课题二 认识直流电动机
直流电动机是通以直流电流的旋转电机，是将直流电能转换为机械能的设备。与交流电动机相比，其优点是调速性能好，启动转矩大，过载能力强，在启动和调速要求较高的场合应用广泛；不足之处是直流电动机结构复杂，成本高，运行维护困难。
一、直流电动机的基本结构与工作原理
直流电动机由定子和转子两个基本部分组成，如图1-9所示。
定子是静止不动的部分，主要由主磁极、换向磁极、机座、端盖与电刷等装置组成。其中主磁极由磁极铁芯和励磁绕组组成，磁极铁芯由1～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成。当在励磁绕组中通入直流电流后，便产生旋转磁场。主磁极可以有一对、两对或更多对，它用螺栓固定在机座上。换向磁极也是由铁芯和绕组组成，位于两主磁极之间，其作用是产生附加磁场，以改善电机的换向条件，减少电刷与换向片之间的火花。
电枢是直流电动机中的转动部分，故又称为转子，主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。电枢由硅钢片叠成，并在表面嵌有绕组（电枢绕组）（为直观，图中只画出了一匝）。绕组的首端和末端接在与电枢铁芯同轴转动的一个换向片上，同固定在机座上的电刷连接，而后者与外加的电枢电源相连。
图1-9 直流电动机的基本结构和模型图
直流电动机的基本工作原理是建立在电磁感应和电磁力的基础上的。当电枢绕组中通过直流电流时，在定子磁场的作用下就会产生带动负载旋转的电磁力和电磁转矩，驱动转子旋转。直流电动机产生的电磁转矩由下式表示：
T=KmΦId
式中，T——电磁转矩，N·m；
Φ——一对磁极的磁通量，Wb；
Id——电枢电流，A；
Km——与电动机结构有关的常数（称为转矩常数），Km=PN/2πα，其中，P为磁极对数，N为切割磁通的电枢总导体数，α为电枢绕组并联支路数。
二、直流电动机的励磁方式
直流电动机励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按直流电动机励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同分为他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机与复励直流电动机4种，如图1-10所示。
图1-10 直流电动机的励磁方式
其中图1-10（a）为他励直流电动机，励磁绕组与电枢绕组分别用两组独立的直流电源供电；图1-10（b）为并励直流电动机，励磁绕组和电枢绕组并联，由同一直流电源供电；图1-10（c）为串励直流电动机，励磁绕组与电枢绕组串联，由同一直流电源供电；图1-10（d）为复励直流电动机，既有并励绕组，又有串励绕组。
一般情况下，直流电动机并励绕组的电流较小，导线较细，匝数较多；串励绕组的电流较大，导线较粗，匝数较少：因而不难辨别。
三、直流电动机的铭牌数据和主要系列
1. 直流电动机的铭牌数据
直流电动机产品种类繁多，铭牌样式也各不相同。图1-11是我国使用较多的Z4系列直流电动机铭牌。
图1-11 Z4系列直流电动机铭牌
铭牌中各数据的含义与异步电动机铭牌相似，读者可参照进行识读。
2. 直流电动机主要系列
直流电动机主要系列有：
Z4系列：一般用途的小型直流电动机；
ZT系列：广调速直流电动机；
ZJ系列：精密机床用直流电动机；
ZTD系列：电梯用直流电动机；
ZZJ系列：起重冶金用直流电动机；
ZD2ZF2系列：中型直流电动机；
ZQ系列：直流牵引电动机；
Z-H系列：船用直流电动机；
ZA系列：防爆安全用直流电动机；
ZLJ系列：力矩直流电动机。
四、直流电动机的选用
正确选用直流电动机是构建直流电动机电气控制系统的关键。下面介绍选用直流电动机应遵循的一般原则。
1. 直流电动机额定功率的选择
额定功率选择的原则：所选额定功率要能满足生产机械在拖动的各个环节（启动、调速、制动等）对功率和转矩的要求并在此基础上使直流电动机得到充分利用。
额定功率选择的方法：根据生产机械工作时负载（转矩、功率、电流）大、小变化特点，预选直流电动机的额定功率，再根据所选直流电动机额定功率校验过载能力和启动能力。
2. 直流电动机种类的选择
直流电动机种类选择时应考虑的主要内容有以下几项。
（1）直流电动机的机械特性应与所拖动生产机械的负载特性相匹配。
（2）直流电动机的调速性能应满足生产机械要求。对调速性能的要求在很大程度上决定了直流电动机的种类、调速方法以及相应控制方法。
（3）直流电动机的启动性能应满足生产机械对直流电动机启动性能的要求，直流电动机的启动性能主要是启动转矩的大小，同时还应注意电网容量对直流电动机启动电流的限制。
（4）经济性：一是直流电动机及其相关设备（如启动设备、调速设备等）的经济性；二是直流电动机拖动系统运行的经济性，主要是要效率高，节省电能。
3. 直流电动机额定电压的选择
直流电动机的额定电压一般为110V、220V、440V，最常用的电压等级为220V。
4. 直流电动机额定转速
（1）对不需要调速的高、中速生产机械，可选择相应额定转速的直流电动机，从而省去减速传动机构。
（2）对不需要调速的低速生产机械，可选用相应的低速直流电动机或者传动比较小的减速机构。
（3）对经常启动、制动和反转的生产机械，选择额定转速时则应主要考虑缩短启动、制动时间以提高生产率。启动、制动时间的长短主要取决于直流电动机的飞轮矩和额定转速。应选择较小的飞轮矩和额定转速。
（4）对调速性能要求不高的生产机械，可选用多速直流电动机或者选择额定转速稍高于生产机械的直流电动机配以减速机构，也可以采用电气调速的直流电动机拖动系统。在可能的情况下，应优先选用电气调速方案。
（5）对调速性能要求较高的生产机械，应使直流电动机的最高转速与生产机械的最高转速相适应，直接采用电气调速。
思考与练习
1. 简述直流电动机的工作原理。
2. 直流电动机的励磁方式有哪几种？请画出其电路。
3. 直流电动机一般为什么不允许采用全压启动？
4. 简述直流电动机的选用原则。