第2章　电动机与变压器检修

2.1　直流电动机

2.1.1　直流电动机的结构

直流电动机由定子、转子以及其他零部件组成。图2-1所示是直流电动机结构简图。

（1）定子　直流电动机的定子是产生电动机磁场的部分，由机座、换向极、主磁极等部分组成。

①机座：直流电动机的机座主要起保护与支撑作用，并且还是电动机磁路的重要组成部分。它一般用铸钢材料，具有良好导磁性及机械强度。

②主磁极：由主极铁芯和套在它上面的励磁绕组组成（如图2-2所示），它是用来产生主磁场的。主磁极包括极身和极靴两部分，极靴较极身宽，以使磁极下面的磁通分布较均匀。磁极用螺钉固定在机座上。励磁绕组由电磁线绕制而成，它是一个集中绕组，绕制在线框架上，然后套在磁极铁芯上。励磁绕组通入直流电后即在电极中产生主磁通。主磁极可分为2极、4极、6极和8极等。

③换向极：如图2-3所示，作用是改善电动机的换向情况，使电动机运行时不产生有害的火花。换向极装在两主磁极中央，数目与主磁极相同或为其一半。换向极铁芯多采用扁钢，铁芯上套装换向极绕组，换向极绕组与电枢串联，其极性根据换向要求确定。

（2）转子　转子即电枢部分，由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风叶等组成。

①电枢铁芯：电枢铁芯是一个具有均匀分布齿、槽的圆柱体，电枢铁芯的作用是通过磁通和嵌放绕组。

②电枢绕组：电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流使电动机实现能量转换。电枢绕组由许多个完全相同的绕组元件，以一定的规律连接起来而成。

③换向器：换向器是直流电动机的关键部件，它将绕组内的交流转换为电刷间的直流，因而又称整流子。换向器由若干带鸠尾的铜片即换向片排成圆筒形，然后用钢质V形套筒和V形环与换向片的鸠尾相配合，紧固成一个整体而成，如图2-4所示。

（3）其他部件

①电刷：换向器通过电刷与外电路相连。电刷装置包括电刷、刷握、刷杆和刷杆座等（如图2-5所示）。电刷放在刷握上的刷盒中，用弹簧压在换向器上。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。按电流大小，每一刷杆上安有数量不同的电刷组成的电刷组，每组电刷通过铜线连接在一起。同极性各刷杆上的导线用汇流条接在一起，并用导线引到出线盒内的接线板上。电刷组的数目一般等于主磁极的数目，各相邻电刷组在换向器表面上的距离应是相等的。电动机正常运行时，电刷应有一个正确位置。为便于调整电刷位置，刷杆都装在同一个可以转动的刷杆座上，电刷位置调整合适后，就可以把刷杆座用螺钉固定住。刷杆与刷杆座之间是绝缘的。

②端盖：一般用铸铁制成，由前端盖和后端盖两部分组成。端盖通常作为转子的支承和安装轴承用，而大型电动机的轴承是装在轴承座上的。

2.1.2　直流电动机的分类及型号

（1）直流电动机的分类　直流电动机按励磁方式可分为他励式和自励式。他励式直流电动机的磁场，励磁电流由另外独立的直流电源供给（如图2-6所示），励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。在自励电动机中按励磁绕组与电枢绕组连接的方法不同，又可分成并励、串励及复励三种励磁方式。如图2-7（a）所示为并励式直流电动机，励磁绕组与电枢绕组并联。图2-7（b）为串励式直流电动机，励磁绕组与电枢绕组串联。图2-7（c）为复励式直流电动机，励磁绕组由并励及串励绕组组成，其中并励绕组与电枢绕组并联，串励绕组与电枢绕组串联。若并励与串励绕组的磁势相加，称为积复励，若相减称为差复励。

（2）直流电动机的型号　直流电动机的型号表示电动机属于哪一类型，它往往用字母与数字组合在一起表示，例如Z2-12。

2.1.3　直流电动机的铭牌

表2-1是直流电动机的铭牌。

2.1.4　直流电动机的工作原理

（1）并励直流电动机的工作原理　图2-8所示是并励直流电动机运行时的电路图。当电动机接上电源后，直流电流将沿互相并联的励磁电路和电枢电路分两路前进，电动机的总电流I等于励磁电流I_C和电枢电流I_S之和，即

I=I_C+I_S

励磁电流I_C流过主磁极励磁绕组，使电动机产生磁场，由于并励直流电动机励磁绕组的电阻较大，励磁电流则比较小，通常仅为额定电流的1%～5%。电枢电流I_S流过电枢绕组与主磁极的磁场相互作用，使电枢绕组导线受到电磁力的作用，从而产生电磁转矩M，驱动电枢旋转。

电磁转矩M与磁通Ф和电枢电流I_S之积成正比，即

M=C_MΦI_S

式中，C_M为与电动机结构有关的一个常数。

电动机在电磁转矩作用下发生旋转。电枢旋转时，电枢绕组不断切割磁通Ф，产生感应电动势E。感应电动势E的大小与磁通Ф及电枢转速n之积成正比，即

E=C_EΦn

式中，C_E为与电动机结构有关的常数。

这个电动势的方向与电枢电流方向相反，因而称为反电动势。在电枢电路中，由于反电动势E的存在，电源电压

U=E+I_SR_S

式中，R_S为电枢电阻。

从上式可导出电动机运转时的电枢电流

当电动机空转时，电磁转矩与空载转矩M₀相平衡。所谓空载转矩，包括电刷与换向器之间的摩擦阻力和整个转子转动摩擦及风动阻力造成的反抗转矩。当电动机拖动生产机械工作时，反抗转矩中除空载转矩外，主要是生产机械作用在电动机转轴上的反抗转矩M₂。当电磁转矩M与反抗转矩M_F=（M_F=M₀+M₂）平衡时，电动机以转速n稳定运行。

如果负载增大，M_F上升到M'_F，起初电磁转矩M还没来得及变化，，因而失去平衡，转速n便开始下降。由于n下降，反电动势E=C_EΦn也随着下降。当电源电压U保持不变时，电枢电流势必增大，从而转矩M=C_MΦI_S也要增大，最后增大到M'=M'_F，即平衡，此时电动机转速n'不再下降，电动机在新的状态下稳定运行，但是这新的状态的电磁转矩M'比原先M大，而转速n'比原先n小。用同样的分析可知，若电动机负载减小即M_F下降到M″_F时，电动机最后将以比原来低的转速n″和比原来大的电磁转矩M″稳定运行。

由此可见，直流电动机的运行情况取决于机械负载的大小。当负载变化时，电动机的转速、电流、转矩都将发生变化，以达到新的平衡。

并励直流电动机的机械特性，即电动机在额定电压和励磁电路电阻保持不变的条件下，转速与转矩之间的关系，这是电动机最重要的工作特性。

在上述条件下，如励磁电流I_C和每极磁通Ф也保持不变，则

将式代入上式得：

从上式可以看出，并励直流电动机的转速，将随转矩的增加而近似直线地下降，但由于电枢电阻R_S很小，转速下降得很小，如图2-9所示。从空载到满载，转速的下降通常只为额定转速n的5%～10%，机械特性较硬，基本上是一种恒速电动机。

并励电动机应用很广，在转速需要保持恒定或需要在较广的范围内进行调速的生产机械中，都采用并励电动机来拖动，如大型车床、龙门刨床和某些冶金机械等。

使用并励电动机时，切忌在电动机运转时断开励磁电路，造成励磁电流等于零，主磁极上仅有很少的剩余磁通，反电动势很小，电枢电流将急剧增加，转速也将急剧增加，大大超过电动机的额定转速，造成严重的“飞车”事故。电动机空载时，励磁绕组断开，最容易发生“飞车”。

（2）串励直流电动机的工作原理　如图2-10所示，串励电动机的特点是励磁绕组与电枢绕组相串联，励磁电流I_C、电枢电流I_S和电动机从电源吸取的总电流I是一个电流，即

I=I_C=I_S

外加电压

式中，R_C为励磁绕组的电阻。

由于励磁电流就是电枢电流，每极磁通Ф将随电枢电流变化而变化。当电动机磁路尚未饱和时，可以认为主磁极Ф与I_S成正比。这样电磁转矩M将和电枢电流I_S的平方成正比，即

这说明串励电动机的启动转矩和过载能力都较大，这是串励电动机的一个特点，串励电动机的另一个特点是转速n随输出功率P₂的增大而迅速下降。由E=C_EФn和U=E+I_S（R_S+R_C），可导出转速的公式为：

由于串励电动机的励磁电流I_C和电枢电流I_S相等，当负载增加，即要求输出功率P₂增加时，I_S增大。这一方面使总电压降I_S（R_S+R_C）增大，另一方面使磁通Ф增大，它们都会使转速降低，因此转速随负载增加而急剧下降。图2-11所示是串励直流电动机的机械特性曲线，即转矩M与转速n的关系曲线。当负载增加时，电动机转速n下降，因而反电动势E下降，导致电枢电流I_S增大，从而电枢转矩增加，与新的反抗转矩达到新的平衡，电动机再次稳定运行。

串励电动机的转速随转矩增加而下降的特性称为软特性，它特别适用于起重设备。例如负载轻时，电动机的转速高，以提高生产率，负载重时转速低，以保证安全。

串励电动机使用时，不许空载运行，所以启动时至少要带20%～30%的额定负载。

（3）复励直流电动机的工作原理　复励直流电动机的接线如图2-12所示。为保证电动机的稳定运行，复励直流电动机通常接成积复励，即使串励绕组和并励绕线的磁势是相加的。

复励电动机由于既有并励绕组又有串励绕组，所以其工作特性介于并励直流电动机和串励直流电动机之间。当并励绕组作用大于串励绕组时，复励电动机的工作特性就接近于并励电动机。所不同的是，并励电动机中去磁的电枢应使转速趋于上升，而在并励绕组起作用的复励电动机中，当电枢反应的去磁作用较强时，仍使转速随输出功率上升而下降，从而保持电动机的稳定运行，因此复励电动机中的串励绕组又称为“稳定绕组”。串励绕组起主要作用的复励电动机，其工作特性接近于串励电动机，但在空载时，不会发生“飞车”的危险。

2.1.5　直流电动机的接线

直流电动机接线前要仔细核对电源电压是否与铭牌标志电压一致，并认清电动机出线端标志。国家标准中对直流电动机绕组出线端标志的规定见表2-2。

接线要按照规定，一定不可接错，并要保证接线牢固，不得在运行中脱落或断开，否则会引起事故。各类直流电动机的内部接线关系及在出线板上出线端的标志情况见图2-13～图2-15。

2.1.6　直流电动机常见故障及处理方法

单相串励式电动机常见故障及处理方法见表2-3。

2.1.7　直流电动机的启动

（1）并励直流电动机的启动　并励直流电动机的启动控制线路如图2-16所示。

图2-16中，KA₁是过电流继电器，作直流电动机的短路和过载保护。KA₂是欠电流继电器，作励磁绕组的失磁保护。

启动时先合上电源开关QS，励磁绕组获电励磁，欠电流继电器KA₂线圈获电，KA₂常开触点闭合，为接触器KM₁获电作准备；此时时间继电器KT线圈获电，KT常闭触点瞬时断开。然后按下启动按钮SB₂，接触器KM₁线圈获电，KM₁主触点闭合，电动机串电阻器R启动；KM₁的常闭触点断开，KT线圈断电，KT常闭触点延时闭合，接触器KM₂线圈获电，KM₂主触点闭合将电阻器R短接，电动机在全压下运行。

（2）他励直流电动机的启动　如图2-17所示。

（3）串励直流电动机的启动　如图2-18所示。

注意：串励直流电动机不许空载启动，否则，电动机的高速旋转起来，会使电枢受到极大的离心力作用而损坏，因此，串励直流电动机一般在带有20%～25%负载的情况下启动。

2.1.8　直流电动机的正、反转

（1）电枢反接法　这种方法是改变电枢电流的方向，使电动机反转。并励直流电动机的正、反转控制线路如图2-19所示。

启动时按下启动按钮SB₂，接触器KM₁线圈获电，KM₁常开触点闭合，电动机正转。若要反转，则需先按下SB₁，使KM₁断电，KM₁联锁常闭触点闭合。这时再按下反转按钮SB₃，接触器KM₂线圈获电，KM₂常开触点闭合，使电枢电流反向，电动机反转。

（2）磁场反接法　这种方法是改变磁场方向（即励磁电流的方向），使电动机反转。此法常用于串励电动机，因为串励电动机电枢绕组两端的电压很高，而励磁绕组两端的电压很低，反转较容易，其控制线路如图2-20所示。

2.1.9　直流电动机的制动

在实际生产中有时要求机械能迅速停转，这就要求直流电动机可以制动。制动的方法有机械制动和电力制动两种，而电力制动的方法有能耗制动、反接制动和再生发电制动等。

（1）能耗制动　并励直流电动机的能耗制动控制线路如图2-21所示。

启动时合上电源开关QS，励磁绕组被励磁，欠流继电器KA₁线圈得电吸合，KA₁常开触点闭合；同时时间继电器KT₁和KT₂线圈得电吸合，KT₁和KT₂常闭触点瞬时断开，这样保证启动电阻器R₁和R₂串入电枢回路中启动。

按下启动按钮SB₂，接触器KM₁线圈获电吸合，KM₁常开触点闭合，电动机M串电阻器R₁和R₂启动，KM₁两副常闭触点分别断开KT₁、KT₂和中间继电器KA₂线圈电路；经过一定的时间延时，KT₁和KT₂的常闭触点先后闭合，接触器KM₃和KM₄线圈先后获电吸合后，电阻器R₁和R₂先后被短接，电动机正常运行。

要停止进行能耗制动时，按下停止按钮SB₁，接触器KM₁线圈断电释放，KM₁常开触点断开，使电枢回路断电，而KM₁常闭触点闭合。由于惯性运转的电枢切割磁力线（励磁绕组仍接至电源上），在电枢绕组中产生感应电动势，使并励在电枢两端的中间继电器KA₂线圈获电吸合，KA₂常开触点闭合，接触器KM₂线圈获电吸合，KM₂常开触点闭合，接通制动电阻器RB回路，使电枢的感应电流方向与原来方向相反，电枢产生的电磁转矩与原来反向而成为制动转矩，使电枢迅速停转。

（2）反接制动　并励直流电动机的正、反转启动和反接制动控制线路如图2-22所示。

启动时合上断路器QF，励磁绕组得电励磁；同时欠流继电器KA₁线圈得电吸合，时间继电器KT₁和KT₂线圈也获电，它们的常闭触点瞬时断开，使接触器KM₄和KM₅线圈处于断电状态，可使电动机在串入电阻下启动。按下正转启动按钮SB₂，接触器KMF线圈获电吸合，KMF主触点闭合，电动机串入电阻器R₁和R₂启动，KMF常闭触点断开，KT₁和KT₂线圈断电释放，经过一定的时间延迟，KT₁和KT₂常闭触点先后闭合，使接触器KM₄和KM₅线圈先后获电吸合，它们的常开触点先后切除R₁和R₂，直流电动机正常启动。

随着电动机转速的升高，反电动势E_a达到一定值后，电压继电器KA₂获电吸合，KA₂常开触点闭合，使接触器KM₂线圈获电吸合，KM₂的常开触头（7-9）闭合为反接制动作准备。

需停转而制动时，按下停止按钮SB₁，接触器KMF线圈断电释放，电动机惯性运转，反电动势E_a还很高，电压继电器KA₂仍吸合，接触器KM₁线圈获电吸合，KM₁常闭触点断开，使制动电阻器RB接入电枢回路，KM₁的常开触点（3-25）闭合，使接触器KMR线圈获电吸合，电枢通入反向电流，产生制动转矩，电动机进行反接制动而迅速停转。待转速接近零时，电压继电器KA₂线圈断电释放，KM₁线圈断电释放，接着KM₂和KMR线圈也先后断电释放，反接制动结束。

反向的启动及反接制动的工作原理与上述相似，读者可自行分析。

2.1.10　直流电动机的调速

在电动机的机械负荷不变的条件下改变电动机的转速叫调速。调速可用机械方法、电气方法或机械电气配合的方法，下面只分析直流电动机的电气调速方法。

根据转速公式

（1）改变电枢电路压降I_aR_a调速　在电枢电路中串联调速变阻器RA以后，当电源电压U及主磁通Ф保持一定值时，RA的阻值增大，则电枢回路压降增加，电动机转速下降，反之转速上升。

并励直流电动机电枢回路串电阻调速原理图，如图2-23所示。

这种调速方法只能使直流电动机在额定转速n_N以下调速，因R_a不能改变，只能改变RA的阻值来使电枢电路压降I_aR_a升高，使直流电动机转速下降，故转速只能在n_N以下调节。

（2）改变主磁通Ф调速　改变主磁通Ф，也就是改变励磁电流I_f调速。

并励直流电动机改变主磁通Ф调速原理图，如图2-24所示。

改变励磁电路变阻器RF，即改变励磁电流I_f，磁通Ф也随着改变。这种调速方法在额定转速以上范围内调速，因直流电动机在额定运行时，磁路已饱和，故Ф只能调小，转速只能在n_N以上范围调节。