1、直流电机的基本结构
DC电机的结构可以分为两部分：静止的部分称为定子，旋转的部分称为转子(也叫电枢)。图2-1和图2-2分别是DC电机的纵向和横向示意图。
图2-1 DC电机纵剖面示意图
图2-2 DC电机横截面示意图
DC电机的定子部分包括底座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等。转子包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇和转轴。
1.主磁极
图2-3是DC电机主磁极的示意图。主磁极用于产生气隙磁场，使电枢表面的气隙磁通密度沿空间按一定波形分布。主磁极包括主磁极铁芯和励磁绕组。主磁极铁芯由厚度为1 mm ~ 1.5 mm的低碳钢片叠压而成，励磁绕组由圆形或矩形纯铜绝缘电磁线制成。每个磁极的励磁绕组串联成一个回路，以保证每个主磁极的励磁绕组的电流相等。
大型DC电机在极靴上开槽，补偿绕组嵌在槽内，与电枢绕组串联，抵消极靴内电枢反应磁动势，从而减小气隙磁场畸变，改善换向，增加电机运行可靠性。
1-主磁极铁芯；二极靴；3-励磁绕组；
4绕组绝缘；5-机器底座；
6-螺丝图2-3主磁极示意图
1-换向器芯；双换向器绕组
图2-4换向器电极示意图
2.换向器极
也叫附加极，用于改善DC电机的换向性能，其工作原理将在2.7节介绍。换向器由换向器芯和换向器绕组组成。其铁芯一般由1毫米~ 1.5毫米厚的低碳钢薄板迭片制成。换向绕组必须与电枢绕组串联。因为要通过的电枢电流很大，所以它通常由较厚的矩形截面导体制成。图2-4是换向极的示意图。换向器安装在两个相邻的主极之间，其数量一般与主极数量相等。小功率DC电机可能不配备换向极。
3.机器底座
DC电机的底座用于固定主极、换向极、端盖等。电机借助脚固定在底座上。同时，DC电机的底座是磁极之间的磁通路径(称为磁轭)，所以采用导磁性好、机械强度高的铸钢或厚钢板，而不是铸铁。
4.电枢铁芯
电枢是用来传递磁通量和嵌入电枢绕组的，电枢绕组是主磁路的一部分。因为转子在定子主磁极产生的恒定磁场中旋转，所以电枢铁芯中的磁通量是交变的。为了减少涡流和磁滞损耗，通常层压两面涂有绝缘漆的0.5毫米硅钢片。冲片上有均匀分布的槽和轴向通风孔，用于嵌入电枢绕组。
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。较小的DC电机的电枢绕组用圆形电磁线缠绕，而大多数DC电机的电枢绕组用矩形绝缘线缠绕形成异形线圈，然后嵌入电枢铁芯的槽中，如图2-5所示。它必须与线圈铁芯以及上下线圈之间适当绝缘。为了防止电枢旋转时的离心力，绕组在槽内的部分用绝缘槽楔固定，而伸出槽外的端子部分用非磁性钢丝紧固在线圈支架上。
6.整流器
换向器是DC电机独特的关键部件，它将电枢绕组内部的交流电势转换成电刷之间的DC电势。换向器的质量将直接影响DC电机的运行可靠性。换向器由许多相互绝缘的铜板组成，称为换向板，并具有各种结构形式。图2-6是一个常见的例子。从图中可以看出
刷子装置由刷子、刷柄、刷杆和刷杆座组成，如图2-7所示。电刷放在刷握上的刷盒内，电刷由弹簧压紧，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接触良好。电刷装置与换向器配合，将旋转的电枢绕组与静止的外部电路连接起来。
(a)刷握和刷子
(b)刷装置图2-7
刷子装置示意图
8.气隙
定子和转子之间的气隙是主磁路的一部分，其大小直接影响运行性能。由于气隙磁场是由DC励磁产生的，所以DC电机的气隙比异步电机大得多，小型DC电机为1 ~ 3 mm，大型DC电机为1~3mm。
2、直流电机的工作原理
DC电机的工作原理可以用最简单的DC电机模型来说明，如图2-8所示。DC电动机可分为电动机运行和发电机运行。
1.电机操作
在图2-8中，N和S是定子主极DC励磁产生的恒定磁场。当DC电压U加在电刷A和B之间时，如果电刷A接电源的“+”极，电刷B接电源的“-”极，则外部电流I将通过电刷A及其接触换向器进入绕组元件abcd。如果元件中的电流为ia，ia的方向将是从A刷到A刷，与ia磁场相互作用产生电磁力F，其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会产生电磁转矩TEM，方向为逆时针方向。当电磁转矩TEM大于负载转矩T2和空载转矩T之和时，在电磁转矩TEM的作用下，电枢以速度N逆时针旋转。同时旋转的电枢绕组切割出一个恒定的磁场，感应电动势E，根据右手定则确定方向，正好与ia相反。
图2-8 DC电机的工作模式
转动180位置后，电刷A仍通过换向器与N极下的元件边缘相连，因此ia的方向在空间上不变。
即从刷a d c b 刷a b，电磁转矩TEM还是逆时针方向，所以n不变。但是，ia相对于abcd改变了方向。因此，当DC马达作为马达运行时。
它具有以下特点：
(1)电刷之间的外加电压U和外部电流I为DC。通过换向器和电刷的作用，每个电枢线圈中流过的电流ia变成交流电，同时产生的感应电动势E为交流电。
(2)元件中感应电动势E与电流ia方向相反，故E称为反电动势。
(3)固定电刷(如电刷A)只在某一极性(N极)下与导体连接。因为导体在一定极性下的电动势和电流的方向是恒定的，电枢电流产生的磁场在空间上也是固定的。
(4)电磁转矩TEM起驱动作用，即N与TEM同向，所以只要电机的外接电源持续供给，电机就会有持续的电磁转矩TEM来驱动生产机械或设备。但是，只有一个部件的电机产生的电磁转矩是脉动的。所以在实际电机中，圆周面上均匀分布着许多凹槽，有相当多的元件嵌在凹槽中，这样得到的电磁转矩TEM基本不变。
2.发电机运行
发电机运行时DC电机的工作模式如图2-9所示。图中DC负载外接在电刷A和B之间，电机由原动机拖动逆时针旋转。在图中所示的时刻，元件侧ab的感应电势方向是从B到A，元件侧cd的感应电势方向是从D到C，
元件中电流ia的方向为B刷 D C B A ;A刷，元件的边缘ab和cd产生电磁力F，电磁力F作用在电枢圆周的切线方向上会产生电磁转矩TEM，该转矩为顺时针方向，与电机的旋转方向相反。转动180后，方向
(1)每个电枢线圈中流过的电流ia为AC，同时产生的感应电势e为AC。
(2)电刷之间存在DC电势，而元件中的感应电动势E和电流ia方向相同。
(3)电枢电流产生的磁场在空间上也是固定的。
(4)n与电磁转矩TEM相反，起制动作用。
3、直流电机的励磁方式
励磁方式是指在励磁绕组中获得励磁电流的方式。分励、并联励、串联励和复合励，复合励又分为积复合励和差复合励。当DC电机采用不同的励磁方式时，电机的运行性能差别很大。以电机为例。
1.他激动了
励磁绕组和电枢绕组在电路中互不相连，两个独立的DC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。永磁体制成的主磁极也可以看作是一种他励。
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，一般来说，励磁绕组的匝数大，截面积小，所以IF比IA小很多。
2.并激
励磁绕组与电枢绕组并联，由同一个DC电源U供电，如图2-10(b)所示。由于励磁回路自成一体，一般与其他励磁相同，励磁电流较小，励磁绕组匝数较多。对于并联DC电机，电源提供的线电流I=Iaif。
3.串联激励
励磁绕组与电枢绕组串联，如图2-10(c)所示。因此，当DC电机运行时，电源提供的线电流I、电枢电流Ia和励磁电流IF相等，即I=Ia=If。由于电枢电流大，串联绕组的截面积大，匝数少。
4.复合激励
同时具有并联绕组和串联绕组的称为复合励磁，如图2-10(d)所示。并联绕组和电枢绕组并联后与串联绕组串联，称为短复励，如图2-10(d)中虚线所示；串联绕组和电枢绕组串联后与并联绕组并联，对应图2-10(d)中的虚线，称为长复励。复励短路时，流过串联绕组的电流为=I；带长复合励磁，IS=Ia。但无论是短复合激励还是长复合激励，I=Ia If。
图2-10 DC电机的励磁方式
根据产生的磁动势相互叠加的结果，复合励磁分为积复合励磁和差复合励磁。例如，Nf匝并联绕组产生的磁动势为FF=IFNF，ns匝串联绕组产生的磁动势为FS=ISNS。复合励磁时，fs和ff方向相同，总励磁磁动势f=ff fs；
复合励磁时，fs与ff方向相反，总励磁磁动势 f=ff-fs。两种复合励磁DC电动机的运行特性有很大不同。DC电机不采用差动复合励磁，而是采用差动复合励磁发电机作为DC焊机。
4、直流电机的额定值
额定值是电机制造商根据国家标准在规定的工作条件(即额定工作条件)下规定的一些数值。主要额定值通常标在电机的铭牌上。
DC汽车公司的主要评级是：
(1)额定功率PN是指DC电机的输出功率，单位为w或kw。
(2)额定电压UN是指额定状态下电机出口端的电压，单位为v。
(3)额定电流IN是指额定状态下电机出口处的电流，单位为a。
(4)额定转速nN是指DC电机转轴上的速度，单位为转/分。
此外，DC电机的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等描述电机特性的内容。额定效率N、额定转矩TN、额定温升N等。通常是没有标记的。
返回
