第2章　電動機與變壓器檢修

2.1　直流電動機

2.1.1　直流電動機的結構

直流電動機由定子、轉子以及其他零部件組成。圖2-1所示是直流電動機結構簡圖。

（1）定子　直流電動機的定子是產生電動機磁場的部分，由機座、換向極、主磁極等部分組成。

①機座：直流電動機的機座主要起保護與支撐作用，并且還是電動機磁路的重要組成部分。它一般用鑄鋼材料，具有良好導磁性及機械強度。

②主磁極：由主極鐵芯和套在它上面的勵磁繞組組成（如圖2-2所示），它是用來產生主磁場的。主磁極包括極身和極靴兩部分，極靴較極身寬，以使磁極下面的磁通分布較均勻。磁極用螺釘固定在機座上。勵磁繞組由電磁線繞制而成，它是一個集中繞組，繞制在線框架上，然后套在磁極鐵芯上。勵磁繞組通入直流電后即在電極中產生主磁通。主磁極可分為2極、4極、6極和8極等。

③換向極：如圖2-3所示，作用是改善電動機的換向情況，使電動機運行時不產生有害的火花。換向極裝在兩主磁極中央，數目與主磁極相同或為其一半。換向極鐵芯多采用扁鋼，鐵芯上套裝換向極繞組，換向極繞組與電樞串聯，其極性根據換向要求確定。

（2）轉子　轉子即電樞部分，由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉軸和風葉等組成。

①電樞鐵芯：電樞鐵芯是一個具有均勻分布齒、槽的圓柱體，電樞鐵芯的作用是通過磁通和嵌放繞組。

②電樞繞組：電樞繞組的作用是產生感應電動勢和通過電流使電動機實現能量轉換。電樞繞組由許多個完全相同的繞組元件，以一定的規律連接起來而成。

③換向器：換向器是直流電動機的關鍵部件，它將繞組內的交流轉換為電刷間的直流，因而又稱整流子。換向器由若干帶鳩尾的銅片即換向片排成圓筒形，然后用鋼質V形套筒和V形環與換向片的鳩尾相配合，緊固成一個整體而成，如圖2-4所示。

（3）其他部件

①電刷：換向器通過電刷與外電路相連。電刷裝置包括電刷、刷握、刷桿和刷桿座等（如圖2-5所示）。電刷放在刷握上的刷盒中，用彈簧壓在換向器上。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。按電流大小，每一刷桿上安有數量不同的電刷組成的電刷組，每組電刷通過銅線連接在一起。同極性各刷桿上的導線用匯流條接在一起，并用導線引到出線盒內的接線板上。電刷組的數目一般等于主磁極的數目，各相鄰電刷組在換向器表面上的距離應是相等的。電動機正常運行時，電刷應有一個正確位置。為便于調整電刷位置，刷桿都裝在同一個可以轉動的刷桿座上，電刷位置調整合適后，就可以把刷桿座用螺釘固定住。刷桿與刷桿座之間是絕緣的。

②端蓋：一般用鑄鐵制成，由前端蓋和后端蓋兩部分組成。端蓋通常作為轉子的支承和安裝軸承用，而大型電動機的軸承是裝在軸承座上的。

2.1.2　直流電動機的分類及型號

（1）直流電動機的分類　直流電動機按勵磁方式可分為他勵式和自勵式。他勵式直流電動機的磁場，勵磁電流由另外獨立的直流電源供給（如圖2-6所示），勵磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。在自勵電動機中按勵磁繞組與電樞繞組連接的方法不同，又可分成并勵、串勵及復勵三種勵磁方式。如圖2-7（a）所示為并勵式直流電動機，勵磁繞組與電樞繞組并聯。圖2-7（b）為串勵式直流電動機，勵磁繞組與電樞繞組串聯。圖2-7（c）為復勵式直流電動機，勵磁繞組由并勵及串勵繞組組成，其中并勵繞組與電樞繞組并聯，串勵繞組與電樞繞組串聯。若并勵與串勵繞組的磁勢相加，稱為積復勵，若相減稱為差復勵。

（2）直流電動機的型號　直流電動機的型號表示電動機屬于哪一類型，它往往用字母與數字組合在一起表示，例如Z2-12。

2.1.3　直流電動機的銘牌

表2-1是直流電動機的銘牌。

2.1.4　直流電動機的工作原理

（1）并勵直流電動機的工作原理　圖2-8所示是并勵直流電動機運行時的電路圖。當電動機接上電源后，直流電流將沿互相并聯的勵磁電路和電樞電路分兩路前進，電動機的總電流I等于勵磁電流I_C和電樞電流I_S之和，即

I=I_C+I_S

勵磁電流I_C流過主磁極勵磁繞組，使電動機產生磁場，由于并勵直流電動機勵磁繞組的電阻較大，勵磁電流則比較小，通常僅為額定電流的1%～5%。電樞電流I_S流過電樞繞組與主磁極的磁場相互作用，使電樞繞組導線受到電磁力的作用，從而產生電磁轉矩M，驅動電樞旋轉。

電磁轉矩M與磁通Ф和電樞電流I_S之積成正比，即

M=C_MΦI_S

式中，C_M為與電動機結構有關的一個常數。

電動機在電磁轉矩作用下發生旋轉。電樞旋轉時，電樞繞組不斷切割磁通Ф，產生感應電動勢E。感應電動勢E的大小與磁通Ф及電樞轉速n之積成正比，即

E=C_EΦn

式中，C_E為與電動機結構有關的常數。

這個電動勢的方向與電樞電流方向相反，因而稱為反電動勢。在電樞電路中，由于反電動勢E的存在，電源電壓

U=E+I_SR_S

式中，R_S為電樞電阻。

從上式可導出電動機運轉時的電樞電流

當電動機空轉時，電磁轉矩與空載轉矩M₀相平衡。所謂空載轉矩，包括電刷與換向器之間的摩擦阻力和整個轉子轉動摩擦及風動阻力造成的反抗轉矩。當電動機拖動生產機械工作時，反抗轉矩中除空載轉矩外，主要是生產機械作用在電動機轉軸上的反抗轉矩M₂。當電磁轉矩M與反抗轉矩M_F=（M_F=M₀+M₂）平衡時，電動機以轉速n穩定運行。

如果負載增大，M_F上升到M'_F，起初電磁轉矩M還沒來得及變化，，因而失去平衡，轉速n便開始下降。由于n下降，反電動勢E=C_EΦn也隨著下降。當電源電壓U保持不變時，電樞電流勢必增大，從而轉矩M=C_MΦI_S也要增大，最后增大到M'=M'_F，即平衡，此時電動機轉速n'不再下降，電動機在新的狀態下穩定運行，但是這新的狀態的電磁轉矩M'比原先M大，而轉速n'比原先n小。用同樣的分析可知，若電動機負載減小即M_F下降到M″_F時，電動機最后將以比原來低的轉速n″和比原來大的電磁轉矩M″穩定運行。

由此可見，直流電動機的運行情況取決于機械負載的大小。當負載變化時，電動機的轉速、電流、轉矩都將發生變化，以達到新的平衡。

并勵直流電動機的機械特性，即電動機在額定電壓和勵磁電路電阻保持不變的條件下，轉速與轉矩之間的關系，這是電動機最重要的工作特性。

在上述條件下，如勵磁電流I_C和每極磁通Ф也保持不變，則

將式代入上式得：

從上式可以看出，并勵直流電動機的轉速，將隨轉矩的增加而近似直線地下降，但由于電樞電阻R_S很小，轉速下降得很小，如圖2-9所示。從空載到滿載，轉速的下降通常只為額定轉速n的5%～10%，機械特性較硬，基本上是一種恒速電動機。

并勵電動機應用很廣，在轉速需要保持恒定或需要在較廣的范圍內進行調速的生產機械中，都采用并勵電動機來拖動，如大型車床、龍門刨床和某些冶金機械等。

使用并勵電動機時，切忌在電動機運轉時斷開勵磁電路，造成勵磁電流等于零，主磁極上僅有很少的剩余磁通，反電動勢很小，電樞電流將急劇增加，轉速也將急劇增加，大大超過電動機的額定轉速，造成嚴重的“飛車”事故。電動機空載時，勵磁繞組斷開，最容易發生“飛車”。

（2）串勵直流電動機的工作原理　如圖2-10所示，串勵電動機的特點是勵磁繞組與電樞繞組相串聯，勵磁電流I_C、電樞電流I_S和電動機從電源吸取的總電流I是一個電流，即

I=I_C=I_S

外加電壓

式中，R_C為勵磁繞組的電阻。

由于勵磁電流就是電樞電流，每極磁通Ф將隨電樞電流變化而變化。當電動機磁路尚未飽和時，可以認為主磁極Ф與I_S成正比。這樣電磁轉矩M將和電樞電流I_S的平方成正比，即

這說明串勵電動機的啟動轉矩和過載能力都較大，這是串勵電動機的一個特點，串勵電動機的另一個特點是轉速n隨輸出功率P₂的增大而迅速下降。由E=C_EФn和U=E+I_S（R_S+R_C），可導出轉速的公式為：

由于串勵電動機的勵磁電流I_C和電樞電流I_S相等，當負載增加，即要求輸出功率P₂增加時，I_S增大。這一方面使總電壓降I_S（R_S+R_C）增大，另一方面使磁通Ф增大，它們都會使轉速降低，因此轉速隨負載增加而急劇下降。圖2-11所示是串勵直流電動機的機械特性曲線，即轉矩M與轉速n的關系曲線。當負載增加時，電動機轉速n下降，因而反電動勢E下降，導致電樞電流I_S增大，從而電樞轉矩增加，與新的反抗轉矩達到新的平衡，電動機再次穩定運行。

串勵電動機的轉速隨轉矩增加而下降的特性稱為軟特性，它特別適用于起重設備。例如負載輕時，電動機的轉速高，以提高生產率，負載重時轉速低，以保證安全。

串勵電動機使用時，不許空載運行，所以啟動時至少要帶20%～30%的額定負載。

（3）復勵直流電動機的工作原理　復勵直流電動機的接線如圖2-12所示。為保證電動機的穩定運行，復勵直流電動機通常接成積復勵，即使串勵繞組和并勵繞線的磁勢是相加的。

復勵電動機由于既有并勵繞組又有串勵繞組，所以其工作特性介于并勵直流電動機和串勵直流電動機之間。當并勵繞組作用大于串勵繞組時，復勵電動機的工作特性就接近于并勵電動機。所不同的是，并勵電動機中去磁的電樞應使轉速趨于上升，而在并勵繞組起作用的復勵電動機中，當電樞反應的去磁作用較強時，仍使轉速隨輸出功率上升而下降，從而保持電動機的穩定運行，因此復勵電動機中的串勵繞組又稱為“穩定繞組”。串勵繞組起主要作用的復勵電動機，其工作特性接近于串勵電動機，但在空載時，不會發生“飛車”的危險。

2.1.5　直流電動機的接線

直流電動機接線前要仔細核對電源電壓是否與銘牌標志電壓一致，并認清電動機出線端標志。國家標準中對直流電動機繞組出線端標志的規定見表2-2。

接線要按照規定，一定不可接錯，并要保證接線牢固，不得在運行中脫落或斷開，否則會引起事故。各類直流電動機的內部接線關系及在出線板上出線端的標志情況見圖2-13～圖2-15。

2.1.6　直流電動機常見故障及處理方法

單相串勵式電動機常見故障及處理方法見表2-3。

2.1.7　直流電動機的啟動

（1）并勵直流電動機的啟動　并勵直流電動機的啟動控制線路如圖2-16所示。

圖2-16中，KA₁是過電流繼電器，作直流電動機的短路和過載保護。KA₂是欠電流繼電器，作勵磁繞組的失磁保護。

啟動時先合上電源開關QS，勵磁繞組獲電勵磁，欠電流繼電器KA₂線圈獲電，KA₂常開觸點閉合，為接觸器KM₁獲電作準備；此時時間繼電器KT線圈獲電，KT常閉觸點瞬時斷開。然后按下啟動按鈕SB₂，接觸器KM₁線圈獲電，KM₁主觸點閉合，電動機串電阻器R啟動；KM₁的常閉觸點斷開，KT線圈斷電，KT常閉觸點延時閉合，接觸器KM₂線圈獲電，KM₂主觸點閉合將電阻器R短接，電動機在全壓下運行。

（2）他勵直流電動機的啟動　如圖2-17所示。

（3）串勵直流電動機的啟動　如圖2-18所示。

注意：串勵直流電動機不許空載啟動，否則，電動機的高速旋轉起來，會使電樞受到極大的離心力作用而損壞，因此，串勵直流電動機一般在帶有20%～25%負載的情況下啟動。

2.1.8　直流電動機的正、反轉

（1）電樞反接法　這種方法是改變電樞電流的方向，使電動機反轉。并勵直流電動機的正、反轉控制線路如圖2-19所示。

啟動時按下啟動按鈕SB₂，接觸器KM₁線圈獲電，KM₁常開觸點閉合，電動機正轉。若要反轉，則需先按下SB₁，使KM₁斷電，KM₁聯鎖常閉觸點閉合。這時再按下反轉按鈕SB₃，接觸器KM₂線圈獲電，KM₂常開觸點閉合，使電樞電流反向，電動機反轉。

（2）磁場反接法　這種方法是改變磁場方向（即勵磁電流的方向），使電動機反轉。此法常用于串勵電動機，因為串勵電動機電樞繞組兩端的電壓很高，而勵磁繞組兩端的電壓很低，反轉較容易，其控制線路如圖2-20所示。

2.1.9　直流電動機的制動

在實際生產中有時要求機械能迅速停轉，這就要求直流電動機可以制動。制動的方法有機械制動和電力制動兩種，而電力制動的方法有能耗制動、反接制動和再生發電制動等。

（1）能耗制動　并勵直流電動機的能耗制動控制線路如圖2-21所示。

啟動時合上電源開關QS，勵磁繞組被勵磁，欠流繼電器KA₁線圈得電吸合，KA₁常開觸點閉合；同時時間繼電器KT₁和KT₂線圈得電吸合，KT₁和KT₂常閉觸點瞬時斷開，這樣保證啟動電阻器R₁和R₂串入電樞回路中啟動。

按下啟動按鈕SB₂，接觸器KM₁線圈獲電吸合，KM₁常開觸點閉合，電動機M串電阻器R₁和R₂啟動，KM₁兩副常閉觸點分別斷開KT₁、KT₂和中間繼電器KA₂線圈電路；經過一定的時間延時，KT₁和KT₂的常閉觸點先后閉合，接觸器KM₃和KM₄線圈先后獲電吸合后，電阻器R₁和R₂先后被短接，電動機正常運行。

要停止進行能耗制動時，按下停止按鈕SB₁，接觸器KM₁線圈斷電釋放，KM₁常開觸點斷開，使電樞回路斷電，而KM₁常閉觸點閉合。由于慣性運轉的電樞切割磁力線（勵磁繞組仍接至電源上），在電樞繞組中產生感應電動勢，使并勵在電樞兩端的中間繼電器KA₂線圈獲電吸合，KA₂常開觸點閉合，接觸器KM₂線圈獲電吸合，KM₂常開觸點閉合，接通制動電阻器RB回路，使電樞的感應電流方向與原來方向相反，電樞產生的電磁轉矩與原來反向而成為制動轉矩，使電樞迅速停轉。

（2）反接制動　并勵直流電動機的正、反轉啟動和反接制動控制線路如圖2-22所示。

啟動時合上斷路器QF，勵磁繞組得電勵磁；同時欠流繼電器KA₁線圈得電吸合，時間繼電器KT₁和KT₂線圈也獲電，它們的常閉觸點瞬時斷開，使接觸器KM₄和KM₅線圈處于斷電狀態，可使電動機在串入電阻下啟動。按下正轉啟動按鈕SB₂，接觸器KMF線圈獲電吸合，KMF主觸點閉合，電動機串入電阻器R₁和R₂啟動，KMF常閉觸點斷開，KT₁和KT₂線圈斷電釋放，經過一定的時間延遲，KT₁和KT₂常閉觸點先后閉合，使接觸器KM₄和KM₅線圈先后獲電吸合，它們的常開觸點先后切除R₁和R₂，直流電動機正常啟動。

隨著電動機轉速的升高，反電動勢E_a達到一定值后，電壓繼電器KA₂獲電吸合，KA₂常開觸點閉合，使接觸器KM₂線圈獲電吸合，KM₂的常開觸頭（7-9）閉合為反接制動作準備。

需停轉而制動時，按下停止按鈕SB₁，接觸器KMF線圈斷電釋放，電動機慣性運轉，反電動勢E_a還很高，電壓繼電器KA₂仍吸合，接觸器KM₁線圈獲電吸合，KM₁常閉觸點斷開，使制動電阻器RB接入電樞回路，KM₁的常開觸點（3-25）閉合，使接觸器KMR線圈獲電吸合，電樞通入反向電流，產生制動轉矩，電動機進行反接制動而迅速停轉。待轉速接近零時，電壓繼電器KA₂線圈斷電釋放，KM₁線圈斷電釋放，接著KM₂和KMR線圈也先后斷電釋放，反接制動結束。

反向的啟動及反接制動的工作原理與上述相似，讀者可自行分析。

2.1.10　直流電動機的調速

在電動機的機械負荷不變的條件下改變電動機的轉速叫調速。調速可用機械方法、電氣方法或機械電氣配合的方法，下面只分析直流電動機的電氣調速方法。

根據轉速公式

（1）改變電樞電路壓降I_aR_a調速　在電樞電路中串聯調速變阻器RA以后，當電源電壓U及主磁通Ф保持一定值時，RA的阻值增大，則電樞回路壓降增加，電動機轉速下降，反之轉速上升。

并勵直流電動機電樞回路串電阻調速原理圖，如圖2-23所示。

這種調速方法只能使直流電動機在額定轉速n_N以下調速，因R_a不能改變，只能改變RA的阻值來使電樞電路壓降I_aR_a升高，使直流電動機轉速下降，故轉速只能在n_N以下調節。

（2）改變主磁通Ф調速　改變主磁通Ф，也就是改變勵磁電流I_f調速。

并勵直流電動機改變主磁通Ф調速原理圖，如圖2-24所示。

改變勵磁電路變阻器RF，即改變勵磁電流I_f，磁通Ф也隨著改變。這種調速方法在額定轉速以上范圍內調速，因直流電動機在額定運行時，磁路已飽和，故Ф只能調小，轉速只能在n_N以上范圍調節。