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项目三直流电动机控制线路的安装与调试[项目概述]直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一，应用电磁感应原理进行能量转换。将机械能转变为直流电能的电机称为直流发电机；将直流电能转变为机械能的电机称为直流电动机。直流发电机可作为各种直流电源。直流电动机具有宽广的调速范围、平滑的调速特性、较高的过载能力、较大的起动和制动转矩等特点，广泛应用于对起动和调速要求较高的生产机械。直流电动机作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能，是一种应用极为广泛的电气设备。在电动自行车，电脑风扇、收录机等日常电气设备和大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备等许多工业部门中都得到应用，本单元学习直流电动机的作用、类型、组成和直流电动机电气控制线路的原理、安装与调试等内容。3.1直流电动机的结构、原理3.1.1概述电机是实现电能和其它形式的能相互转换的装置。广泛用于工农业生产、交通运输、国防工业和日常生活等许多方面。电机的类型很多，分类方法也很多。随着科学技术的发展，出现了许多跨领域、跨学科的综合性学科，电机控制技术就具有这种高度综合的特点。电子技术、微电子技术、计算机技术给予电机系统以新的生命力。电机控制技术涉及到机械学、电动力学、电机学、自动控制、微处理器技术、电力电子学、传感器技术、计算机仿真学、计算机接口技术、软件工程学等等群体技术。电机控制技术包括以下更为具体的内容：(1)执行机械技术包括电机的原理与设计；电机及传感器—体化；电机及驱动控制一体化；机械机构的动力学分析；一体化电机系统；电机机构的新结构、新原理、新材料、新构成等等。(2)逆变和电机驱动技术包括电力变换技术；功率驱动技术；精密驱动技术；电力变换的调节控制；脉宽调制技术；驱动保护技术；电磁兼容与可靠性等等。(3)运动信息及信号检测包括传感器技术；信号处理技术；接口技术等。(4)自动控制技术包括控制理论；控制方法以及控制电路的模拟、仿真和调试技术。(5)电机系统的集成包括电机系统的一体化设计；电机系统的结构化设计；电机系统的模拟、仿真和实现；电机系统的综合性能分析和评估。(6)以嵌入式DSP芯片为核心的单片电机系统SOC(System0naChip)技术将电机系统的主要结构做在一个单芯片中，它以嵌入式DSP芯片为核心，采用面向对象的片中软件实现控制系统的可重构、可扩充和通用性。它可以适用于无刷电动机、感应电动机、同步电动机、开关磁阻电机、步进电动机的反馈控制、矢量控制、智能控制等高层次控制。(7)网络信息家电中的电机控制技术“网络信息家电。是一种概念，是一种新领域。它是信息技术与家用电器智能控制技术的结合。它是信息时代的重要物质基础。它是计算机、自动控制、信息技术、电工等学科交叉融合产生的新兴领域。3.1.2直流电机的结构直流电动机和直流发电机的结构基本是相同的，即都有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部分称为定子，在定子和转子之间存在着空气隙。小型直流电动机结构如图3—1所示，其剖面结构如图3—2所示。图3—1小型直流电动机的结构图3—2小型直流电动机的剖面结构1、定子部分定子的作用，在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械方面是整个电机的支撑，定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖和轴承组成。（一）主磁极主磁极的作用是产生恒定、有一定的空间分布形状的气隙磁通密度。主磁极由主磁极铁心和放置在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心分成极身和极靴，极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀并减小气隙磁阻，同时极靴对励磁绕组也起支撑作用。为减小涡流损耗，主磁极铁心是用1.0~1.5mm厚的低碳钢板冲成一定形状，用铆钉把冲片铆紧，然后再固定在机座上。主磁极上的线圈是用来产生主磁通的，称为励磁绕组。主磁极的结构如图3—3a所示。当给励磁绕组通入直流电时，各主磁极均产生一定极性，相邻两主磁极的极性是N、S交替出现的。（二）机座直流电机的机座有两种形式，一种为整体机座，另一种为叠片机座。整体机座是用导磁率效果较好的铸钢材料制成的，该种机座能同时起到导磁和机械支撑作用。由于机座起导磁作用，因此机座是主磁路的一部分，成为定子铁轭。主磁极、换向极及端盖均固定在机座上，机座起支撑作用。一般直流电机均采用整体机座。叠片机座是用薄钢板冲片叠压成定子铁轭，再把定子铁轭固定在一个专起支撑作用的机座里，这样定子铁轭和机座是分开的，机座只起支撑作用，可用普通钢板制成。叠片机座主要用于主磁通变化快，调速范围较高的场合。（三）换向极换向极又称为附加极，其结构如图3—3b所示，换向极安装在相邻的两主磁极之间，用螺钉固定在机座上，用来改善直流电机的换向，一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。换向极是由换向极铁心和换向极线圈组成。换向极铁心可根据换向要求用整块钢制成，也可用厚1~1.5mm厚钢板或硅钢片叠成，所有的换向极线圈串联后称换向绕组，换向绕组与电枢绕组串联。换向极数目一般与主极数目相同，但在功率很小的直流电机中，只装主极数一半的换向极或不装换向极。换向极极性根据换向要求确定。图3—3直流电机主磁极和换向极结构a）主磁极结构；b）换向极结构（四）电刷电刷装置的作用是通过电刷和旋转的换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路连接起来。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座和汇流条组成，电刷的结构如图3—4所示。电刷是用石墨制成的导电块，放在刷握内，用弹簧以一定的压力将它压在换向器的表面上。刷握用螺钉夹紧在刷杆上，刷杆装在一个可以转动的刷杆座上，成为一个整体部件。刷杆与刷杆座之间是绝缘的，以免正、负电刷短路。（五）端盖电机中的端盖主要起支撑作用。端盖固定在机座上，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。图3—4电刷的结构2转子部分转子又称电枢，是电机的转动部分，其作用是感应电势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换，转子由电枢铁心、换向器、电机转轴、电枢绕组、轴承和风扇组成。（一）电枢铁心电枢铁心的作用是通过磁通（电机磁路的一部分）和嵌放电枢绕组。为减小当电机旋转时铁心中的磁通方向发生变化引起的磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，叠片两面涂有绝缘漆。铁心叠片沿轴向叠装，中小型电机的电枢铁心通常直接压装在轴上；在大型电机中，由于转子直径较大，电枢铁心压装在套于轴上的转子支架上。电枢铁心冲片上冲有放置电枢绕组的电枢槽、轴孔和通风孔。图3—5所示为小型直流电机的电枢冲片形状和电枢铁心装配图。图3—5电枢冲片和电枢铁心装配图（二）换向器换向器又称为整流子，对于发电机，换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动势转变为直流电动势向外部输出直流电压，对于电动机，它是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电机旋转。换向器结构如图3—6所示。换向器是由换向片组合而成，是直流电机的关键部件，也是最薄弱的部分。换向器采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。换向片的底部做成燕尾形状，换向片的燕尾部分嵌在含有云母绝缘的V型钢环内，拼成圆筒形套入钢套筒上，相邻的两换向片间以0.6~1.2mm的云母片作为绝缘，最后用螺旋压圈压紧。换向器固定在转轴的一端。换向片靠近电枢绕组一段的部分与绕组引出线相焊接。图3—6换向器结构(a)换向片:(b)换向器（三）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。（四）电枢绕组电枢绕组安放在电枢铁心槽内，随着电枢旋转，在电枢绕组中产生感应电势；当电枢绕组中通过电流时，能与磁场作用产生电磁转矩，使电枢向一定的方向旋转。在电机中每一个线圈称为一个元件，多个元件有规律地连接起来形成电枢绕组。绕制好的绕组放置在电枢铁心上的槽内，放置在铁心槽内的直线部分在电机运转时将产生感应电动势，称为元件的有效部分；在电枢槽两端把有效部分连接起来的部分称为端接部分，端接部分仅起连接作用，在电机运行过程中不产生感应电动势。电枢绕组用圆铜线或矩形截面铜导线制成，铜线的截面积决定于线圈中通过电流的大小。在直流电机电枢槽的剖面图中，除导线本身包有绝缘外，上下层线圈间及线圈和铁心之间都必须妥善绝缘。为了防止线圈在离心力作用下甩出，在槽口处用槽楔将线圈边封在槽内，线圈伸出槽外的端接部分，用热固性无纬玻璃丝带或非磁性钢丝扎紧。槽楔可用竹片或酚醛玻璃布板制成。3.1.3电机控制技术要素电机控制技术的要素，指对具体的电机控制系统的最基本的描述或最简洁的定性描述。一般认为电机控制系统由三要素组成：(1)被控制的负载；(2)电动机；(3)控制电路。三要素的良好结合则构成电机控制系统。3．1.4直流电动机的类型按电能转换方式分类按电能转换方式电机分为发电机和电动机。按电源类型分类按电源类型电机分为直流电机和交流电机。按运行形式分类按运行形式电机分为运动电机和静止电机。除去上面三种分类方法外，还有一些其他分类方法。电机分类时先按一种形式为主进行分类，否则会出现交叉或混乱，甚至分不清到底有多少类电机。如先按电源类型分类为主电机分类如下：电机：直流电机：直流电动机：他励直流电动机自励直流电动机：串励直流电动机并励直流电动机复励直流电动机直流发电机：他励直流发电机自励直流发电机：串励直流发电机并励直流发电机复励直流发电机交流电机：交流电动机：三相交流电动机：三相交流异步电动机：笼型转子三相交流异步电动机，绕线转子三相交流异步电动机。三相交流同步电动机：凹极转子三相交流同步电动机，凸极转子三相交流同步电动机。单相交流电动机：电阻启动单相交流异步电动机，电容起动单相交流异步电动机，电容运转单相交流异步电动机，罩极启动单相交流异步电动机。交流发电机：三相交流同步发电机，三相交流异步发电机。变压器：单相变压器，三相变压器，特殊用途变压器。特殊电机直流电机中有两种基本绕组，即励磁绕组和电枢绕组。励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式称为励磁方式，不同励磁方式的直流电机，其特性有很大的差异，故选择励磁方式是选择直流电机的重要依据。直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励、复励四类，如图3—7所示。1．他励电机他励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个不同的电源供电，这两个电源的电压可以相同，也可以不同。如图3—7（a），励磁电流If的大小仅决定于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，而与电机的电枢电压大小及负载基本无关。用永久磁铁作主磁极的电机可当作他励电机。2．并励电机并励式直流电动机励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电，其接线图如图3—7（b）。励磁电流一般为额定电流的5%，要产生足够大的磁通，需要有较多的匝数，所以并励绕组匝数多，导线较细。并励式直流电动机一般用于恒压系统。中小型直流电动机多为并励式。图3—7直流电机按励磁方式分类（a）他励；（b）并联；（c）串励；（d）复励；（e）复励3．串励电机励磁绕组与电枢绕组串联，如图3—7（c）。励磁电流与电枢电流相同，数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗。串励式直流电动机具有很大的起动转矩，但其机械特性很软，且空载时有极高的转速，串励式直流电动机不准空载或轻载运行。串励式直流电动机常用于要求很大起动转矩且转速允许有较大变化的负载等。4．复励电机电机至少由两个绕组励磁，其中之一是串励绕组，其他为他励（或并励）绕组，如图3—7（d）所示。通常他励（或并励）绕组起主要作用，串励绕组起辅助作用。若串励绕组和他励（或并励）绕组的磁势方向相同，称为积复励；该型电机多用于要求起动转矩较大，转速变化不大的负载；由于积复励式直流电动机在两个不同旋转方向上的转速和运行特性不同，因此不能用于可逆驱动系统中。若串励绕组和并励（或他励）绕组的磁势方向相反，称为差复励；差复励式直流电动机一般用于起动转矩小，而要求转速平稳的小型恒压驱动系统中；这种励磁方式的直流电动机也不能用于可逆驱动系统中。3.1.5直流电动机的工作原理1直流电动机的工作原理把电刷A、B接到一直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，根据电枢线圈中将有电流流过。图3-8直流他励电动机的工作原理图如图3—8（a）所示，设线圈的ab边位于N极下，线圈