电机运行维护与故障处理第1章

项目一直流电机任务一直流电机的认识任务二直流电机的换向任务三他励直流电动机的应用任务四直流电机的运行维护与故障处理项目一直流电机项目一直流电机活动1直流发电机和直流电动机的基本工作原理一、活动目标(1)理解直流发电机的基本工作原理。(2)理解并掌握直流电动机的基本工作原理。任务一直流电机的认识项目一直流电机二、活动内容1.直流发电机的基本工作原理直流发电机是利用电磁感应定律，将机械能转换成电能的一种装置。根据电磁感应定律可知，在磁感应强度为Bx的均匀磁场中，一根长度为l的导体以匀速v作垂直切割磁力线的运动时，就会在导体中产生感应电动势e，e的大小为：e = Bxlv(1-1)项目一直流电机图1-1是一台最简单的直流发电机的工作原理模型。N和S为一对固定的磁极，两磁极之间有一个可以转动的圆柱体铁芯(称为电枢铁芯)，在电枢铁芯表面的槽内安置了一个电枢线圈abcd，线圈的两端分别焊接在两个相互绝缘的半圆弧形铜片(称为换向片)上，由换向片1和2就构成了最简单的换向器，换向片分别与固定不动的电刷A和B保持滑动接触，这样，旋转着的线圈就可以通过换向片、电刷与外电路接通，构成回路。项目一直流电机图1-1直流发电机工作原理模型图项目一直流电机2.直流电动机的基本工作原理直流电动机是利用电磁力定理，将电能转换成机械能的一种装置。若磁感应强度为Bx的磁场与长度为l的导体互相垂直，且该导体中通过的电流为i，则作用于载流导体即通电导体l上的电磁力f为：(1-2)liBfx项目一直流电机图1-2是一台最简单的直流电动机的工作原理模型。通过观察可知，直流电动机的工作原理模型实际上就是在直流发电机的工作原理模型中的A、B两电刷之间施加一直流电源。在图示位置中，电流从电源的正极流出，经过电刷A及换向片1流入电动机线圈，电流方向是a→b→c→d，然后再经过换向片2及电刷B流回到电源负极。根据电磁力定律，线圈边ab和cd在磁场中受到磁场力的作用，其方向可用左手定则确定，如图中所示。由众多的电磁力形成的电磁转矩施加在电动机轴上使电枢按逆时针方向旋转。项目一直流电机图1-2直流电动机工件原理模型图项目一直流电机电枢转过180°，电流流经的路径是通过电刷A、换向片2、线圈边dc和ba，最后经过换向片1及电刷B回到电源的负极。线圈中的电流方向为d→c→b→a。因此流经线圈中的电流方向改变了，这样导体所受的电磁力方向才能不变，从而保证电动机始终沿着一个固定的方向旋转。通过以上分析可知，一个线圈边从一个磁极下转到另一个相邻的异性磁极下时，流过线圈的电流方向就改变一次，而电枢的转动方向仍保持不变。改变线圈中的电流方向是由换向器和电刷来完成的。项目一直流电机当线圈中通过电流时，处在磁场中的线圈因受到电磁力而转动，众多的电磁力形成电磁转矩从而带动整个电枢旋转，通过转轴便可带动生产机械运转。这就是直流电动机的基本工作原理。实际的直流电动机中，有许多线圈按一定的规律牢固地嵌在电枢铁芯槽中。项目一直流电机三、活动小结直流电机的工作原理是建立在电磁感应定律和电磁力定律的基础之上的。在不同的外部条件下，电机中能量转换的方向是可逆的。如果从轴上输入机械能，且当电枢绕组的感应电动势大于电枢绕组的端电压时，电机就运行于发电状态，向外电路输出电能；如果从电枢输入电能，且当电枢绕组的感应电动势小于电枢绕组的端电压时，电机就运行于电动状态，从轴上输出机械能。项目一直流电机四、活动回顾与拓展(1)简述直流发电机的基本工作原理。(2)简述直流电动机的基本工作原理。如何改变直流电动机的转向？(3)直流电机的换向器在直流发电机和直流电动机中各起什么作用？(4)直流发电机和直流电动机中的电磁转矩的作用是否相同？为什么？(5)如何判断直流电机是处于发电运行状态还是处于电动运行状态？(6)查找相关资料或预习相关内容，以熟悉直流电动机电磁转矩的表达式。项目一直流电机活动2直流电机的基本结构一、活动目标(1)理解并掌握直流电机的基本结构和各主要部件的作用。(2)理解铭牌数据的含义。项目一直流电机二、活动内容1.直流电机的基本结构直流电机由两个主要部分组成：(1)静止部分，即定子；(2)转动部分，即转子，通称电枢。在定子与转子之间有一定的间隙，称为气隙。图1-3是一台直流电机的半剖面结构图，图1-4是直流电机主要部件结构图，图1-5是直流电机的径向剖面示意图。下面分别介绍直流电机两大组成部分和各主要部件的结构及其作用。项目一直流电机图1-3直流电机的半剖面结构图项目一直流电机(a)前端盖(b)风扇(c)定子(d)转子(e)电刷装置(f)后端盖图1-4直流电机主要部件结构图(a)前端盖(b)风扇(c)定子(d)转子(e)电刷装置(f)后端盖(a)前端盖(b)风扇(c)定子(d)转子(e)电刷装置(f)后端盖(a)前端盖(b)风扇(c)定子(d)转子(e)电刷装置(f)后端盖(a)前端盖(b)风扇(c)定子(d)转子(e)电刷装置(f)后端盖(a)前端盖(b)风扇(c)定子(d)转子(e)电刷装置(f)后端盖(a)前端盖(b)风扇(c)定子(d)转子(e)电刷装置(f)后端盖项目一直流电机图1-5直流电机的径向剖面示意图项目一直流电机1)定子部分(1)主磁极。主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极又由主磁极铁芯和励磁绕组两部分组成。主磁极所产生的气隙磁场分布如图1-6所示。主磁极铁芯一般用1mm～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成，主磁极铁芯的柱体部分称为极身，靠近气隙一端较宽的部分称为极靴，极靴与极身交界处形成一个突出的肩部，用以支撑励磁绕组；极靴沿表面处做成弧形，使极下气隙磁通密度分布更合理。整个主磁极用螺杆固定在机座上。励磁绕组通常用绝缘铜线或绝缘铝线制成一个集中的线圈，套在磁极铁芯外面。绕组与铁芯之间垫有绝缘材料。项目一直流电机图1-6直流电机空载时的气隙磁场分布图项目一直流电机(2)换向极。换向极又叫附加极，是由换向极铁芯和绕组组成的，换向极铁芯通常用整块钢板叠制而成，大容量电机采用薄钢片叠压而成。换向极绕组的匝数较少，并与电枢绕组串联，当换向极绕组通过直流电流后，所产生的磁场对电枢磁场产生影响，目的是改善换向，使电刷与换向器之间火花减少(详见本项目的任务三)。故换向极通过的电流较大，一般采用较粗矩形截面的绝缘导线绕制而成，通常用螺杆将换向极安装在相邻两个主磁极的中心线处，其极数一般与主磁极数相等。但当电机功率很小时，换向极可以减少为主磁极极数的一半，也可以不安装换向极。项目一直流电机(3)电刷装置。电刷装置主要由电刷、压紧弹簧、刷握、铜丝辫等零部件组成，如图1-7所示。电刷的作用是把旋转的电枢与固定不动的外电路相连，把直流电流引入或引出。电刷是用导电耐磨的石墨材料等做成的导电块，放置在刷握内，用压紧弹簧以一定的压力压在换向器表面上，刷握固定在刷杆上，刷杆固定在圆环形的刷杆座上。借助于铜丝辫将电流从电刷引入或引出。在换向器表面上，各电刷之间的距离应该是相等的。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，整个电刷装置可以移动，用以调整电刷在换向器上的位置。容量大的电机，同一刷杆上可并接一组刷握和电刷。一般刷杆数与主磁极数相等。由于电刷有正、负极之分，因此刷杆必须与刷杆座绝缘。项目一直流电机图1-7电刷装置1—刷握；2—铜丝辫；3—压紧弹簧；4—电刷1234项目一直流电机(4)机座。机座一般用铸铁、铸钢或钢板焊接而成。机座中传导磁通的部分称为磁轭。机座的主要作用有三个：一是作为磁轭传导磁通，是电机磁路的一部分；二是用来把主磁极、换向极和端盖等零部件固定起来；三是借助机座的底脚把电机固定在基础上。所以机座必须具有足够的机械强度和良好的导磁性能。对于某些在运行中有较高要求的微型直流电机，通常将主磁极、换向极和磁轭用硅钢片一次冲制叠压而成，此时，机座只起固定零部件的作用。项目一直流电机2)转子部分(1)电枢铁芯。电枢铁芯是电机主磁路的一部分，其作用是安放电枢绕组，并在电枢绕组通入电流后产生电枢磁场。由于电机运行时，电枢与气隙磁场间有相对运动，铁芯中就会产生感应电动势而出现涡流和磁滞损耗。为了减少损耗，电枢铁芯通常用厚度为0.5mm，表面涂绝缘的圆形硅钢冲片叠压而成。冲片圆周外缘均匀地冲有许多齿和槽，槽内可安放电枢绕组，有的冲片上还冲有许多圆孔，以形成改善散热的轴向通风孔。电机容量较大时，电枢铁芯的圆柱体还分隔成几段，每段间隔约10mm，以形成径向的通风道。整个铁芯固定在电机的轴上，与轴一起旋转。项目一直流电机(2)电枢绕组。电枢绕组是直流电机电路的主要部分，它的作用是产生感应电动势，形成电流，进而产生电磁转矩，实现机电能量转换。电枢绕组由许多线圈(又称绕组元件)按一定的规律连接而成。线圈通常用高强度聚酯漆包圆铜线或扁铜线绕制而成，且当它的一条有效边(线圈嵌入铁芯槽中的直导线部分)嵌入某个槽的上层时，另一条有效边则嵌入另一槽的下层，如图1-8所示。每个线圈的两个有效边的引出端都分别有规律地焊接到换向器的换向片上。项目一直流电机图1-8线圈在槽内安放示意图2134561—上层有效边；2、5—端接部分；3—下层有效边；4—线圈尾端；6—线圈首端项目一直流电机电枢绕组线圈间的连接方法有叠绕组、波绕组等。不同连接规律的电枢绕组有不同的并联支路数a，其中：①单叠绕组是将所有主磁极下的电枢绕组线圈串联起来组成一条支路，电机共有2p个主磁极，就有2p条支路，即p对支路，用公式表示为：a = p。②单波绕组是将所有相同主磁极性下的电枢绕组线圈串联起来组成一条支路，电机共有N、S两种极性，故共有两条支路，即一对支路，用公式表示为：a = 1。项目一直流电机单叠绕组与单波绕组的主要区别在于并联支路对数的多少。单叠绕组可以通过增加极对数来增加并联支路对数，一般适用于低电压、较大电流的直流电机；单波绕组的并联支路对数与电机的磁极极对数无关，但每条并联支路串联的线圈数较多，故一般适用于较高电压的小电流直流电机。在实际的直流电机中，线圈与电枢铁芯槽之间及上、下层有效边之间均应绝缘，槽口处沿轴向打入绝缘材料制成的槽楔将线圈压紧以防止它在旋转时飞出。项目一直流电机(3)换向器。换向器的作用是与电刷一起将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流电压，或者是将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流。换向器是由许多彼此相互绝缘的、厚为0.4mm～1.2mm的云母片组成的。(4)转轴、支架和风扇。转轴主要是对电枢起支撑作用，同时也是传递电磁转矩和输出能量的部件，因此要求具有足够的强度和刚度。支架主要是对大、中容量电机的转轴起支撑作用，以减轻重量和利于通风。风扇在电机中的主要作用是冷却、通风，以防止电机温升过高。项目一直流电机3)气隙气隙是电机磁路的重要部分。它的路径虽然很短，但由于气隙磁阻远大于铁芯磁阻，对电机性能影响很大，因此在拆装直流电机时，应予以重视。(一般小型直流电机的气隙为0.7mm～5mm，大型直流电机的气隙为5mm～10mm。)项目一直流电机2.直流电机的铭牌铭牌的作用是向电机使用者简要说明该电机的一些额定数据和使用方法，因此看懂铭牌，按照铭牌的规定去使用电机，是正确使用电机的先决条件。根据电机的设计和试验数据而规定电机在各种运行状态下所对应的各种数据称为电机的额定值。直流电机运行时，如果各量均为额定值，就称电机工作在额定运行状态，又称为满载运行状态。项目一直流电机在额定运行状态下，电机利用充分、运行可靠并具有良好的性能。如果电机运行的电流小于额定电流，则称为欠载运行；如果电机的运行电流大于额定电流，则称为过载运行。当严重欠载运行时，电机利用不充分，效率低，不经济；过载运行时，则使电机温升过高而缩短电机的使用寿命，甚至可能损坏电机。所以根据负载条件合理选用电机，使其接近额定值才既经济合理，又可以保证电机可靠地运行，并且具有优良的性能。表1-1是一台直流电动机的铭牌。项目一直流电机表1-1直流电动机的铭牌型号Z2—125励磁方式他励功率125kW励磁电压220V电压220V励磁电流4.46A电流635A定额连续转速1500r/min温