1、课题八 直流电机简介8.1 直流电机的基本工作原理图 8.1 是一台直流电机的最简单模型。N 和 S 是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈 abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换向片)上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷 A 和 B，线圈 abcd 通过换向器和电刷接通外电路。 图 8.1 直流电动机工作原理示意图 一、直流电动机工作原理 将外部直流电源加于电刷 A(正极)和 B(负极)上，则线圈 abcd 中流过电流，
2、在导体 ab中，电流由 a 指向 b，在导体 cd 中，电流由 c 指向 d。导体 ab 和 cd 分别处于 N、S 极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体 ab 和 cd 均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图 8.1(a)所示。当电枢旋转 180，导体 cd 转到 N 极下，ab 转到 S 极下，如图 8.1(b)所示，由于电流仍从电刷 A 流入，使 cd 中的电流变为由 d 流向 c，而 ab 中的电流由 b 流向 a，从电刷 B 流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。由此可见，加于直流
3、电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。8.2 直流电机的结构和额定值 一、直流电机的结构 由直流电动机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
4、运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。装配后的电机如图 8.3 所示。直流电机的纵向剖视图如图8.4 所示。 1. 定子（1）主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用 0.5mm1.5mm 厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，
5、如图 8.5 所示。 图 8.3 直流电机装配结构图 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 图 8.4 直流电机纵向剖视图 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 （2）换向极换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如 8.6 所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。（3）机座电机定子的外壳称为机座，见图 8.4 中的3。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换 图
6、8.5 主磁极的结构 向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用； 1主磁极 2励磁绕组 3机座 二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 （4）电刷装置电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图 8.7 所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。图 1.6 换向极 图 1.7 电
7、刷装置 1换向极铁心 1刷握 2电刷 2换向极绕组 3压紧弹簧 4刷辫2. 转子(电枢)（1）电枢铁心 电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由 0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成(冲片的形状如图 8.8(a)所示)，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。图 8.8 转子结构图 （2）电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同
8、线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图 8.9 所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。（3）换向器在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向 图 8.9 电枢槽的结构片的紧固通常如图 8.10 所示，换向片的下部做成鸽 1槽楔 2线圈绝缘 3电枢导体尾形
9、，两端用钢制 V 形套筒和 V 形云母环固定，再用 4层间绝缘 5槽绝缘 6槽底绝缘螺母锁紧。（4）转轴转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。图 8.10 换向器结构 图 8.11 单叠绕组元件1换向片 2连接部分 1首端 2末端 3元件边4端接部分 5换向片 二、直流电机的励磁方式 励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按励磁方式的不同，直流电机可以分为以下 4 类。（1）他励直流电机励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图 8.13(a)所示。永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。图 8.20 中电流正方向是以电动机为例
10、设定的。 （2）并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。如图 8.13(b)所示。励磁电压等于电枢绕组端电压。 以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的 1%5%， 图 8.12 单波绕组元件所以励磁绕组的导线细而匝数多。 1首端 2末端 3元件边（3）串励直流电机 4端接部分 5换向片励磁绕组与电枢绕组串联，如图 8.13(c)所示。励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线粗而匝数较少。（4）复励直流电机每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图 8.13(d)所示。两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复
11、励，通常采用积复励方式。 直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。(a)他励电动机 (b)并励电动机 (c)串励电动机 (d)复励电动机图 8.13 直流电机的励磁方式三、直流电机的额定值 电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据而规定的每台电机的主要性能指标称为电机的额定值。额定值一般标在电机的铭牌上或产品说明书上。直流电机的额定值主要有下列几项：1.额定功率额定功率是指电机按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。对电动机来说，额定功率是指转轴上输出的机械功率.2.额定电压额定电压是电机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压，单位为 V(伏)。3.额定电流额定电流是电机按照
12、规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为 A(安培)。 4.额定转速额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为 r/min(转/分)。额定值一般标在电机的铭牌上，又称为铭牌数据。还有一些额定值，例如额定转矩TN、额定效率 N 等，不一定标在铭牌上，可查产品况明书或由铭牌上的数据计算得到。额定功率与额定电压和额定电流之间有如下关系： 直流电动机 PN=UNINN103 kW 直流电机运行时，如果各个物理量均为额定值，就称电机工作在额定运行状态，亦称为满载运行。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。如果电机的电枢电
13、流小于额定电流，称为欠载运行；电机的电枢电流大于额定电流，称为过载运行。欠载运行，电机利用不充分，效率低；过载运行，易引起电机过热损坏。 8.4 直流电机的换向 换向是直流电机中一个非常重要问题，直流电机的换向不良，将会造成电刷与换向器之间产生电火花，严重的会使电机烧毁。所以，要讨论影响换向的因素以及产生电火花的原因，进而采取有效的方法改善换向，保障电机的正常运行。一、换向的过程 直流电机运行时，电枢绕组的元件旋转，从一条支路经过固定不动的电刷短路，后进入另一条支路，元件中的电流方向将改变，这一过程称为换向，如图 8.21 所示。图 8.21是电机中一元件 K 的换向过程，设 bS 为电刷的宽
14、度，一般等于一个换向片 bK 的宽度，电枢以恒速 Va 从左向右移动， TK 为换向周期， S1、 S2 分别是电刷与换向片 1、2 的接触面积。(a) 换向开始瞬时 (b) 换向过程中某一瞬时 (c) 换向结束瞬时 图 1.28 换向元件的换向过程 1.换向开始瞬时(图 8.21(a)所示)， t =0，电刷完全与换向片 2 接触， S1=0， S2 为最大，换向元件 K 位于电刷的左边，属于左侧支路元件之一，元件 K 中流的电流 i=+ia，由相邻两条支路而来的电流为 2ia，经换向片 2 流入电刷。2.在换向过程中(图 8.21(b)所示)， t =TK/2，电枢转到电刷与换向片 1、2
15、 各接触一部分，换向元件 K 被电刷短路，按设计希望此时 K 中的电流 i=0，由相邻两条支路而来的电流为 2ia，经换向片 1、2 流入电刷。3.换向结束瞬时，(图 8.21(c)所示)， t=TK，电枢转到电刷完全与换向片 1 接触， S1为最大， S2=0，换向元件 K 位于电刷右边，属于右侧支路元件之一，K 中流过的电流 i=-ia，相邻两条支路电流 2ia 经换向片 1 流入电刷。 随着电机的运行，每个元件轮流经历换向过程，周而复始，连续进行。 本章小结 (1) 直流电动机是根据电磁力定律而工作的，电刷两端引入外加直流电源，与换向器共同作用，变换成交流电供给电枢元件，从而产生方向不变
16、的电磁转矩，拖动转子旋转。(3) 直流电动机中，电流 ia 与电动势的 Ea 方向相反， Ea 称为反电动势；电磁转矩 T与转速 n 方向相同， T 称为拖动转矩。直流发电机中电流 ia 与电动势的 Ea 方向相同， Ea为电源电动势；电磁转矩 T 与转速 n 方向相反， T 称为制动转矩。(4) 直流电机的结构由定子与转子两部分组成，定子由主磁极、换向极、机座与电刷组成。主要作用使产生主磁场。转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器与转轴组成，主要作用是产生感应电动势 Ea 和电磁转矩 T，是直流电机机电能量转换的主要部件电枢。(5) 直流电机的电枢绕组有单叠与单波两种基本形式，单叠绕组是将同一个主
17、磁极下所有上层边的元件串联成一条支路；所以支路对数 a=P。它适用于低电压、大电流电机。单波绕组是将同一极性下所有上层边的元件串联成一条支路；所以支路对数 a=1，它适用于高电压、小电流电机。 (6) 直流电机的励磁方式一般有四种，即他励、并励、串励、复励。(7) 磁场是机电能量转换不可缺少的因数。当直流电机空载时，气隙磁场仅由主磁场磁动势 Ff 单独建立，特点为：首先是对称于主磁极轴线的平顶波，其次是物理中性线与几何中性线重合。当直流电机负载时，气隙磁场是由主磁场磁动势 Ff 与电枢磁动势 Fa 共同建立，Fa 对主磁场的影响称为电枢反应。电枢的结果为 1 它是气隙磁场发生畸变；2 物理中性
18、线偏离几何中性线(电动机时物理中性线逆着旋转方向偏离一角度，发电机时顺着旋转方向偏离一角度)；3 当磁路不饱和时，总磁通量不变；当磁路饱和时，总磁通量减少。(8) 无论是直流电动机还是直流发电机，只要电枢绕组切割磁力线，都将在电枢绕组中产生感应电动势= n；另外，只要电枢绕组中有电流，在磁场的作用下就会产生电磁转矩 T= CTIa。(9) 影响直流电机换向的主要因素是电磁因素，即换向元件内产生的电抗电动势 eX 和电枢反应电动势 eV，进而产生附加电流 iK。改善换向的目的是消除或降低 iK 的影响，常用的换向方法是正确选择电刷、合理地移动电刷位置、安装换向极。(10) 为了防止电位差火花和环
19、火，在大容量和工作繁重的直流电机中，可在主磁极上安装补偿绕组。四、直流电动机的起动、制动和调速1.直流电动机的起动（1）对直流电动机起动的基本要求a)要有足够大的起动转矩。b)起动电流要在一定的范围内。c)起动设备要简单、可靠。本章小结 (1) 直流电动机是电力拖动系统的主要拖动装置，它具有良好的起动和调速性能。它在起动、调速和制动过程中的各种状态的原理及实现方法是直流电动机拖动的重要内容。(2) 衡量直流电动机的起动性能的主要指标是起动电流和起动转矩。在直流电动机的起动过程中，对电动机本身所要求的较大的起动转矩和较小的起动电流是一对矛盾。通常是在保证足够大的起动转矩的前提下，尽量减小起动电流
20、。常用的起动方法有：电枢回路串电阻起动和降压起动，直接起动只有在小容量电动机中才有使用。(3) 为了更好地发挥电动机的性能和满足生产的需要，调速是电动机使用过程中的重要内容。在充分考虑调速指标的前提下，常用的对直流电动机的调速方法有 3 种：电枢回路串电阻调速、降压调速和改变磁通调速，3 种方法各有自身的特点和优缺点。直流电动机的串电阻调速和降压调速是属于恒功率调速，改变磁通调速是属于恒转矩调速。在调速过程中，还必须注意与负载性质的配合问题。(4) 直流电动机的制动是在电动机的使用过程中经常会遇到的问题。制动过程与电动过程有着本质的区别，对制动过程的分析经常采用象限图的方法。常用的制动方法有 3 种：能耗制动、电源电压反接制动和回馈制动，3 种制动形式的实现方法和能量特点如表 3-1 所示。
