第四章第四章 直流电机直流电机 直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一将机械能转换为电能的是直流发电机，将电能转换为机械能的是直流电动机与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护较困难但直流电动机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力等很多优点，在起动和调速要求较高的生产机械中，如龙门刨床、轧钢机、电力机车、起重机、造纸及纺织行业等机械中，仍得到广泛的应用由于电力电子技术的迅速发展，作为直流电源的直流发电机已逐步被晶闸管整流装置所取代，但仍在电镀、电解行业中继续应用本章主要分析直流电机的基本工作原理、结构和运行特性第一节第一节直流电机的基本工作原理与结构直流电机的基本工作原理与结构一、直流电机的基本工作原理一、直流电机的基本工作原理1.直流发电机的基本工作原理 直流发电机的工作原理是基于电磁感应原理，在磁感应强度为Bx的磁场中，一根长度为l的导体以匀速v作垂直切割磁力线的运动时，导体中将产生感应电动势，其值的大小按法拉第定律来计算：图4-1所示为直流发电机的工作原理模型图中N、S是一对在空间固定不动的磁极(可以是永久磁铁，也可以是电磁铁)，abcd是安装在可以转动的圆柱体(导磁材料制成的)上的一个线圈，(整个转动部分称为转子或电枢)，线圈两端分别接到两个相互绝缘的半圆形铜环(称为换向片，这两个换向片就构成了最简单的换向器)1和2上，换向片分别与固定不动的电刷A和B保持滑动接触，这样，旋转着的线圈可以通过换向片、电刷与外电路接通。
当原动机拖着电枢以一定的转速n在磁场中逆时针旋转时，根据电磁感应原理，线圈边ab和cd以线速度v切割磁力线产生感应电动势，其方向用右手定则确定在图中所示的位置，线圈的ab边处于N极下，产生的感应电动势从b指向a；线圈的cd边处于S极下，产生的感应电动势从d指向c从整个线圈来看，电动势的方向为dcba；反之，当ab边转到S极下，cd边转到N极下时，每个边的感应电动势方向都要随之改变，于是，整个线圈的感应电动势方向变为abcd所以线圈中的感应电动势是交变的那么如何在电刷上得到直流电动势呢?这就要靠换向器的作用了在图4-1所示瞬间：线圈的ab边处于N极下，电动势的方向从b向a引到电刷A，所以电刷A的极性为正当线圈转过180，线圈ab边与cd边互换位置，使cd边处于N极下时，于是cd边与电刷A接触，其电动势的方向是从c向d引到电刷A，电刷A的极性仍为正同理可分析出电刷B的极性为负进一步观察可以发现：电刷A总是与旋转到N极下的导体接触，所以电刷A总是正极性；而电刷B总是与旋转到S极下的导体接触，所以电刷B总是负极性，故在电刷A、B之间得到的是脉动直流电动势当电枢上分布的线圈足够多时，就可使脉动程度大为降低，得到平滑的直流电动势。
2.直流电动机的基本工作原理 直流电动机的工作原理是基于电磁力定律的若磁场Bx与导体互相垂直，且导体中通以电流i，则作用于载流导体上的电磁力f为 图4-2是直流电动机的工作原理模型电刷A、B两端加直流电压U，在图示的位置，电流从电源的正极流出，经过电刷A与换向片1而流入电动机线圈，电流方向为abcd，然后再经过换向片2与电刷B流回电源的负极根据电磁力定律，线圈边ab与cd在磁场中分别受到电磁力的作用，其方向可用左手定则确定，如图中所示此电磁力形成的电磁转矩，使电动机逆时针方向旋转当线圈边ab转到S极面下、cd转到N极面下时，流经线圈的电流方向必须改变，这样导体所受的电磁力方向才能不变，从而保持电动机沿着一个固定的方向旋转如何才能使导体中的电流方向改变呢?这个任务将由换向器来完成从图中可以看出，原来电刷A通过换向片1与经过N极面下的导体ab相连，现在电刷A通过换向片2与经过N极面下的导体cd相连；原来电刷B通过换向片2与经过S极面下的导体cd相连，现在电刷B通过换向片1与经过S极面下的导体ab相连线圈中的电流方向改为dcba，用左手定则判断电磁力和电磁矩的方向未变，电枢仍逆时针方向旋转综上所述可知，不论是直流发电机还是直流电动机，换向器可以使正电刷A始终与经过N极面下的导体相连，负电刷B始终与经过S极面下的导体相连，故电刷之间的电压是直流电，而线圈内部的电流则是交变的，所以换向器是直流电机中换向的关键部件。
通过换向器和电刷的作用，把直流发电机线圈中的交变电动势整流成电刷间方向不变的直流电动势；把直流电动机电刷间的直流电流变成线圈内的交变电流，以确保电动机沿恒定方向旋转二、直流电机的基本结构二、直流电机的基本结构由上述直流电机的工作原理可以知道，直流电机由两个主要部分组成：静止部分(称为定子)，主要用来产生磁通；转动部分(称为转子，通常称为电枢)，是机械能变为电能(发电机)或电能变为机械能(电动机)的枢纽在定转子之间，有一定的间隙称为气隙图4-3所示为直流电机的主要部件图，图4-4所示为直流电机剖面图下面简要介绍直流电机主要部件结构及其作用1.定子部分(1)主磁极主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成当励磁绕组中通入直流电流后，铁心中即产生励磁磁通，并在气隙中建立励磁磁场励磁绕组通 常用圆形或矩形的绝缘导线制成一个集中的线圈，套在磁极铁心外面磁极铁心一般用11.5mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成，主磁极铁心柱体部分称为极身，靠近气隙一端较宽的部分称为极靴，极靴与极身交界处形成一个突出的肩部，用以支撑住励磁绕组极靴沿气隙表面处做成弧形，使极下气隙磁通密度分布更合理整个主磁极用螺杆固定在机座上主磁极总是N、S两极成对出现。
我们用p表示电机的极对数，图4-4中的p=2，即有2对主磁极，常称为4极电机各主磁极的励磁绕组通常是相互串联连接，连接时要能保证相邻磁极的极性按N、S交替排列2)换向极换向极也是由铁心和换向极绕组组成，当换向极绕组通过直流电流后，它所产生的磁场对电枢磁场产生影响，目的是为了改善换向，使电刷与换向片之间火花减小(详见本章第四节)换向极绕组总是与电枢绕组串联，它的匝数少、导线粗换向极铁心通常都用厚钢板叠制而成，用螺杆安装在相邻两主磁极之间的机座上直流电机功率很小时，换向极可以减少为主磁极数的一半，甚至不装设换向极3)机座机座的作用之一是把主磁极、换向极、端盖等零部件固定起来，所以要求它有一定的机械强度它的另一个作用是让励磁磁通经过，是主磁路的一部分(机座中磁通通过的称为磁轭)，因此，又要求它有较好的导磁性能，机座一般为铸钢件或由钢板焊接而成对于某些在运行中有较高要求的微型直流电机，主磁极、换向极和磁轭用硅钢片一次冲制叠压而成，此时，机座只起固定零部件的作用4)电刷装置电刷的作用是将旋转的电枢与固定不动的外电路相连，把直流电压和直流电流引入或引出因此，它与换向片既要有紧密的接触，又要有良好的相对滑动。
电机中常用一套电刷装置来保证它的作用电刷装置由电刷及刷盒、弹簧、刷握、刷杆、刷杆座等组成电刷是用石墨等做成的导电块，放置在刷盒内，用弹簧将它压紧在换向器上刷握固定在刷杆上，容量大的电机，同一刷杆上可并接一组刷握和电刷一般刷杆数与主磁极数相等由于电刷有正、负极之分，因此刷杆必须与刷杆座绝缘电刷组在换向器表面应对称分布，刷杆座可与端盖或机座相连接整个电刷装置可以移动，用以调整电刷在换向器上的位置图4-5为电刷装置结构图2.转子部分(1)电枢铁心电枢铁心是主磁路的一部分，同时也用来安放电枢绕组由于电机运行时，电枢与气隙磁场间有相对运动，铁心中也会产生感应电动势而出现涡流和磁滞损耗为了减少损耗，电枢铁心通常用厚度为0.5mm、表面涂绝缘的圆形硅钢冲片叠压而成冲片圆周外缘均匀地冲有许多齿和槽，槽内可安放电枢绕组，有的冲片上还冲有许多圆孔，以形成改善散热的轴向通风孔2)电枢绕组电枢绕组是直流电机电路的主要部分，它的作用是产生感应电动势和流过电流而产生电磁转矩实现机电能量转换，是电机中的重要部件电枢绕组由许多个线圈(又称绕组元件)按一定的规律连接而成这种线圈通常用高强度聚酯漆包线绕制而成，它的一条有效边(线圈的直导线部分，因切割磁场而感应电动势的有效部分)嵌入某个槽中的上层，另一有效边则嵌入另一槽中的下层，如图4-6所示。
每个线圈两有效边的引出端都分别按一定的规律焊接到换向器的换向片上电枢绕组线圈间的连接方法有叠绕组、波绕组、混合绕组等其中单叠绕组、单波绕组的连接示意图如图4-7所示从参考文献2可知，不同连接规律的电枢绕组有不同的并联支路对数a如单叠绕组是每个主磁极下的线圈串联成一条支路，电机共有2p个极，就有2p条支路，即p对支路；单波绕组是所有相同极性下的线圈串联成一条支路，电机共有N、S两种极性，故有2条支路，即一对支路用公式表示为单叠绕组a=p单波绕组a=1 单叠绕组一般适用于较大电流的直流电机，单波绕组一般适用于较高电压的直流电机注意线圈与铁心槽之间及上、下层有效边之间均应绝缘，槽口处沿轴向打入绝缘材料制成的槽楔将线圈压紧并防止它在旋转时飞出3)换向器换向器的作用是与电刷一起将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，或是将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流电压换向器是一个由许多燕尾状的梯形铜片(换向片)间隔云母片绝缘排列而成的圆柱体，每片换向片的一端有高出的部分，上面铣有线槽，供电枢绕组引出端焊接用3.气隙 气隙是电机磁路的重要部分它的路径虽然很短，但由于气隙磁阻远大于铁心磁阻，(一般小型电机的气隙为0.75mm，大型电机为510mm)，对电机性能有很大的影响，在拆装直流电机时应予以重视。
三、直流电机的铭牌数据三、直流电机的铭牌数据 每一台电机上都有一块铭牌，上面列出一些具体的数据，称为额定值这是电机制造厂家按照国家标准和该电机的特定情况规定的电机额定运行状态时的各种运行数据，也是对用户提出的使用要求如果用户使用时处于轻载即负载远小于额定值，则电机能持续正常运行，但效率降低，不经济如果电机运行超出了额定值，则称为过载，将缩短电机的使用寿命甚至可能损坏所以根据负载条件合理选用电机，使其接近额定值才既经济合理，又可以保证电机可靠地工作，并且具有优良的性能表4-1是一台直流电动机的铭牌现对其中几项主要数据说明如下：1.电机型号 型号表明该电机所属的系列及主要特点掌握了型号，就可以从有关的手册及资料中查出该电机的许多技术数据2.额定值(1)额定功率PNPN(kW)是指在规定的工作条件下，长期运行时的允许输出功率对于发电机来说，是指正负电刷之间输出的电功率；对于电动机来说，则是指轴上输出的机械功率2)额定电压UNUN(V)对发电机来说，是指在额定电流下输出额定功率时的端电压；对电动机来说，是指在按规定正常工作时，加在电动机两端的直流电源电压3)额定电流ININ(A)是直流电机正常工作时输出或输入的最大电流值。
对于发电机，三个额定值之间的关系为PN=UNIN(4-3)对于电动机，三个额定值之间的关系为PN=UNINN(4-4)额定效率(4)额定转速nNnN(r/min)是指电机在上述各项均为额定值时的运行转速5)额定温升是指电机允许的温升限度，温升高低与电机使用的绝缘材料的绝缘等级有关，电机的允许温升与所用绝缘材料绝缘等级的关系见表4-23.励磁方式 直流电机在进行能量转换时，不论是将机械能转换为电能的发电机，还是将电能转换为机械能的电动机，都以气隙中的磁场作为媒介除了采用磁钢制成主磁极的永磁式直流电机以外，直流电机都是在励磁绕组中通以励磁电流If产生磁场的励磁绕组获得电流的方式称作励磁方式直流电机的运行性能与它的励磁方式有密切的关系励磁方式分为：(1)他励励磁绕组的电流由单独的电源供给，如图4-8a所示永磁式也是他励的一种形式)(2)并励励磁绕组与电枢绕组并联，如图4-8b所示3)串励励磁绕组与电枢绕组串联，如图4-8c所示4)复励励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联，是主要部分；另一部分与电枢绕组串联，如图4-8d所示两部分励磁绕组的磁通势。