项目3 直流电机的认识与应用 任务3.1 直流电机的认识学习【任务目标】掌握直流电机的基本工作原理，基本
计算公式认识直流电机的结构，根据额定值和主要系列学会如何选择直流电机。具有正确操作直流电机的启动、反转和调速的能力。 3.1.1
直流电机的基本结构和分类 3.1.1.1 直流电机的基本结构 1-换向器； 2-电刷装置； 3-机座； 4-主磁极
； 5-换向极6-端盖； 7-风扇； 8-电枢绕组； 9-电枢铁心任务1.1 电机与控制技术发展回顾与展望【任务目
标】 了解电机发展历史，掌握电机发展与控制应用的方向直流电机由定子和转子(电枢)两大部分组成 1. 定子:主磁极
、换向极、机座2. 转子：电枢铁心、电枢绕组、 换向器、电刷装置 1—机座；2—主磁极铁心；3
励磁绕组 图3.3 主磁极 1 —换相极铁心； 2—换相极绕组 图3.4
换相极 3.1.1.2 直流电动机的分类(1) 他励直流电动机 参看图3.5（a）(2) 并励直流电动机 参看图3.
5（b）(3) 串励直流电动机 参看图3.5（C）(4) 复励直流电动机 参看图3.5（d） 图3.5 直流电动
机励磁方式 3.1.2直流电机的额定值和主要系列3.1.2.1 直流电机的额定值 (1) 额定功率PN (2) 额定电压ＵN
(3) 额定电流ＩN (4) 额定转速nN 除上述额定值外，还有诸如额定效率ηN、额定转矩TN、额定温升τN等一系列额定值
，它们不一定标在铭牌上，但它们中某些数据可以根据铭牌数据推算出来，例如电动机的额定输出转矩可按下式计算 3.1.2.2 直流电动
机的系列与型号我国目前生产的直流电动机主要有以下系列。 Z2系列：是一般用途的中小型直流电动机； Z3，Z4系列：是一
般用途的中小型直流电动机的新产品； ZD2，ZF2系列：是一般用途的中型直流电动机； ZZY系列：是起重冶金用直流电动
机。 电动机的型号是用来表示电动机的一些主要特点的，它由产品代号和规格代号等部分组成。例如Z132L–TH各符号表示的
意义如下所示： Z 132 L TH 特
殊环境代号 长机座(M–中号、S–短号)直流电动机 机座中心高(mm) 3.1.3 直流电机的基本工作原理图3.6直流电动机工
作原理式中 —直流电机电磁转矩 ，单位是牛米 —是与电机结构有关的常数 —是一个磁极的磁通，单位是韦伯
—电枢电流，单位是安 3.1.3.2 直流发电机的基本工作原理图3.7 直流发电机工作原理直流电机
电刷间的电动势常用下式表示 :式中—直流电机电刷间的电动势，单位伏 —是与电机结构有关的常数—是一个磁极的磁通，单位是韦伯 —电
机转速，单位是转/分3.1.4 直流电动机的运行特性3.1.4.1 并励直流电动机基本方程式1、 电压、电流关系式图3.8 并励
直流电动机 (3-6) (3-7) (3-8) (3-9) 2、转矩平衡方程式 稳态运行时作用在电动机轴上
的转矩有3个。一个 是电磁转矩，方向与 转速相同，为拖动转矩；一个是电动机空载损耗转矩 ，是电动机空载运行时
的阻转矩，方向总与 转速相反，为制动转矩；还有一个是轴上所带生产机械的转矩 即电动机轴上的输出转矩，一般亦为制动转矩。
稳态运行时的转矩平衡关系为拖动转矩等于总的制动转矩，即： (3-10) 3、功率平衡方程式 图3.9 并励直流电动机功
率流程图 将 两边乘以 得 可以写成 式中 ——电动机从电源输入的电功率 ——电磁功率
——电枢回路的铜损耗电磁功率 又因为 即 式中 ——电磁功率——轴上输出的机械功率；——空载损耗，包
括机械损耗和铁损耗并励直流电动机的功率平衡方程式 式中 —励磁铜耗。3.1.4.2并励直流电动机的工作特性1、 转速特性2、
转矩特性 3、 效率特性 图3.10 并励直流电动机工作特性 3.1.5 直流发电机的运行特性 3.1.5.1 他励直流发电机
基本方程式 1. 电动势平衡方程式他励直流发电机的电路如图3.11所示，根据电枢回路各量正方向，用基尔霍夫电压定律，可以列出电
动势平衡方程式： (1-16) 图3.11他励直流发电机 2.转矩平衡方程式3. 功率平衡方程式 图3.12 他励直流
发电机的功率流程图3.1.5.2他励直流发电机的运行特性1. 空载特性图3.13他励直流发电机试验线路 图 3.14他励直流
发电机的空载特性 2. 外特性图3.15 他励直流发电机的外特性3.1.6直流电动机的启动、反转和调速3.1.6.1 直流电动机的
启动它励直流电动机的启动一般有下列要求： (1)启动过程中启动转矩Tst 足够大 ，使Tst ＞TL (负载转矩)，电动
机的加速度dn/dt ＞0，保证电动机能够启动，且启动过程时间较短，以提高生产效率。 (2) 启动电流Ist 不能太大，
否则会使换相困难，产生强烈火花，损坏电机，还会产生转矩冲击，影响传动机构等。 (3) 启动设备与控制装置简单、可靠、经济
、操作方便。 3.1.6.2 直流电动机的反转图3.16 并激直流电动机正、反转电路3.1.6.3 直流电动机的调速1、电枢
回路串联电阻调速2、 降低电源电压调速 3、 弱磁调速图3.19 弱磁调速(φ2<φ1<φN)3.1.7 直流电动机的制动 图
3.20 他励直流电机能耗制动前后的接线图3.1.7.2反接制动1、电枢反接的反接制动2、转速反向的反接制动 图3.22是他励直流
电机带位能性负载反接制动时的电路图。 图3.21 他励直流电机反接制动时的接线图 图3.22 直
流电机带位能性负载反接制动时的电路图 3.1.7.3回馈制动 回馈制动是电机的实际转速超过理想空载转速的运行状态。在
这种运行状态下，电机处于发电制动状态，故回馈制动又称为再生制动。 回馈制动时电机的接线同电动机运行状态完全相同，其机
械特性的表达式也完全相同。所不同的是：电机的实际转速超过理想空载转速，导致外加电压低于感应反电势，电枢电流小于零。 任务3.2 直
流电机的应用—汽车直流启动机【任务目标】1了解汽车启动机的结构与工作特性2 汽车启动机的参数选择3 汽车启动机的控制3.2.1 汽
车直流串激式电动机的结构及参数1、汽车直流串激式电动机的结构 直流串激式电动机主要由机壳、磁极、电枢、换向器及电刷等组
成，如图3.23所示:1---磁场绕组；2-磁极铁心；3-启动机外壳；4-磁极固定螺钉；5-换向器6-转子铁心；7-电枢绕组；8-
电枢轴图3.23 直流电动机的结构 （a） ( b ) 1—绝缘接线柱；2—磁场绕组；3—绝缘电刷；4—搭铁电刷；5—换向
器图3.24 磁场绕组的连接方法2、工作特性(1)转矩特性 直流电动机电磁转矩M随电枢电流IS变化的关系T= ?（I
S）称为转矩特性，又可称为启动特性。串激式直流电动机的电枢绕组与磁场绕组串联，如图3.25所示。则电枢电流IS、磁场电流IC和负载
电流If的关系为（3-20） 图3.25串激式直流电动机电路 （2）机械特性电动机的转速n和电磁转矩T 的函数关系
称为机械特性，又称转速特性。对电动机的电枢回路可写出其电压平衡方程式： （3-21） 式中： —蓄电池电动势；
—电动机电枢反电势； —电枢电阻； —磁场绕组电阻； —连接导线电阻； —蓄电池电阻； —电刷接触电阻的压降。（3-22） 将（
3-21）代入（3-22）得： 在磁路未饱和时，电枢电流增加，磁极磁通Φ也将增加，电机转速将急剧下降。磁路饱和之后，
增加时Φ基本不变，电机转速将直线下降。汽车发动机启动的瞬间，启动机轴几乎被锁死，此时电枢电流和电磁力矩均达到最大值使启动安全可
靠。 （3-23） （3）功率特性电动机的输出功率P与电枢电流IS的函数关系 称为功率特性
。输出功率 ,式中 为电动机的机械效率, 为电磁功率，且： （3-24） 因电机转速
为零时， 对应 ，反电势亦为零，使功率 当电枢电流 时， 还可以证明，当 时，启动功率 达到极大值。因启动机工作时间极短，所以通常
将启动机的 最大功率作为 它的额 定功率。3.2. 2汽车启动机的参数选择 在选择启动机时，必须确定的基本参数有：启动机的
功率、启动机与发动机曲轴的传动比。1、启动机功率的选择为了使发动机能够迅速、可靠地启动，启动机必须具有足够的功率，即
(KW） (3-25) 表3.1
发动机的最低启动转速 发动机的启动阻力矩是指在最低启动转速时的发动机阻力矩，不同类型发动机的阻力矩应由
实验方法决定。 经验证明发动机所必须的功率为：汽油机： 柴油机： 功率超过10KW的柴油机，启动机功率可
按（0.37～0.44）Vh选择。Vh为发动机排量，单位为升。 ～ （KW） (3-26)～ （KW） (3-27) 2、发动机的
传动比的选择 所谓最佳传动比是指启动机工作在最大功率时，对应的启动机转速 与发动机能可靠启动的曲轴转速
之比，即：(3-28) 启动机驱动齿轮齿数ZQ受根切的限制，通常为9～13（个别情况5～7）个。实际传动比略小于最佳传动比，在
汽油机中启动机与曲轴的传动比一般为13～17；而柴油机的传动比为8～10。3.2.3 电磁啮合式启动机1—蓄电池；
2—启动开关； 3—电磁开关启动机接线柱；4—至点火开关接线柱；5—蓄电池接线柱；6—启动开关接线柱；7—电磁开关； 8—电
磁开关接触片 9—套筒； 10—固定铁心；11—吸引线圈； 12—保持线圈； 13—动
铁心； 14—传动叉； 15—启动机 图3.26 电磁啮合式启动机基
本电路电磁啮合式启动机的基本组成部分：有串激式直流电动机（一般为四极式）、电磁开关、驱动齿轮和单向离合器。图3.27给出了一个基本
控制电路的示意图。电磁开关的动作由两个线圈控制线圈11为吸引线圈，它与电枢绕组串联，而且当电磁开关闭合后即被短路，可见其作用只是提
供活动铁芯与固定铁芯分离时所需的较大电磁力。吸引线圈被接触盘短路后，为保持活动铁芯13处于启动位置，则由保持线圈12提供电磁力。启
动机的工作过程可分析如下:启动前，驱动齿轮与飞轮脱开，传动叉与活动铁芯均处在准备状态。启动开关2接通时，与电机并联的保持线圈12获
得工作电流，吸引线圈11通过电枢绕组到“搭铁”，也获得工作电流。从线圈的绕向可知，它们产生相同的磁场。使活动铁芯13克服弹簧张力向
左运动，电磁开关接触片8通过其推杆在活动铁芯作用下也向左移。活动铁芯还带动传动叉14将驱动齿轮推出，在驱动齿轮与飞轮完全啮合时，接
触片8将接线柱3、5接通，接通启动机的主电路，使启动机以正常转速启动发动机。同时，接触片也将吸引线圈短路，靠线圈12的电磁力使活动
铁芯处于吸合位置。发动机启动后，曲轴转速提高，飞轮带动驱动齿轮高速旋转，单向离合器使驱动齿轮与电枢轴脱开，防止电机超速。3.2.4
其它形式的启动机1.电枢移动式启动机2.减速启动机3.永磁启动机1.电枢移动式启动机电枢移动式启动机可以传递较大的转矩，因而被
大功率柴油机采用，它是利用磁极磁通的吸力，使整个电枢轴向移动来实现启动机驱动齿轮与发动机飞轮齿圈的啮合过程，脱开啮合由弹簧的拉力实
现。发动机启动后，飞轮带动驱动齿轮高速旋转时，摩擦片式单向离合器将松脱打滑，防止电机超速。此时，因电枢与驱动齿轮脱开，使电机空载运
行，电枢转速因卸载而加速，使电枢绕组的反电势增大，电枢电流和主磁场绕组电流同时减少，磁场被大大削弱，当磁极对电枢的吸力小于回位弹簧
的向右拉力时，驱动齿轮将随电枢右移，与飞轮齿圈脱开，扣爪又回到锁止位置，为下次启动作准备。2.减速启动机在电机轴与驱动齿轮之间装有
减速器的启动机，称为减速启动机。出现减速启动机的理由是为了解决直流电动机转速高与汽车发动机要求启动机转矩大的矛盾，增加一套减速器
，直流电动机的允许转速可达到2000r/min。这样，电动机的体积和重量可以减小，特别是高转速低扭矩的直流电动机，其工作电流较小，
可大大减轻蓄电池的负担，延长蓄电池的使用寿命。常用减速启动机的减速器转速比约为4 : 1。在国外汽车上减速电动机的应用较普遍3.永
磁启动机由永磁材料作直流电机的磁极，以取代原有的磁极绕组和磁极铁芯的启动机成为永磁启动机。由于取消了磁场绕组和磁极铁芯，启动机的体
积和质量大大减小，机械特性和换向性能得到改善，使换向火花造成的高频干扰减小，启动机的工作可靠性提高。但永磁材料随着使用时间的加长，
其去磁作用越严重，这样就使启动机功率随使用期的延长而下降，所以目前仅限于小功率启动机应用。任务3.3 汽车蓄电池电压、启动机电流测量1．掌握蓄电池电压的测试方法和QD-A型汽车万能实验台的使用方法。2．掌握测量发动机启动电流的方法和变化规律。QD-A型汽车万能实验台；12V蓄电池一块；发动机（启动机）一台。任务3.4 直流电动机常见故障及检修1．了解直流电动机常见故障及其产生的原因。2．掌握直流电动机绕组、换向器部位故障的检验及修理直流电动机常见故障现象有：直流电动机不能启动；电动机使用一段时间后，转速变快或者变慢；电动机机壳带电；电刷与换相器间火花过大；电动机运行时，有撞击声响；电刷发出较大的嘶嘶声或者嘎嘎声响；电动机有时能启动，有时又不能启动；电动机空载时或者负载时，熔丝熔断；电动机机壳发热，电枢绕组发热；换向器产生火花。 |
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