第4章直流电机概览

1、第 4 章 直流电机概览4.1 直流电机的用途和基本工作原理4.1.1 直流电机的用途与变压器不同，直流电机是一种旋转电机，是最早得到实际应用的电机，它 即可作电动机又可作发电机。直流电动机具有良好的起动性能，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，适 合对调速性能和起动性能要求非常高的场合。例如，对于汽车用起动电机、挡风 玻璃擦拭电动机、吹风机电动机，以及电动窗用电动机等，都是直流电动机在工 业自动控制中最为经济的选择。在大功率的驱动设备的运用中， 例如在城市轨道 交通、钢厂轧钢机、挖掘设备、大型起重机等驱动系统中，直流电动机有着广泛 的应用空间。当然，直流电机也是一种将逐渐淘汰的电机种类。在高可

2、靠、大功率、固态 化的开关设备发展之前，直流电动机对所有变速驱动的运用场合来说，都是其主 要的动力来源，直流发电机也是提供直流电能的主要来源。随着电力电子技术和 控制技术的发展，目前， 直流发电机已基本上被静止整流装置替代。在电力传动 领域，先进的异步电动机控制理论和新型大功率电力电子器件的结合，使得交流 异步电动机的驱动系统正成为电气传动的发展趋势。4.1.2 直流电机的基本工作原理一般直流电机的直流励磁绕组设置在定子上，电枢绕组嵌放在转子铁芯槽内，为了引出直流电动势，旋转电枢必须装有换向器，图4-1 (a)为直流电机的模型示意图。当励磁绕组流入直流电流，电机主磁极产生恒定磁场，由原动机带动

3、转子旋 转，电枢导体切割主磁场产生感应电动势，它随时间的变化规律与气隙磁场空间 分布规律一致，因此线圈 abed内是交流电动势，线圈电动势随时间规律性变化， 其波形与气隙磁通密度分布相同， 通常为平顶波， 然而线圈电动势不是直接引 出， 而要通过换向器。电枢导体与换向片固定连接，换向片之间由绝缘体隔开，换向 器随电枢旋转，而电刷是静止不动的，并与外电路相联，这样电刷接触的换向片是不断变化的，图 4-1 (a)中电刷“ 1”总是与N极面下的导体一换向片接触， 同时电刷“ 2”总是与S极面下的导体一换向片接触，根据右手定则，电刷1为“ + ”，电刷2为“一”，电刷极性保持不变，换向器的作用如同全波

4、整流，电刷1、2之间的电动势经换向后为一有较大脉动分量的直流电动势，如图4-1 (b)所示。这就是直流发电机的基本原理。(a)(b)图4-1 直流电机模型(p=1)(a)线圈接至换向极和电刷；(b)线圈中感应电动势的换向当电刷两端接入直流电压，转子电枢绕组中就有电流流过，定子励磁绕组有 直流电流励磁，则带电电枢导体在磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩，使 电枢旋转，电磁转矩的方向与电机转向一致。由于电刷与换向器的作用使所有导 体受力方向一致，此时直流电机作电动机运行。一台直流电机既可作发电机运行，也可作电动机运行，这就是电机的可逆性原理，稍后叙述的同步电机和异步电机亦是如此。4.2直流电机的

5、结构直流电机主要由定子和转子两大基本结构部件组成，定子用来固定磁极和作为电机的机械支撑。 转子有用来感应电动势从而实现能量的转换部件称为电枢和 实现交流电变成直流电的换向器。4.2.1定子部分直流电机的定子由主磁极、电刷装置、机座等组成。直流电机的结构图如图4-2所示。图4-2直流电机的结构1 风扇2 机座3 电枢4 主磁极铁芯5 电刷装置6换向器 7接线板 8 接线盒 9励磁绕组 10 端盖主磁极的作用是产生主磁场。主磁极由磁极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组构成。如图4-3所示。当励磁绕组中通有直流励磁电流时，气隙中会形成一个恒定的主磁场，示意图如 4.4所示。图中磁极下面截面较大的部分称为极靴

6、，极靴表面沿圆周的长度称为极弧，极弧与相应的极距之比称为极弧系数，通常为0.60.7 左右。极弧的形状对电机运行性能有一定影响，它能使气隙中的磁通密度按一定规律分布。电枢旋转时齿、槽依次掠过极靴表面，形成的磁通密度变化会在铁芯中产生涡流和磁损耗，为减少损耗，主磁极铁芯通常用1mm1.5mm厚的导磁钢片叠压而成，然后固定在磁轭上。各主磁极铁芯上套有励磁绕组，励磁绕组之间可串联，也可并联。主磁极成对出现，沿圆周是N、S极交替排列。容量较大的直流电机还有换向极（位于两个主磁极之间的较小磁极），如图4- 4中5为换向极，常用厚钢板或整块钢制成，极上装有换向极绕组，换向极下的空气隙较主磁极下的空气隙大。

7、换向极数目一般与主磁极相同，但是小功率直流电机中，换向极的数目可少于主磁极，甚至不装换向极。4-3主磁极图4-4直流电机的剖面和磁场示意图1 电枢铁芯2 极靴3 磁极铁4磁轭5换向极1 主磁极铁芯2 极靴 3励磁绕组心4绕组绝缘 5机座6螺杆一般直流电机的机座既是电机的机械支撑，又是磁极外围磁路闭合的部分， 即磁轭，因此用导磁性能较好的钢板焊接而成，或用铸钢制成。极座两端装有带 轴承的端盖。电刷固定在机座或端盖上，一般电刷数等于主磁极数。电刷装置由 电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧和汇流条等组成，如图4-5所示。电刷一般用石墨制成，装于刷握中，并有弹簧压住，保证电枢转动时电刷与换向器表面有良好的 接

8、触。电刷装置将电枢电流由旋转的换向器通过静止的电刷与外部直流电路接 通。图4-5电刷装置1电刷 2 刷握 3弹簧压板 4 座圈5 刷杆4.2.2转子部分转子由电枢铁芯、电枢绕组和换向器组成。电枢铁芯是主磁路的组成部分，为了减少电枢旋转时铁芯中磁通方向不断变化而产生的涡流和磁滞损耗，电枢铁芯通常用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，叠片间有一层绝缘漆。见图4-6所示。图中环绕轴孔的一圈小圆孔为轴向通风孔，较大的电机还有径向通风系统，即将 铁芯分为几段，段与段之间留有约为10mm的通风槽，构成径向通风道。电枢铁芯的外缘，均匀地冲有齿和槽，一般为平行矩形槽。（a）（ b）图4-6直流电机电枢铁芯（a）电枢

9、铁芯装配图；（b）电枢铁芯冲片电枢绕组有绝缘导体绕成线圈嵌放在电枢铁芯槽内，每一线圈有两个端头，按一定规律连接到相应的换向片上，全部线圈组成一个闭合的电枢绕组。电枢绕组是直流电机的功率电路部分，也是产生感应电动势、电磁转矩和进行机电能量转换的核心部件，绕组的构成对电机的性能关系密切，其具体连接方法和功能, 将在下一章中讨论。换向器由许多彼此绝缘的换向片组合而成，如图4-7所示。它的作用是将电枢绕组中的交流电动势用机械换向的方法转变为电刷间的直流电动势，或反之。 换向片可为燕尾形，升高部分分别焊入不同线圈的两个端点引线，片间用云母片 绝缘，排成一个圆筒形，目前小型直流电机改用塑料热压成形，简化了

10、工艺，节 省了材料。图4-7换向器结构图1 换向片2 垫圈3绝缘层4套筒5 连接片4.3直流电机的励磁方式直流电机的电路主要有两个部分，一个是套在主磁极铁芯上的励磁绕组，另一个是嵌在电枢铁芯槽中的电枢绕组，此外还有换向极绕组。电机的运行特性与励磁绕组获得励磁电流的方式，即励磁绕组与电枢绕组间的连接方式关系很大， 直流电机按励磁方式可分为他励和自励两大类，自励式又可分为：并励、串励和 复励。直流电机的各种励磁方式如图4-8所示。(a)It(b)c)(d)(e)图4-8直流电机的各种励磁方式（a）他励；（b）并励；（c）串励；（d）复励（长分接）；（e）复励（短分接） 永磁式（1）他励他励式励磁绕

11、组与电枢绕组不相连接，而由另一个独立的直流电源供给励 磁。（2）并励励磁绕组与电枢绕组并联，两个绕组上的电压相等，即电机的端电压。（3）串励励磁绕组与电枢绕组串联，两个绕组中电流相同。（4）复励若两者励磁绕组分两部分，一个与电枢绕组串联，另一个与电枢绕组并联。如串联 绕组所产生的磁动势与并联绕组所产生的磁动势方向相同，称为积复励； 相反，则称为差复励。通常应用的直流电机为积复励。先将串联绕组与电枢绕组 串联，然后再与并联绕组并联，称长分接法复励；反之，先将并联绕组与电枢绕 组并联，然后再与串联绕组串联，称短分接法复励。（5）永磁式永磁直流电动机由永久磁铁提供固定磁通，不再需要外部的电励磁。永磁

12、直 流电机没有励磁绕组及相关的功率损耗，效率较高。 永久磁铁所需要的空间比励 磁绕组所需空间小，电机尺寸较小。 但是永磁直流电机也会受到永磁材料所带来 的限制，如气隙磁通密度较小且不可调，又如永磁材料对温度的敏感性较大等。 但是随着新型永磁材料的发展，如钕铁硼材料的使用，限制会越来越小。4.4 直流电机的额定值直流电机的主要额定值如下：（1） 额定容量功率Pn：单位为 W或kW。直流电机在额定运行条件下使用时输出功率保证值，电动机指输出机械功率，发电机指输出电功率。（2）额定电压UN :单位为V或kV。电机在额定运行条件下出线端的电 压保证值。（3）额定电流lN：单位用A或kA。电机在额定电压

13、运行、输出额定功率 时的出线端电流。（4） 额定转速nN :单位为r/min （转/分）。电机在额定运行条件下的转子 旋转速度（5） 额定励磁电流IfN :单位用A或kA。电机在额定运行时的励磁绕组电 流。（6）额定效率n :电机在额定运行条件下，输出功率与输入功率比值的百 分数。此外，在电动机的铭牌上还标注有额定转矩、重量、绝缘等级、温升、防护 等级等指标，以供安装和检修时参考。小结本章介绍了直流电机的基本构成、结构特点和励磁方式。直流电机的结构特点是有一换向装置， 其由一个换向器和一组电刷组成，通 过它便能使旋转的电枢绕组中的交流感应电动势， 变换成静止的电刷间的直流电 动势，故称为机械换向结构。直流电机由定子和转子两大结构部件组成，电枢绕组是直流电机的核心部 件，当电枢绕组在磁场中旋转时就将产生感应电动势和电磁转矩。直流电机的性能随着励磁方式的不同有很大差异。 直流电机的励磁方式有他 励、并励、串励、复励和永磁式。直流电机的额定值是保证可靠工作和优良运行性能的依据。 特别是运行人员要十分重视额定值的含义。习题4-1 简述直流电机的各主要部件。为什么电枢铁芯要用硅钢片叠成，而磁轭却可用铸钢或钢板制成？4-2“直流电机实质上是一台