第二章 直流电机

第一节 直流电机的工作原理

一、直流电机的工作原理

图2-1是最简单的直流电机模型。N、S是一对静止不动的主磁极，它们之间有一转动的圆柱形电枢铁心，其上有一电枢线圈，线圈两端a、d分别接到彼此绝缘的两个半圆形换向器片上。两个位置固定的电刷分别压在两换向器片上。电刷与转动的换向器片形成滑动接触的导电机构。

当直流电机接通直流电源时，则成为直流电动机。在电源电压的作用下电枢线圈中产生了电流。假设电流由图2-1中的“+”点流入，从“-”点流出，通过换向器的作用，使转到N极下的线圈边中的电流方向总是流出，S极下的线圈边中的电流方向总是流入。电流的方向总是d-c-b-a；这样电枢电流与磁场相作用所产生的电磁转矩方向始终保持不变，因而驱动转子向一个顺时针方向转动。电动机的电磁转矩是拖动负载的转矩。刚开始时，由于电流较大，电磁转矩高于负载转矩，电动机加速旋转。电动机在旋转的过程中，电枢线圈也切割磁场而产生电动势，根据右手定则，该电动势的方向总是与电流方向相反，故称电动机的电动势为反电动势。假如外加电枢电压U不变，随着转速的提高，反电动势E增加，电枢电流I_a减小，三者之间的关系为

式中 R_a——电枢绕组的电阻。

可见，随着电枢电流I_a的减小，电动机的电磁转矩也同步减小，当与负载转矩一致时，电动机进入恒定转速旋转，从而使系统进入平衡稳定状态。

二、直流电机的感应电动势与电磁转矩

直流发电机和直流电动机是直流电机的两种运行状态。在两种运行状态下，当电枢以一定的转速向一个方向旋转时，嵌在电枢槽内的电枢绕组便切割磁通量产生感应电动势。在直流发电机中，感应电动势的方向和电枢电流相同，向外输出功率；而在电动机中，感应电动势的方向和电枢电流相反，从外加电源吸收功率。根据电磁感应定律，感应电动势的大小正比于每极的磁通量Φ及电枢转速n，其计算公式可以表示为

式中 C_e——与电机结构有关的比例常数，称为电动势常数。

同样，在直流发电机和直流电动机中，电枢绕组中的电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩。根据左手定则判断，在直流电动机中电磁转矩的方向和转向相同，是拖动负载的转矩；而在发电机中，电磁转矩的方向和转向相反，与拖动转矩也相反，为制动转矩；而拖动转矩方向与转向相同是原动机的驱动输出，发电机的电磁转矩相当于原动机的负载。直流发电机将机械能转换为电能，直流电动机则将电能转换为机械能。无论是发电机还是电动机，电磁转矩T正比于电枢电流I_a及每极磁通量Φ，其计算公式为

式中 C_T——与电机结构有关的常数，称为转矩常数。

电磁转矩所对应的功率称为电磁功率，根据功率的计算公式和电磁感应的公式可以推导出电磁功率，即由电磁转矩和角速度相乘，也可以是感应电动势和电枢电流的乘积，所以电磁功率是机械能转换为电能的转换环节。

在能量转换的过程中必然有损耗。直流电机的损耗有以下几种：机械损耗、铁心损耗、励磁和电枢绕组的铜损耗等。当直流发电机带负载时，输入的机械功率P₁应与输出的电功率P₂和电机内部各种损耗∑p相平衡。即

同样，当直流电动机带负载时，输入的电功率P₁应与轴上输出的机械功率P₂和电机内部的各种损耗∑p相平衡。

三、直流电机的构造、励磁方式

1.直流电机的构成及作用

直流电机的外形如图2-2所示，小型直流电机内部自带风扇，大型直流电机需要另外独立设置风机，然后强迫空气通过转子和定子间的气隙来冷却电机，所以电机表面较光滑，不另设通风槽，并在电机两端留有通风百叶。直流电机是由定子和转子两大部分组成；定子由主磁极、换向磁极、机座、端盖和电刷装置等组成，转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成，图2-3为直流电机的剖面结构图。

（1）定子主要部件

1）主磁极：主磁极铁心由薄钢板冲片叠成，用螺栓固定在机座上，其上套有励磁绕组。励磁绕组中通入直流励磁电流产生主磁场。

2）换向极：其铁心尺寸比主磁极小，也用螺钉固定在机座上；在定子机座圆周上的安装位置与主磁极相间分布。换向极用于改善换向，减少因电磁原因而引起的电刷火花。

3）机座：是直流电机的固定支撑和防护部件，又是磁路的一部分。机座通常是由铸钢制成。

4）电刷装置：主要由刷架、刷杆、电刷及压紧弹簧等组成。中小型电机刷架装在端盖或轴承内盖上，大中型电机刷杆座固定在机座上。电刷装置则装在刷架的刷杆上。为减少由机械原因而引起的电火花，电刷插在刷握中应既能上下自由移动又不晃动，当电刷磨短时应及时调整压紧弹簧，以保持与换向器适当的接触压力，直流电机的电刷结构如图2-4所示，电刷是通过软铜辫连到接线端。

（2）转子的主要部件

1）电枢铁心：电枢铁心是磁路的一部分，由固定在转轴上的硅钢片叠成。铁心圆周上有均匀分布的槽，槽内用于嵌放电枢绕组。

2）电枢绕组：电枢绕组由绝缘铜线（俗称漆包线）绕制而成，用以产生电动势和通过电流，是实现机电能量转换的重要部件。各绕组线圈的两个出线端按一定的规律焊接到换向器片上，形成一闭合回路。

3）换向器：换向器的作用是将电枢线圈中的交流电变为直流电或相反。

图2-5是直流电机转子结构图，换向器是由许多楔形铜片（换向片）叠成圆筒形，片间用云母绝缘。换向片放置在套筒上，整个换向器装在轴上。电枢线圈的出线端直接焊接在换向器片端部的升高片的小槽中。换向器是直流电机的特征部件，容易识别。

2.直流电机的铭牌

在直流电机外壳的铭牌上，给出了直流电机的型号和额定运行时各物理量的数值。直流电机的额定值主要有：

1）额定功率（kW)：指额定状态下，发电机输出的电功率 P_N=U_NI_N或电动机轴上输出的机械功率P_N=U_NI_Nη_N。

2）额定电流（A)：指额定状态下，发电机输出的或电动机输入的电流 I_N。

3）额定电压（V)：指额定状态下，发电机输出的或电动机输入的电压U_N。

4）额定转速（r／min)：指额定状态下，发电机或电动机的转速n_N。

5）额定励磁电流（A)或额定励磁电压（V)：指额定状态下，发电机或电动机的励磁电流I_f或励磁电压U_f。

另外，还有励磁方式、极数、绝缘等级、温升、工作制和使用条件等。

3.直流电机的励磁方式

定子的主磁极和转子的电枢绕组是直流电机两个最基本的组成部分，它们之间不同的连接方法，直接关系到电机的运行特性。电刷引出的转子绕组称为电枢回路，流过电枢回路的电流称为电枢电流I_a。主磁极的励磁绕组称为励磁回路，流过励磁回路的电流称为励磁电流I_f。电源供给电动机或者发电机发出给负载的电流为I。直流电机主磁极的励磁电流有多种供给方式。按励磁绕组与电枢绕组的连接关系，直流电机可分为：他励、并励、串励和复励4种。

对于直流发电机而言，励磁方式分他励和自励，自励包括并励和复励。图2-6为直流发电机的3种励磁方式的电路图。

1）他励发电机：励磁绕组电路与电枢电路无关，励磁电流取自其他的直流电源。其励磁功率约为直流电机额定功率的1%～3%。

2）并励发电机：励磁绕组电路与电枢电路并联。并励绕组导线细、匝数多、电阻大，励磁电流小。并励发电机的电流关系为I=I_a-I_f。励磁功率约为直流电机额定功率的2%～10%。

3）复励发电机：主磁极上有两个励磁绕组，其中一个和电枢回路并联（称并励绕组），另一个和电枢回路串联（称串励绕组）。

当串励绕组产生的磁动势和并励绕组产生的磁动势方向相同时，称为积复励。当串励绕组产生的磁动势和并励绕组产生的磁动势方向相反时，称为差复励。如图2-6所示，他励发电机的励磁电流是由独立的电源供给，不受发电机的电压和电流的影响，自励发电机的励磁电流是由发电机的电枢电路提供，因而励磁电流受电枢电流和电压的影响。

直流电动机的励磁电流均由外电源供给，如图2-7所示。

直流电动机可分为他励、并励、串励和复励4种。

1）他励电动机：励磁绕组电路不与电枢电路连接，励磁电流可由独立电源供给。

2）并励电动机：励磁绕组电路与电枢电路并联。并励绕组导线细、匝数多、电阻大，励磁电流远小于电枢电流。

3）串励电动机：串励绕组与电枢绕组串联，电枢电流即为励磁电流。因此，串励绕组导线粗、匝数少、电阻极小。

4）复励电动机：主磁极上既有并励绕组又有串励绕组。