直流电动机工作原理

1直流电机的构造

直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。

直流电机的优点：

(1) 调速性能好, 调速范围广, 易于平滑调节。

(2) 起动、制动转矩大, 易于快速起动、停车。

(3) 易于控制。

应用:

轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。

直流电动机特性类型的选择:

(1) 恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关)要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。

(2) 通风机械负载，机械负载 TL和转速 n 的平方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机拖动。

(3) 恒功率负载（P一定时，T和n成反比)，要选软特性电机拖动。如：电气机车等。

5.4 电动机的连接

直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。

(1) 绕组的阻值范围

电枢绕组的阻值在零点几欧姆到1~2欧姆。

直流电机结构与工作原理

1、直流电机的基本结构

直流电机的结构可分为静止和转动两部分，静止部分称为定子，旋转部分称为转子（也称电枢）。图2-1与图2-2分别为直流电机的纵剖面示意图和横剖面示意图。

图2-1　直流电机纵剖面示意图

图2-2　直流电机横剖面示意图

直流电机定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等；转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇和转轴等。

1.主磁极

图2-3为直流电机主磁极示意图。主磁极用来产生气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度按一定波形沿空间分布。主磁极包括主磁极铁芯和励磁绕组。主磁极铁芯由1mm～1.5mm厚的低碳钢薄板冲片叠压而成。励磁绕组用圆形或矩形纯铜绝缘电磁线制成。各磁极的励磁绕组串联连接成一路，以保证各主极励磁绕组的电流相等。

大的直流电机在极靴上开槽,槽内嵌放补偿绕组，与电枢绕组串联，用以抵消极靴范围内的电枢反应磁动势，从而减少气隙磁场的畸变，改善换向，提高电机运行可靠性。

1—主磁极铁芯；2—极靴；3—励磁绕组；

4—绕组绝缘；5—机座；

6—螺杆 图2-3　主磁极示意图

1—换向极铁心；2—换向极绕组

图2-4　换向极示意图

2.换向极

也称附加极，用于改善直流电机的换向性能，其作用原理将在2.7节中介绍。换向极由换向极铁芯和换向极绕组组成。其铁心一般也用1mm～1.5mm厚的低碳钢薄板冲片叠压而成。换向极绕组必须和电枢绕组相串联，由于要通过的电枢电流较大，通常采用较粗的矩形截面导体绕制而成。图2-4为换向极示意图。换向极安装在两相邻主极之间，其数目一般与主极数相等。小功率直流电机可不装换向极。

3.机座

直流电机的机座用来固定主极、换向极、端盖等，并借助底脚将电机固定在基础上。同时，直流电机的机座是磁极间的磁通路径(称为磁轭)，所以用导磁性好、机械强度较高的铸钢或厚钢板制成，不能采用铸铁。

4.电枢铁芯

电枢铁心用来通过磁通并嵌放电枢绕组，是主磁路的一部分。由于转子在定子主磁极产生的恒定磁场内旋转，因此电枢铁芯内的磁通是交变的，为减少涡流和磁滞损耗，通常用两面涂绝缘漆的0.5mm硅钢片叠压而成。冲片上有均匀分布的嵌放电枢绕组的槽和轴向通风孔。

5.电枢绕组

电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量转换的关键部件。容量较小的直流电机的电枢绕组用圆形电磁线绕制而成，而大多数直流电机的电枢绕组均用矩形绝缘导线绕制成定形线圈，然后嵌入电枢铁心的槽中，如图2-5所示。线圈与铁心之间以及上、下层线圈之间都必须妥善绝缘。为了防止电枢旋转时离心力的作用，绕组在槽内部分用绝缘槽楔固定，而伸到槽外的端接部分则用非磁性钢丝扎紧在线圈支架上。

6.换向器

换向器是直流电机特有的关键部件，将电枢绕组内部的交流电势转换成电刷间的直流电势。换向器的质量好坏将直接影响直流电机的运行可靠性。换向器由许多称为换向片的、彼此互相绝缘的铜片组合而成，有多种结构形式，图2-6为常见的一种形式。由图可见，换向器由V型套筒、换向片、云母片（换向片间的绝缘）和压紧圈等组成紧密整体。小型换向器用热固性环氧树脂热压成整体。电枢绕组端部嵌放在换向片端部槽内，并焊接在一起。

图2-5　电枢绕组在槽内的原理图

图2-6　换向器示意图

7.电刷装置

电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成，如图2-7所示。电刷放在刷握上的刷盒内，用弹簧将电刷压紧与换向器表面紧密接触，保证电枢转动时电刷与换向器表面有良好的接触。电刷装置与换向器配合将转动的电枢绕组和静止的外电路连通。

（a）刷握与电刷

（b）电刷装置 图2-7

电刷装置示意图

8.气隙

定、转子之间的气隙是主磁路一部分，其大小直接影响运行性能。由于气隙磁场由直流励磁产生，因此直流电机的气隙可比异步电动机大得多，小型直流电机为1～3mm，大型直流电机可达12mm。

2、直流电机的工作原理

直流电机的工作原理可由图2-8所示的直流电机最简模型来说明。直流电机可分为电动机运行和发电机运行两种运行状态。

1.电动机运行

图2-8中N和S是定子主磁极直流励磁后所产生的恒定磁场，当电刷Ａ和Ｂ间外施直流电压U，若Ａ刷与电源的“＋”极相连，Ｂ刷与电源的“－”极相连，则在图示瞬间，外电流I经电刷Ａ及与之相接触的换向片进入绕组元件abcd，如元件内的电流为ia，则ia的方向为从Ａ刷→a→b→c→d→Ｂ刷。ia与磁场相互作用，产生电磁力f，方向根据左手定则确定，如图2-8(b)所示。

作用在电枢圆周切线方向的电磁力f将产生电磁转矩Ｔem，方向为逆时针。当电磁转距Ｔem大于负载转距Ｔ2和空载转距Ｔ之和时，在电磁转距Ｔem作用下，电枢以n速度按逆时针方向旋转。同时，转动的电枢绕组切割恒定磁场，感应电动势e，方向按右手定则确定，与ia正好相反。

图2-8　直流电动机的工作模型

转过180°的位置后，由于电刷Ａ通过换向片仍与处在Ｎ极下的元件边相连，所以从空间上看，ia的方向不变，

即从Ａ刷→d→c→b→a→Ｂ刷，电磁转矩Ｔem仍是逆时针方向，因此n亦不变。但ia相对于元件abcd来说，已改变了方向。所以直流电机在作电动机运行时。

有以下几个特点：

（1）电刷间外施电压Ｕ和外电流Ｉ均为直流，通过换向片和电刷的作用，在每个电枢线圈内流动的电流ia变成了交流，同时产生的感应电动势e亦为交流。

（2）元件内的感应电动势e和电流ia的方向相反，故称e为反电动势。

（3）某一固定的电刷(如Ａ刷)只与处在一定极性(Ｎ极)磁极下的导体相连接。由于处在一定极性下的导体电动势和电流的方向是不变的，因此，由电枢电流所产生的磁场在空间上也是固定不变的。

（4）电磁转矩Ｔem起驱动作用，即n与Ｔem同方向，所以只要电动机外部持续不断地供给电能，电动机就有持续不断的电磁转矩Ｔem去驱动生产机械或设备。然而，只有一个元件的电动机，其所产生的电磁转矩是脉动的。所以实际电动机中在圆周表面均匀开有较多的槽，槽内嵌放着相当多的元件，使所得的电磁转距Ｔem基本上不变。

2.发电机运行

发电机运行时的直流电机工作模型如图2-9所示，图中的电刷Ａ和Ｂ间外接的是直流负载，电机由一原动机拖动以逆时针方向旋转。在图示瞬间，元件边ab的感应电势方向为b端到a端，元件边cd的感应电势方向为d端到c端，

元件中的电流ia的方向为B刷→d→c→b→a→Ａ刷，元件边ab、cd产生电磁力f，作用在电枢圆周切线方向的电磁力f将产生电磁转矩Ｔem，方向为顺时针，与电机旋转方向相反。转过180°的位置后，元件内的电流ia的方向为从Ｂ刷→a→b→c→d→Ａ刷，外电路中的电流I的方向仍不变，产生的电磁转矩Ｔem方向仍为顺时针。

图2-9　直流发电机的工作模型

由上面分析可见，直流电机在作发电机运行时，有以下几个特点：

（1）在每个电枢线圈内流动的电流ia为交流，同时产生的感应电势e亦为交流。

（2）电刷间为直流电势，而元件内的感应电动势e和电流ia的方向相同。

（3）由电枢电流所产生的磁场在空间上也是固定不变的。

（4）n与电磁转矩Ｔem反方向，电磁转矩Ｔem起制动作用。

3、直流电机的励磁方式

励磁方式是指励磁绕组中励磁电流获得的方式。分他励、并励、串励和复励，复励又分积复励和差复励。直流电机采用不同的励磁方式时，电机的运行性能差别较大。以电动机为例。

1.他励

励磁绕组与电枢绕组在电路上互不相连，由两个独立的直流电源Ｕf和Ｕ分别向励磁绕组和电枢绕组供电，如图2-10(a)所示。由永磁体做成主磁极的亦可看作他励的一种。

由于励磁电流Ｉf的大小与电枢端电压Ｕ和电枢电流Ｉa无关，一般情况下励磁绕组的匝数较多,截面积较小，Ｉf相对于Ｉa来说，要小得多。

2.并励

励磁绕组与电枢绕组并联，由同一直流电源Ｕ供电，如图2-10(b)所示。因励磁回路自成一路，所以一般也与他励一样，选较小的励磁电流，较多的励磁绕组匝数。对并励直流电动机来说，电源提供的线路电流Ｉ=Ｉa+Ｉf。

3.串励

励磁绕组与电枢绕组串联，如图2-10(c)所示。因此，直流电动机时，电源提供的线路电流I、电枢电流Ia和励磁电流Ｉf是相等的，即I=Ia=If。由于电枢电流较大，所以串励绕组的截面积大，匝数少。

4.复励

同时具有并励绕组和串励绕组称为复励，如图2-10(d)所示。并励绕组和电枢绕组并联后再与串励绕组联相串联称为短复励，如图2-10(d)中虚线①所示；串励绕组和电枢绕组串联后再与并励绕组相并联，相应于图2-10(d)中的虚线②，称为长复励。短复励时，流过串励绕组的电流IS=I；长复励时，IS=Ia。但无论是短复励还是长复励，I=Ia+If。

图2-10　直流电机的励磁方式

复励时按产生的磁动势相互叠加结果分积复励和差复励。如具有Nf匝的并励绕组所产生的磁动势为Ｆf=ＩfNf，具有Ns匝的串励绕组所产生的磁动势为Ｆs=ＩsNs。积复励时，Ｆs与Ｆf的方向相同，总励磁磁动势∑Ｆ=Ｆf+Ｆs；

差复励时，Ｆs与Ｆf的方向相反，总励磁磁动势∑Ｆ=Ｆf-Ｆs。这两种复励形式直流电机的运行特性差别很大，直流电动机不采用差复励，差复励发电机则作直流电焊机用。

4、直流电机的额定值

额定值是电机生产企业按国家标准对电机产品在指定工作条件下（即额定工作条件）所规定的一些量值。主要额定值通常标在电机的铭牌上。

直流电机的主要额定值有：

（1）额定功率PN，指直流电机输出的功率，单位为Ｗ或kＷ。

（2）额定电压UN，指额定状态下电机出线端的电压，单位为Ｖ。

（3）额定电流IN，指额定状态下电机出线端的电流，单位为Ａ。

（4）额定转速nN，指直流电机转轴上的转速，单位为r/min。

此外，直流电机铭牌上还标有电机型号，绝缘等级，额定励磁电压ＵfN，额定励磁电流ＩfN等说明电动机特点的内容。而额定效率ηN、额定转矩ＴN、额定温升θN等通常不标注在铭牌上。直流电机的额定功率对直流电动机而言是指它的轴上的输出机械功率，其表达式为：PN＝UNINηN；而对直流发电机则指发电机输出的电功率，其表达式为：PN＝UNIN。

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来源于《电机学》，本书由潘再平、章玮、陈敏祥合作编写

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