直流电动机结构、分类及工作原理

一、直流电动机的结构

直流电动机由定子、转子以及其他零部件组成。图1-11是直流电动机结构简图。

图1-11 直流电动机的结构

1. 定子

直流电动机的定子是产生电动机磁场的部分，由机座、换向极、主磁极等部分组成。

（1）机座。直流电动机的机座主要是保护与支撑结构，并且还是电机磁路的重要组成部分。它一般用铸钢材料，因此具有良好导磁性及机械强度。

（2）主磁极。由主极铁芯和套在它上面的激磁绕组组成（见图1-12），它用来产生主磁场的。主磁极包括极身和极靴两部分，极靴较极身宽，使磁极下面的磁通分布较均匀。磁极用螺钉固定在机座上。激磁绕组由电磁线绕制而成，它是一个集中绕组，绕制在线框架上，然后套在磁极铁芯上。激磁绕组通入直流电后即在电极中产生主磁通。主磁极的数目可分2极、4极、6极和8极等。

（3）换向极，如图1-13所示，其作用是改善电动机的换向，使电机运行时电刷下不产生有害的火花。换向极装在两主极中央，数目与主磁极相同或为其1/2。换向极铁芯多采用扁钢，铁芯上套装换向极绕组，换向极绕组与电枢串联，其极性根据换向要求确定。

图1-12 主磁极                         图1-13 换向极

2. 转子

转子即电枢部分，它由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风叶等组成。

（1）电枢铁芯。电枢铁芯是一个具有均匀分布齿、槽的圆柱体，电枢铁芯的作用是通过磁通和嵌放绕组。

（2）电枢绕组。电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流使电机实现能量转换。电枢绕组由许多个完全相同的绕组元件，以一定的规律连接而成。

（3）换向器。换向器是直流电机的关键部件，它将绕组内的交流转换为电刷间的直流，因而又称整流子。换向器的结构如图1-14所示。它由若干个铜片即换向片图1-14（a）所示的排成圆筒形，然后用钢质V形套筒和V形环与换向片相配合，紧固成一个整体而成。

图1-14 换向器结构

（a）换向片；（b）换向器

3. 其他部件

（1）电刷。换向器通过电刷与外电路相连。电刷装置包括电刷、刷握、刷杆和刷杆座等（见图1-15）。电刷放在刷握上的刷盒中，用弹簧压在换向器上。刷握用螺钉夹紧在刷杆上，按电流大小，每一刷杆上的导线用汇流条接在一起，并用导线引到出线盒内的接线板上。电刷组的数目一般等于主磁极的数目，各相邻电刷组在换向器表面上的距离应是相等的。电机正常运行时，电刷应有一个正确位置。为便于调整电刷位置，刷杆都装在同一个可以转动的刷杆座上，电刷位置调整合适后，就可以把刷杆座用螺钉固定住。刷杆与刷杆座之间是绝缘的。

（2）端盖。一般用铸铁制成，由前端盖和后端盖两部分组成，端盖通常作为转子的支撑和安装轴承用，而大型电机的轴承是装在轴承座上的。

图1-15 电刷装置

（a）电刷及刷握；（b）刷杆及刷杆座

二、直流电动机的分类及型号

1. 直流电机的分类

直流电机按励磁方式可分为他励式和自励式。他励式直流电动机的磁场，励磁电流由另外独立的直流电源供给（见图1-16），励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。在自励电机中按励磁绕组与电枢绕组连接的方法不同，又可分成并励、串励及复励三种励磁方式，如图1-17（a）所示，其为并励式直流电机，励磁绕组与电枢绕组并联。

图1-17（b）为串励式直流电机，励磁绕组与电枢绕组串联。图1-17（c）为复励绕组与电枢绕组串联。若并励与串励绕组的磁势相加，称为积复励，若相减称为差复励。

            图1-16 他励直流           图1-17  自励直流电机电路图

                电机电路图             （a）并励；（b）串励；（c）复励；

2. 直流电动机的型号

直流电动机的型号表示电机属于哪一类型，它往往用字母与数字组合一起表示，例如，Z2C-12。

大型直流电动机直接用电枢铁芯直径和铁芯长度来表示。

三、直流电动机的铭牌

表1-5是直流电动机的铭牌，下面对其含义分别作介绍。

表1-5 直流电动机铭牌

1. 型号

前已介绍，这里从略

2. 额定功率

指电动机在预定情况下，长期运行所允许的输出功率，单位一般以千瓦表示。

3. 额定电压

是指正常工作时，加在电动机两端的输入电压。它的单位用V表示。

4. 额定电流

额定电流指电动机在额定运行时的线端电流，用安（A）表示。

5. 额定转速

额定转速指电动机在额定运行时的转速，用转/分（r/min）表示。

6. 励磁

表示励磁方式

7. 额定励磁电压

表示加在励磁绕组两端的额定电压，单位是伏（V）。

8. 额定励磁电流

表示在额定励磁电压下，通过励磁绕组上的额定电流，单位是安（A）。

9. 定额（工作方式）

是指电机在正常使用时持续的时间，一般分连续、断续与短时3种。

10. 额定温升

表示电动机在额定情况下，电动机所允许的工作温度减去环境温度的数值，单位是（℃）。

四、直流电动机的工作原理

1. 并励直流电动机的工作原理

图1-18是并励直流电动机运行时的电路图。当电机接上电源后，直流电流将沿互相并联的励磁电路和电枢电路分两路前进，电机的总电路I等于励磁电流I_C和电枢电流I_S之和，即

I=I_C+I_S

图1-18 并励直流电动机电路图

励磁电流I_C流过主磁极励磁绕组，使电机产生磁场，由于并励直流电动机励磁绕组的电阻较大，而励磁电流比较小，通常仅为额定电流的1%~5%。电枢电流Is流过的电枢绕组与主磁极的磁场相互作用，使电枢绕组导线受到电磁力的作用，从而产生电磁转矩M，驱动电枢旋转。电磁转矩与磁通Φ和电枢电流I_S之积成正比，即

式中：C_M是与电动机结构有关的一个常数。

电动机在电磁转矩作用下发生旋转，且当电枢旋转时，电枢绕组不断切割磁通Φ，产生感应电动势E。感应电动势E的大小与磁通Φ及电枢转速n之积成正比，即

式中：C_E是与电机结构有关的常数。

这个电动势的方向与电枢电流方向相反，因而称之为反电动势。在电枢电路中，由于反电动势E的存在，因而有

式中：R_S为电枢电阻。

因此可导出电动机运转时的电枢电流为

当电动机空转时，电磁转矩与空载转矩M₀相平衡。所谓空载转矩，包括电刷与换向器之间的摩擦阻力和整个转子转动摩擦及风动阻力造成的反抗转矩。当电动机拖到生产机械工作时，反抗转矩中除空载转矩外，主要是生产机械作用在电机转轴上的反抗转矩M₂。当电磁转矩M₁与反抗转矩M_f=M₀+M₂平衡时，电动机以转速n稳定运行。

如果负载增大，M_F上升到M’_F，起初电磁转矩M还没有来得及变化，M＜M_f因而失去平衡，转速n便开始下降。由于n下降，反电动势E=C_EΦn也随着下降。当电源电压U保持不变时，电枢电流势必增大，从而转矩M=C_MΦI_S也要增大，最后增大到M’=M’_F，即平衡，此时电动机转速n’不再下降，电动机在新的状态下稳定运行，但是这新的状态的电磁转矩M’比原先M大，而转速n’比原先n小。用同样分析可知，若电动机负载减小即M_F下降到M’’_F时，电动机最后将以比原来低的转速n’’和比原来大的电磁转矩M’’稳定运行。

由此可见，直流电动机的运行情况取决于机械负载的大小。当负载变化时，电动机的转速、电流、转矩都将发生变化，以达到新的平衡。

并励直流电动机的机械特性，即电动机在额定电压和励磁电路电阻保持不变的条件下，转速与转矩之间的关系。这是电动机最重要的工作特性。

在上述条件下，如励磁电流I_C和每极磁通Φ也保持不变。

从上式可以看出，并励直流电动机的转速，将随转矩的增加而近似直线地下降，但由于电枢电阻R_S很小，转速下降得很小，如图1-19所示，从空载到满载，转速得下降通常只为额定转速n的5%~10%，机械特性较硬，基本上是一种恒速电动机。

并励电动机应用很广，在转速需要保持恒定或需要在较广的范围内进行调速的生产机械中，都采用并励电动机来拖动，如大型车床、龙门刨床和某些冶金机械等。

使用并励电动机时，切忌在电动机运转时断开励磁电路，造成励磁电流等于零，主磁极上仅有很少的剩余磁通，反电动势很小，电枢电流将急剧增加，转速也将急剧增加，大大超过电机的额定转速，造成严重的“飞车”事故。电动机空载时，励磁绕组断开，最容易发生“飞车”。

图1-19 并励电动机的机械特性

2. 串励直流电动机的工作原理

如图1-20所示，串励电动机的特点是励磁绕组与电枢绕组相串联，励磁电流I_C、电枢电流I_S和电动机从电源吸取的总电流I是一个电流，即

外加电压

式中：R_C为励磁绕组的电阻。

由于励磁电流就是电枢电流，每极磁通Φ将随着电枢电流变化而变化。当电动机磁路尚未饱和时，可以认为主磁极Φ与I_S成正比。这样电磁转矩M将和电枢电流I_S的平方成正比，即

这说明串励电动机的启动转矩和过载能力都较大，这是串励电动机的一个特点，串励电动机的另一个特点是转速n随输出功率P₂的增大而迅速下降。由E=C_EΦn和U=E+I_S（R_S+R_C），可导出转速的公式为

由于串励电动机的励磁电流I_C和电枢电流I_C相等，当负载增加，即要求输出功率P₂增加时，I_S增大。这一方面使总电压降I_S（R_S+R_C）增大，另一方面使磁通Φ增大，它们都会使转速降低，因此转速随负载增加而急剧下降。图1-21是串励直流电动机的机械特性曲线，即转矩M与转速n的关系曲线。当负载增加时，电动机转速n下降，因而反电动势E下降，导致电枢电流I_S增大，从而电枢转矩增加，与新的反抗转矩达到新的平衡，电动机再次稳定运行。

图1-20 串励直流电动机接线图                  图1-21 串励直流电动机的机械特性曲线

串励电动机的转速随转矩增加而下降的特性称为软特性，它特别适用于起重设备。例如，负载轻时，电动机的转速高，以提高生产率；负载重时，转速低，以保证安全。

串励电动机使用时，不允许空载运行，所有启动时至少要带20%~30%的额定负载。

3. 复励直流电动机的工作原理

复励直流电动机的接线如图1-22所示。为保证电机的稳定运行，复励直流电动机通常接成积复励，及时串励绕组和并励绕线的磁势是相加的。

复励电动机由于既有并励绕组又有串励绕组，所以其工作特性介于并励直流电动机和串励直流电动机之间。而当并励绕组作用大于串励绕组时，复励电动机的工作特性就接近于并励电动机。所不同的是，并励电动机中去磁的电枢应使转速趋于上升，而在并励绕组起作用的复励电动机中，当电枢反应的去磁作用较强时，仍使转速随输出功率上升而下降，从而保持电动机的稳定运行。因此复励电动机中的串励绕组又称为“稳定绕组”。串励绕组起主要作用的复励电动机，其工作特性接近于串励电动机，但在空载时，不会发生飞车的危险。

图1-22 复励直流电动机接线图

五、直流电动机的接线

直流电动机接线前要仔细核对电源电压是否与铭牌标称电压一致，并认清电动机出线端标志。国家标准中对直流电动机绕组出线端标志规定见表1-6。

表1-6 直流电动机绕组出线端标志

接线要按照规定，一定不可接错，并要保证接线牢固，不得在运行中脱落或断开，否则会引起事故。各类直流电动机的内部接线关系及在出线板上出线端的标志情况如图1-23、图1-24、图1-25所示。

图1-23 并励电动机的接线

图1-24 串励电动机的接线       图1-25 复励电动机的接线