2直流电机的结构与工作原理

直流电机篇主要内容直流电机的作用原理和结构直流电机的电磁关系直流电机的运行性能直流电机的起动等直流电机是电机的主要类型之一，直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用。用作直流发电机，直流发电机将机械能转化为直流电能；作为直流电动机，直流电动机将直流电能转化为机械能，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用；还可做作励磁机，一般小于10万kW即100MW的单机同步发电机要用直流发电机作为励磁机；用作信号传递，直流测速发电机将机械信号转换为电信号，直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。由于直流电机存在换向器，其制造复杂，维护困难，价格较高，加之几年来变流器的快速发展，大有取代直流发电机的趋势。但直流电机具有突出的优点：直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小；直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑；直流电动机过载能力较强，热动和制动转矩较大，因此仍得到广泛的应用。为了提高直流电机的可靠性，延长电机寿命，除了在电机结构上不断改进，使其能长期可靠的运行外，国际上一直致力于发展各种无刷电机，如无刷直流电机、永磁直流电机。永磁材料在直流电机中的普遍应用已是必然趋势。我国稀土资源丰富，为我国永磁电机的发展提供了良好的条件。第十八章直流电机的基本工作原理与结构第一节直流电机的基本工作原理一、直流发电机的工作原理及物理模型一般直流电机是磁极固定，电枢旋转的结构。为了理解直流电机的工作原理，如图是一台直流发电机的物理模型，固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了电枢绕组线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷A和B。当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。电机内部的固定部分要有磁场。这个磁场可以是如下图示的磁铁，也可以是磁极铁心上绕套线圈，再通过直流电产生磁场。磁极铁心上绕套的线圈每个磁极上有一个，也就是，电机有几个磁极就有几个励磁线圈，这几个线圈串联（或并联）起来就构成了励磁绕组。这里要注意各线圈通过电流的方向不可出错。设原动机拖动转子以每分钟n转的速度转动，线圈的导体ab和cd分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应电动势，其大小与磁通密度B、导体的有效长度l和导体切割磁场速度v三者的乘积成正比，即，其方向用右手定则判断。因为电刷A通过换向片引出的电动势始终是切割N极磁力线的线圈边的电势，所以电刷A始终有正极性。同样道理，电刷B始终有负极性，所以电刷能引出方向不变但大小变化的脉动电动势。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。BlveδδBlvBe导体感应电势但此电势在零和最大值之间脉动，波动太大，不能做直流电源。两线圈串联后的合成电势与原有线圈相距90电角度再设置一个线圈，其两端各接有换向片，并与原有换向片A、B相距90电角度，换向器包含4片换向片，相邻换向片间各相距90电角度。当电枢旋转时，两个线圈的感应电势在时间相位上相距90电角度增加导体减小感应电势脉动。当每极下导体数大于8时，脉动可小于1%。直流发电机实质是带换向器的交流发电机二、直流电动机的原理对直流电机发电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。直流电动机的工作原理归结如下：将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。电机内部有磁场存在。载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用f=Blia（左手定则）所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分)旋转，以便拖动机械负载。一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。第二节直流电机的基本结构直流电机都是由固定的定子和旋转的转子（又称电枢）两大部分组成，如图18-9，每一部分也都由电磁部分和机械部分组成，以便满足电磁作用的条件。图18-9直流电机的结构装配图一、定子部分定子的主要部件有主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。如图18-10。（一）主磁极主磁极的作用是建立主磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成，如图18-11。直流电机定子励磁绕组和串换向极后的电枢绕组出线定子机座换向极铁心换向极绕组主磁极铁心主磁极绕组（励磁绕组）换向极绕组与励磁的串联接线图18-10直流电机定子主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N、S极交替出现。（二）机座机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。（四）端盖端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。（三)换向极换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。（五）电刷装置电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，图18-13所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。电刷刷辫电刷刷握汇流条二、转子部分直流电机的转动部分称为转子，又称电枢。转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等，如图18-14。（一）电枢铁心电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如图18-15所示。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。轴端盖电枢铁心电枢绕组和槽碶电枢绕组端部换向器轴承图18-14直流电机的转子电枢铁心电枢绕组电枢铁心冲片(0.35-0.5mm厚)（硅钢片）涂绝缘漆冲片叠压而成均匀开槽图18-15直流电枢的铁心模型（二）电枢绕组电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘，并用槽楔压紧，如上图。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。（三）换向器在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成，如图所示。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。三、励磁方式直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接，就决定了它是什么样的励磁方式。如图所示，以直流电动机为例有四种励磁方式。（一）它励直流电机这种电机的励磁电流是由另外的直流电源供给，如图（a），其特点是励磁电流If与电枢电压U及负载电流I无关。（二）并励直流电机这种电机的励磁绕组与电枢绕组并联，如图（b），其特点是励磁电流If不仅与励磁回路电阻有关，还受电枢端电压U的影响。（三）串励直流电机这种电机的励磁绕组与电枢绕组串联，如图（c），其特点是励磁电流If电枢电流I相等，电枢电流变化励磁电流就变化，串励电机极少采用。（四）复励直流电机这种电机的励磁绕组即有并联线圈，又有串联线圈，串励绕组和并励绕组共同接在主极上，并励匝数较多，串励匝数较少，如图（d）。所以具有串励和并励电机的特点。若串、并励磁势方向相同为积复励（常用），若串、并励磁势方向相反为差复励第三节同步发电机的额定值与型号一、额定值额定值是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。（一）额定功率PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以W为量纲单位。若大于1kW或1MW时,则用kW或MW表示。对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN（二）额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，以V为量纲单位。（三）额定电流IN指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以“A”为量纲单位。（四）额定转速nN指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。（五）额定励磁电流If指电机在额定状态时的励磁电流值。在实际运行时，电机各物理量在额定值时的运行，称为额定运行。电机处于额定运行状态，具有良好的性能，工作可靠。当电机电流小于额定电流时的运行，称为欠载运行，电机长期欠载，效率不高，造成浪费；当电机电流大于额定电流时的运行，称为过载运行，长期过载，使电机过热，降低使用寿命甚至损坏电机。所以额定值是选择电机的依据，应根据实际使用情况，合理选择电机容量，使电机工作在额定运行状态。二、国产电机主要型号国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示。（一）Z2系列Z2系列是普通中小型直流电机。例如：“Z2-72”表示直流电动机、第二次改进设计型，“7”表示机座号，7后面的2表示长铁芯（