


故障检修

电枢绕组接地故障

这是直流电动机绕组最常见的故障。电枢绕组接地故障一般常发生在槽口处和槽内底部,对其的判定可采用绝缘电阻表法或校验灯法,用绝缘电阻表测量电枢绕组对机座的绝缘电阻时,如阻值为零则说明电枢绕组接地;或者用图所示的毫伏表法进行判定,将36V低压电源通过额定电压为36V的低压照明灯后,连接到换向器片上及转轴一端,若灯泡发亮,则说明电枢绕组存在接地故障。具体到是哪个糟的绕组元件接地,则可用图所示的毫伏表法进行判定。将6~12V低压直流电源的两端分别接到相隔K/2或K/4的两换向片上(K为换向片数),然后用毫伏表的一支表笔触及电动机轴,另一支表笔触在换向片上,依次测量每个换向片与电动机轴之间的电压值。若被测换向片与电动机轴之间有一定电压数值(即毫伏表有读数),则说明该换向片所连接的绕组元件未接地;相反,若读数为零,则说明该换向片所连接的绕组元件接地。最后,还要判明究竟是绕组元件接地还是与之相连接的换向片接地,还应将该绕组元件的端都从换向片上取下来,再分别测试加以确定。
电枢绕组接地点找出来后,可以根据绕组元件接地的部位,采取适当的修理方法。若接地点在元件引出线与换向片连接的部位,或者在电枢铁心槽的外部槽口处,则只需在接地部位的导线与铁心之间重新进行绝缘处理就可以了。若接地点在铁心槽内,一般需要更换电枢绕组。如果只有一个绕组元件在铁心槽内发生接地,而且电动机又急需使用时,可采用应急处理方法,即将该元件所连接的两换向片之间用短接线将该接地元件短接,此时电动机仍可继续使用,但是电流及火花将会有所加大。

电枢绕组短路

若电枢绕组严重短路,会将电动机烧坏。若只有个别线圈发生短路时,电动机仍能运转,只是使换向器表面火花变大,电枢绕组发热严重,若不及时发现并加以排除,则最终也将导致电动机烧毁。因此,当电枢绕组出现短路故障时,就必须及时予以排除。
电枢绕组短路故障主要发生在同槽绕组元件的匝间短路及上下层绕组元件之间的短路,查找短路的常用方法有:
①短路测试器法与前面查找三相异步电动机定子绕组匝问短路的方法一样,将短路测试器接通交流电源后,置于电枢铁心的某一槽上,将断锯条在其他各槽口上面平行移动,当出现较大幅度的振动时,则该槽内的绕组元件存在短路故障。
②毫伏表法如图所示,将6.3V交流电压(用直流电压也可以)加在相隔K/2或K/4两换向片上,用毫伏表的两支表笔依次接触到换向器的相邻两换向片上,检测换向器的片间电压。在检测过程中,若发现毫伏表的读数突然变小,例如,图中4与5两换向片间的测试读数突然变小,则说明与该两换向片相连的电枢绕组元件有匝问短路。若在检测过程中,各换向片问电压相等,则说明没有短路故障。
电枢绕组短路故障可按不同情况分别加以处理,若绕组只有个别地方短路,且短路点较为明显,则可将短路导线拆开后在其间垫入绝缘材料并涂以绝缘漆,待烘干后即可使用。若短路点难以找到,而电动机又急需使用时,则可用前面所述的短接法将短路元件所连接的两换向片短接即可。如短路故障较严重,则需局部或全部更换电枢绕组。

电枢绕组断路

这也是直流电动机常见故障之一。实践经验表明,电枢绕组断路点一般发生在绕组元件引出线与换向片的焊接处。造成的原因有:一是焊接质量不好,二是电动机过载、电流过大造成脱焊。这种断路点一般较容易发现,只要仔细观察换向器升高片处的焊点情况,再用螺钉旋具或镊子拨动各焊接点,即可发现。
若断路点发生在电枢铁心槽内部,或者不易发现的部位,则可用图所示的方法来判定。将6~12Ⅴ的直流电源连接到换向器上相距K/2或K/4的两换向片上,用笔伏表测量各相邻两换向片间的电压,并逐步依次进行测E。有断路的绕组所连接的两换向片(如图中的4、5两换向片)被毫伏表跨按时,有读数指示,而且指针发生剧烈跳动。若毫伏表跨接在完好的绕组所连接的两换向片上时,指针将无读数指示。
电枢绕组断路点若发生在绕组元件与换向片的焊接处,只要重新焊接好即可使用。若断路点不在槽内,则可以先焊接短线,再进行绝缘处理即可。如果断路点发生在铁心槽内,且断路点只有一处,则将该绕组元件所连接的两换向片短接后,也可继续使用;若断路点较多,则必须更换电枢绕组。

换向器故障的检修

片间短路故障
按下图所示方法进行检测,如判定为换向器片间短路时,可先仔细观察发生短路的换向片表面的具体状况,一般均是由于电刷炭粉在槽口将换向片短路或是由于火花烧灼所致。
可用图所示的拉槽工具刮去造成片问短路的金属屑末及电刷粉末即可。若用上述方法仍不能消除片间短路,即可确定短路发生在换向器内部,一般需要更换新的换向器。
换向器接地故障
接地故障一般发生在前端的云母环上,该环有一部分裸露在外面,由于灰尘、油污和其他杂物的堆积,很容易造成接地故障。当接地故障发生时,这部分的云母环大都已烧损,而且查找起来也比较容易。修理时,一般只要把击穿烧坏处的污物清除干净,并用虫胶漆和云母材料填补烧坏之处,再用可塑云母板覆盖l~2层即可。
云母片凸出
由于换向器上换向片的磨损比云母片要快,因此直流电动机使用较长一段时间后,有可能出现云母片凸起。在对其进行修理时,可用拉槽工具,把凸出的云母片刮削到比换向片约低lmm即可。
电刷中性线位置的确定及电刷的研磨
确定电刷中性线的位置
常用的是感应法,如图4.6所示,励磁绕组通过开关接到l.5~3V的直流电源上,毫伏表连接到相邻两组电刷上(电刷与换向器的接触一定要良好)。当断开或闭合开关时(即交替接通和断开励磁绕组的电流),毫伏表的指针会左右摆动,这时将电刷架顺电动机转向或逆电动机转向缓慢移动,直到毫伏表指针几乎不动为止,此时刷架的位置就是中性线所在的位置。
电刷的研磨
电刷与换向器表面接触面积的大小将直接影响到电刷下火花的等级,对新更换的电刷必须进行研磨,以保证其接触面积在80%以上。研磨电刷的接触面时,—般采用0号砂布,砂布的宽度等于换向器的长度,砂布应能将整个换向器表面包住,再用橡皮胶布或胶带将砂布固定在换向器上,如图4.7所示,将待研磨的电刷放入刷握内,然后按电动机旋转的方向转动电枢,即可进行研磨。
随着科学技术不断发展,电动机及控制设备的技术性能也日益完善。在工作中如何正确的使用和掌握其性能,还需要我们在实际工作中不断积累经验,判断电动机及控制设备存在的问题与故障处理,找出故障原因并加以分析,及时采取对策,以保证电动机及传动设备的正常运行。通过本课题的研究,使我维修直流电动机的能力得到了锻炼和提高。以后我会不断努力的学习,使我在以后的工作中能够得到有效的应用。

(责任编辑:南京快维)
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