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；直流电机篇用作信号传递，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，交流电机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21章 直流电机的基本工作原理与结构 第一节直流电机的工作原理直流电机的物理模型 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，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。一.直流发电机的工作原理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。直流发电机的工作原理 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。直流发电机原理图 要注意某一根转子导体的电势性质是交流电。而经电刷输出的电动势却是直流电，但此电势在零和最大值之间脉动，脉动太大，如右图所示，不能做直流电源。两线圈串联后的合成电势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 。两线圈串联的合成电势 两线圈串联的合成电势如右图所示，脉动幅值减小了。 电枢导体数增加，如右图，可以减小感应电动势脉动幅值。 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%。导体数增加后感应电动势脉动很小直流发电机实质是带换向器的交流发电机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，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。直流电动机的原理图 如果转子转到如图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，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。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。三三.直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理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。第二节直流电机的结构 直流电机都是由固定的定子和旋转的转子（又称电枢）两大部分及气隙组成。定子部分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直流电机定子1）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。主磁极结构 换向极结构 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11.5mm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。2）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。3）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。4）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。5）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20-12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。刷辫刷辫刷辫刷辫电刷电刷电刷电刷刷握刷握刷握刷握汇流条汇流条汇流条汇流条四极直流电机的电刷转子部分轴轴轴轴端盖端盖端盖端盖电枢铁心电枢铁心电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组电枢绕组电枢绕组和槽碶和槽碶和槽碶和槽碶电枢绕组电枢绕组电枢绕组电枢绕组端部端部端部端部换向器换向器换向器换向器轴承轴承轴承轴承直流电机的转子 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。1）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。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。电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组电枢铁心冲片电枢铁心冲片 厚厚) （硅钢片）（硅钢片）涂绝缘漆冲涂绝缘漆冲片叠压而成片叠压而成均匀开槽均匀开槽直流电枢的铁心模型 2）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。3）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。换向器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。第三节 直流电机的额定值直流电机运行时，若各物理量都与额定值相同，称为额定运行状态或额定工况。额定功率额定功率（W或kW）指电机在额定状态时的输出功率。对于电动机，是指轴上输出的机械功率；对于发电机，是指出线端输出的电功率额定电压额定电压（V）指额定状态下电枢两端的电压额定电流额定电流 （A）指电机在额定电压下输出额定功率时的电流额定转速额定转速（r/min）指电机在额定状态下的转速额定励磁电压额定励磁电压 （V）(仅对他励电机)指额定状态下的励磁电压在实际运行时，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。补）国产直流电机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。（1）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（2号表示长铁芯，1号表示短铁芯）。该系列直流电机有发电机、调压发电机、电动机等。其工作方式为连续的。电机仅用于正常的使用条件，即非湿热地区，非多尘或无有害气体场所，非严重过载或无冲击性过载要求的情况下。系列容量范围从0.4220kW，采用E级和B级绝缘。新设计的Z4系列电动机，可以取代Z2、Z3系列直流电动机。（2）ZZJ系列ZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机，适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。该系列电动机的传动惯量低、过载能力大，速度反应快。因而能经受快速而频繁的起动、制动与反转。其它系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手册中查到。电枢绕组是直流电机的电磁感应的关键部件之一，是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽，它由若干绕组元件和换向器组成。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠等。第四节 直流电机的电枢绕组电枢绕组大的分类为环形和鼓形，环形绕组只曾在原始电机用过，现代直流电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在绝大部分用鼓形绕组。下面只介绍最简单的单叠和单波绕组，后图为单匝和两匝的单叠和单波绕组。直流电枢绕组元件 一.直流电枢绕组的特点直流电枢绕组一般做成双层，它是由结构相同的绕组元件（简称元件）构成。每个元件有两个放在槽中切割磁力线而感应电动势的有效边，称为元件边。元件在槽外的部分（电枢铁心的两端）一般只作为连接引线，称为端接（或端部），连接换向器的端接称为前端接，则另一端接称为后端接。元件的两个引线头可分别称为元件的头和尾。为了便于元件在电枢槽内的嵌放，应当使每一个元件的一个有效边在下层边，称下元件边，另一个有效边在上层边，称上元件边，如图所示。元件在槽内的嵌放 槽、换向片与线圈编号配合 元件的头尾接在不同的换向片上，元件按上层边编号，槽号与元件的上层边编号一致，与上层边相连的换向片的编号与上层边的编号也一致，如图所示。直流电枢绕组一个主要特征是闭路绕组，相邻元件的头和尾相联，每一头尾节点与一个换向片相联，在闭路内部电动势相量和为零，故不产生环流。为了改善电机的性能，获得尽可能大的感应电动势和电磁转矩，希望较多的元件组成绕组，但由于工艺，电枢铁心开槽数有限，而且要产生足够强的气隙磁场，铁心表面也不能开太多的槽，故解决的办法只能是尽可能在每个槽的上、下层多放几个元件边。每槽每层的元件边数为，把每层中的一个元件边定义为一个虚槽，则每个实槽中有个虚槽，设Z为实槽数，Z为虚槽数，则Z=Z=2槽内元件的放置因为每一个元件有两个元件边，而每一片换向片同时接有一个上元件边和一个下元件边，所以元件数S一定与换向片数K相等；又由于每个虚槽也包括上、下层两个元件边，即虚槽数也与元件数相等，即S=K= Z二.绕组节距电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来实现的，直流电枢绕组的节距有第一节距y1、合成节距y、换向节距yk和第二节距y2等四种，单叠绕组的节距。单叠绕组 1.第一节距y1第一节距y1定义为同一元件的两有效边在电枢表面的跨距，一般多用跨过的虚槽表示，为得到较大的感应电动势和电磁转矩，节距y1最好等于或者接近于一个极矩，则y1=时称为整矩绕组，y1时称为长矩绕组，y1时称为短矩绕组。短矩绕组端接较短，用铜量较少，故用得较广。y1一定要为整数，否则无法嵌线，若y1不是整数则取式中为小于1的分数，用来把y1凑成整数。2.第二节距y2第二节距y2为与同一换向片相连的两个元件中第一个元件下层边到第二个的元件上层边在电枢表面的距离。对于叠绕y2取负值，对于波绕y2取正值。3.合成节距y合成节距y为相串连的两元件对应边在电枢表面的距离。其大小也用虚槽数表示，合成节距表示每串联一个元件后绕组在电枢表面前进或后退多少虚槽数，不同类型绕组的差别主要表现在合成节距上，有y=y1+y24.换向节距yk换向节距yk为一个元件的首尾端在换向器上的距离，用换向片片数表示，合成节距与换向片节距在数值上总是相等，即y=yk三.单叠绕组单叠绕组又称并联绕组，从外形上看元件依次重叠放置，单叠绕组的特点是合成节距和换向节距都等于1，即y=yk=1，下面举例说明单叠绕组的连接方法，包括单叠绕组连接规律的节距、绕组展开图、并联支路图。【例2-3】已知直流电机2p=4，S=K=Z=16，绕制一单叠右行整距绕组。解：1.单叠绕组的节距与连接顺序单叠右行y=yk=1虚槽数=1整距第二节距y2=y1-y=3为了画绕组展开图，可先编制一绕线顺序表，用来表示各元件边的串联次序，根据元件上层边编号与槽编号相同，下层边的编号用对应编号加撇表示，上层边与下层边相连用实线连接，两元件通过换向片相连用虚线表示。单叠绕组在接线时，先将绕组元件、槽及换向片编号，从第1号换向片出发，接1号元件上层边，往后跨过y1=4槽接5号下层元件边5，至前接2号换向片；从二号换向片接2号元件上层边，依次循环，组成一个闭合绕组。单叠绕组的连接顺序单叠绕组的连接顺序 2.绕组展开图绕组展开图，它是假设把电枢从某一齿中心沿轴线切开并展开成一带状平面，上层边用实线表示，下层边用虚线表示，磁极放在绕组的上面。单叠绕组展开图 设N极的磁力线进入纸面，各磁极在圆周上的位置必须是均匀对称，左上方箭头为电枢的旋转方向，元件边的箭头表示，根据右手定则确定的感应电动势的方向，由此可得电刷位置的正负如图所示。相邻两主磁极的中心线称为电枢的几何中性线，基本特征是电枢空载时此处的径向磁场为零，故位于几何中性线上的元件边的感应电动势为零，如图中的元件1、5、9、13中的元件边。对于端接对称的绕组，元件的轴线应画为与所接的两片换向片的中心线重合。如图20-23中元件1接换向片1、2，而元件的轴线为槽3中心线，故换向片1、2的分隔线与槽3的中心线重合，换向器的大小应画得与电枢表面的槽距一致。根据连接可以完成展开图的绘制。3.电刷的放置单叠绕组的电路图如图所示，图中把每个元件用一个线圈表示，并用箭头表示元件中的感应电动势方向，全部元件串联构成一个闭合回路，其中1、5、9和13元件在图中瞬间感应电动势为零。这四个元件把回路分成了四段，每段串联三个电动势方向相同的元件。由于对称关系，这四段电路中的感应电动势大小相等，方向两两相反，所以整个闭合回路电动势刚好为零，电枢绕组内部不会产生环流。单叠绕组电路图 如果在电动势为零的元件1、5、9和13所连接的换向片间依次放置电刷A1、B1、A2、B2，并且空间位置固定，则不管电枢和换向器转到什么位置，电刷A1、A2的电位恒为正，电刷B1、B2的电位恒为负。正、负电刷是电枢绕组支路的并联点，二者之间的电动势最大。如果电刷偏离图20-24所示的位置一个换向片，那么每段电路串联的四个元件中，只有两个电动势同方向，另外一个电动势为零，一个被短接，显然正、负电刷间的电动势减小了；同时被电刷短接的元件电动势不为零，会产生短路，造成不良后果，如恶化换向、增加损耗、严重时损坏元件。电刷放置原则 因此，电刷放置的一般原则是确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大，或者说，被电刷短路的元件中的电动势为零。对于端接对称的元件，电刷也就放置在主极轴线下的换向片上。对于端接不对称的元件，电刷应移过与换向器轴线偏离主极轴线相同的角度，即电刷与换向器的几何中性线要保持重合。所谓换向器的几何中性线是指电动势为零的元件所接两换向片间的中心线，所以电刷固定放在换向器的几何中性线上。4.绕组的并联支路4极单叠绕组，经B到A，有四条支路并联接上负载。当电枢旋转时，虽然各元件的位置随之移动，构成各支路的元件循环替换，但任意瞬间，每个主极下的串联元件总是构成一条电动势方向的支路，总的并联支路数不变，即等于主磁极数，在直流电机中，通常用 a 表示并联支路对数，则单叠绕组 a = p 或 2a =2 p所以单叠绕组并联支路数恒等于电机极数。四.单波绕组单波绕组的特点是将同极下的各元件，按一定规律串联起来形成一条支路。这种绕组串联的元件相隔约两个极距，即y=K/p2，元件的第一节距与单叠绕组一样，要求接近于极距y12，单波绕组的换向节距式中若取负号，称为单波左行；若取正号，称为单波右行，右行绕组的前端接部分交叉，且端接线较长，故常采用左行绕组。单波绕组下面举例说明单波绕组的连接方法和特点。【例2-4】已知直流电机2p=4，S=K=Z=15，绕制一单波左行整距绕组。解：1.单波绕组的节距与连接顺序单波左行虚槽数=1短距y1=Z/2p-=3第二节距y2=y-y1=7-4=3据此元件的连接次序，从第1号换向片出发接1号元件上层边1，往后跨过y1=3槽接4号下层元件边4，至前接1+yk=1+7=8号换向片；再接2号元件上层边，依次循环，组成一个闭合绕组。单波绕组的连接顺序单波绕组的连接顺序 2.绕组展开图根据连接次序表可画出展开图，如图所示，第一个元件的上层边接换向片1，其下层边接到换向片8。要使其端接线对称：每一元件所接的换向片如1和8，对称的位于该元件轴线的左右两边，即两换向片的中心线与元件轴线重合，因此，电刷势必也就放在主极轴线下的换向片上。单波绕组展开图 3.电刷位置单叠绕组电刷固定放在换向器的几何中性线上，这也适合于单波绕组。为此把“换向器的几何中性线”的意义扩充：当元件轴线与主极轴线重合时，该元件所接两换向片之间的中心线即换向器的几何中性线。其物理意义仍是：当电刷几何中心线与几何中性线重合时，被电刷短路的元件中的电动势为零。对于端接对称的绕组，无论是叠绕还是波绕，由于换向器的几何中性线总是与主极轴线重合，因此，电刷就应该放在主极轴线下的换向片上。4.绕组的并联支路如图所示的4极单波绕组的电路连接图，可更清楚地看出所有元件的连接次序、电动势分布和电刷的位置。图中可见，全部元件并联成两条支路，每条支路串联着六个同方向的电动势，一路为元件8、15、7、14、6、13相串联，这些元件的上元件边位于S下面；另一路为元件2、10、3、11、4、12相串联，这些元件的上元件边位于N下面，使支路电动势最大且相等。当电枢旋转时，各元件的位置虽然随时间变化，构成支路的串联元件也会交替变化，但从电刷侧看，同极下的所有元件串联成一条支路，即两条并联支路的结构始终保持不变。单波绕组电路图 也就是说，单波绕组的并联支路数与主极数无关，只有两条并联支路，即 a =1或2a =2由于单波绕组只有两条并联支路，理论上只需两组电刷，一组正电刷和一组负电刷即可，这样并不影响支路数和刷间电动势的大小。但当电枢电流一定时，电刷组少则每组电刷的电流密度将增大，同时增加了换向器的长度，多费铜，故一般仍安装与极数相等的电刷组数，称为全额电刷。