直流电动机讲义

第一章直流电动机1.1直流电动机的基本工作原理与结构1.1.1直流电动机的基本工作原理直流电动机的简化模型示意图中：Ｎ、Ｓ为固定不动的定子磁极，ａｂｃｄ是固定在可旋转导磁圆柱体上的转子线圈，线圈的首端ａ、某端ｄ连接到两个相互绝缘并可随线圈一同转动的导电换向片上。

转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷实现的。

在定子与转子间有间隙存在。

若把电刷Ａ、Ｂ接到一直流电源上，电刷Ａ接电源的正极，电刷Ｂ接电源的负极，此时在电枢线圈中将有电流流过。

电流始终从A端流入从B端流出。

设线圈ａｂ边位于Ｎ极下，线圈的ｃｄ边位于Ｓ极下，则导体每边受电磁力。

导体受力方向由左手定则确定。

位于Ｎ极下的导体ａｂ受力方向为从右向左，而位于Ｓ极下的导体ｃｄ受力方向为从左向右。

该电磁力与转子半径之积即为电磁转矩，该转矩的方向为逆时针。

当电磁转矩大于阻转矩时，线圈按逆时针方向旋转。

当电枢旋转过180°时，原位于Ｓ极下的导体ｃｄ转到Ｎ极下，其受力方向变为从右向左；而原位于Ｎ极下的导体ａｂ转到Ｓ极下，导体ａｂ受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。

这样虽然导体中流通的电流为交变的，但Ｎ极下的导体受力方向和Ｓ极下导体所受力的方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。

实际直流电机的电枢是根据应用情况需要有多个线圈。

线圈分布于电枢铁心表面的不同位置，并按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。

磁极Ｎ、Ｓ也是根据需要交替放置多对。

电枢绕组通电后也会产生磁场，称之为电枢磁场。

电枢磁场会对定子励磁磁场有一定影响。

１２ 1.1.2 直流电动机的基本结构直流电动机由定子和转子两大部分组成，定子与转子之间有空隙，称为气隙。

定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷、出线盒等装置；转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部件。

端盖起防护作用，端盖上装轴承，把转子固定在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀旋转；轴承用来支撑转子轴；出线盒保护和固定绕组的引出线端子；风扇则是通风和冷却电动机。

下面介绍直流电动机主要部件的作用与基本结构。

1.1.2.1 定子部分① 机座机座即可以固定主磁极、换向极、端盖等，又是电机磁路的一部分（称为磁轭）。

机座一般用铸铁或厚钢板焊接而成，具有良好的导磁性能和机械强度。

② 主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场，由主磁极铁心和主磁极绕组（励磁绕组）构成。

主磁极铁心一般由1.0ｍｍ～1.5ｍｍ厚的低炭钢板冲片叠压而成，包括极身和极靴两部分。

机靴做成圆弧形，以使磁极下气隙磁通较均匀。

极身上面套有励磁绕组，绕组中通入直流电流。

整个磁极用螺钉固定在机座上。

主磁极换向极电 刷③换向极换向极用来改善换向，由铁心和套在铁心上的绕组构成。

换向极铁心一般用整块钢制成，如换向要求较高，则用1.0ｍｍ～1.5ｍｍ厚的钢板叠压而成，其绕组中流过的是电枢电流。

换向极装在相邻两主极之间，用螺钉固定在机座上。

④电刷装置电刷与换向器配合可以把转动的电枢绕组电路和外电路连接并把电枢绕组中的交流量转变成电枢端的直流量。

电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆架、弹簧、铜辫构成。

电刷组的个数，一般等于主磁极的个数。

如果换向器表面不平整、不清洁，换向片之间有绝缘突出，电刷与换向器接触压力不适当，或由于电磁原因等造成换向不理想，在电刷处会产生火花。

减小附加电流就会减小火花，即要减小换向绕组的合成电动势。

因电刷放在几何中心线上，换向绕组只切割电枢磁场，因此在该处用换向磁极产生一个与电枢磁场反方向的换向磁场，使换向绕组切割该磁场产生的旋转电动势正好可以抵消换向元件切割电枢磁场产生的合成电动势。

1.1.2.2转子部分①电枢铁心电枢铁心是电机磁路的一部分，其外圆周开槽，用来嵌放电枢绕组。

电枢铁心一般用0.5ｍｍ厚、两边涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成。

电枢铁心固定在转轴或转子支架上。

铁心较长时，为加强冷却，可把电枢铁心沿轴向分成数段，段与段之间留有通风孔。

电枢铁心换向器②电枢绕组电枢绕组是直流电动机的主要组成部分，其作用是感应电动势。

通过电枢电流产生感应电动势，进而产生电磁转矩，它是电动机实现机电能量转换的关键。

通常用绝缘导线绕成的线圈（或称元件），按一定规律连接而成。

③换向器换向器是由多个紧压在一起的梯形铜片构成的一个圆筒，片与片之间用一层薄云母绝缘，电枢绕组各元件的始末端与换向片按一定规律连接。

换向器与转轴固定在一起。

３1.1.3直流电动机的铭牌数据电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据规定了电机的正常运行状态和条件，通常称之为额定运行情况。

凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。

额定值一般都标注在电机的铭牌上，所以也称铭牌数据，它是正确合理使用电机的依据。

直流电机的额定值主要有下列几项：P：指转轴上输出的机械功率，单位为W或KW；①额定功率NU：指输入额定电压，单位为V；②额定电压NI：指电机在额定电压下，运行于额定功率时的电流值，单位为A；③额定电流Nn：指对应于额定电压、额定电流，电动机运行于额定功率时所对应的④额定转速N转速，单位为r/min。

电动机在实际应用时，是否处于额定运行情况，则要由负载大小来决定。

一般不允许电动机超过额定值运行，因为这会降低电机的使用寿命，甚至损坏电机。

但是电机长期处于低负载下工作，则没有得到充分利用，效率降低，不经济。

所以应根据负载情况合理选用电机，使电机接近于额定运行情况运行，才经济合理。

1.2直流电动机的电枢反应直流电动机的磁场是由主磁极产生的励磁磁场和电枢绕组电流产生的电枢磁场合成的一个磁场，直流电动机的运行特性在很大程度上取决于该磁场特性。

因此，研究直流电动机的磁场十分必要。

1.2.1直流电动机的空载磁场空载是指电动机电枢中没有通入电流，因为电流反映负载的情况，所以空载意味着电动机轴上没有连接机械负载。

直流电动机空载运行时，其电枢电流等于零或近似等于零。

因而空载磁场可以认为仅仅是励磁电流通过励磁绕组产生的励磁磁通势所建立的。

在四极电机空载时磁场分布图中，当励磁绕组通入直流电流后，主磁极产生磁场，４５以Ｎ、Ｓ极间隔均匀地分布在定子内圆周上，此时只有励磁磁通势单独建立的空载磁场。

由于每对磁极下的磁通所经过的路径不同，根据它们的作用可以分为两类，其中占绝大部分的磁通是从主磁极的Ｎ极出来经过气隙进入电枢的齿槽、电枢的磁轭，然后达到电枢铁心另一边的齿槽，再穿过气隙，进入主磁极的Ｓ极，通过定子磁轭回到Ｎ极，形成闭合磁回路。

这部分磁通同时交链励磁绕组和电枢绕组，是直流电动机进行电磁感应和能量转换所必须的，称为主磁通Φ。

此外，还有一小部分磁通从Ｎ极出来后并不进入电枢，而是经过气隙直接进入相邻的磁极或磁轭，它对电动机的能量转换工作不起作用，相反，使电动机的损耗加大，效率降低，增大了磁路的饱和程度，这部分磁通称为漏磁通σΦ，一般()15~20%σΦ=Φ。

主磁场在电机中的分布情况为图（ａ）所示：按照图中所示的励磁电流方向，应用右手螺旋定则，便可确定主极磁场的方向。

在电枢表面上磁感应强度为零的地方是物理中性线ｍ－ｍ（物理中性线是磁感应强度为0的地方，图中上面是N →S ，下面也是N →S ，在中间S 和N 相互抵消，磁感应强度为0），它与磁极的几何中性线ｎ－ｎ重合。

1.2.2 直流电动机的电枢磁场直流电动机在带负载运行时，电枢绕组中有电流通过产生电枢磁场。

电枢磁场与主极磁场共同在气隙里建立合成磁场。

图（ｂ）就是电动机的电枢磁场，它的方向由电枢电流确定（右手螺旋定则）。

由图可以看出，不论电枢如何转动，电枢电流的方向总是以电刷为界限来划分的。

在电刷两边，Ｎ极面下的导体和Ｓ极面下的导体电流方向始终相反，只要电刷固定不动，电枢两边的电流方向就不变，电枢磁场的方向不变，即电枢磁场是静止不动的。

根据图上的电流方向用左手定则可判断该电动机旋转方向为逆时针。

６1.2.3 电枢反应所谓电枢反应是指电枢磁场对主磁场的影响，电枢反应对电动机的运行性能有很大影响。

如图（ｃ）所示为主极磁场和电枢磁场和在一起而产生的合成磁场。

与（ａ）比较可见由于带负载后出现的电枢磁场，对主极磁场的分布有明显的影响。

电枢反应对磁场的影响如下。

（１） 电枢反应使磁极下的磁力线扭斜，磁通密度分布不均匀，合成磁场发生畸变。

磁场畸变的结果，使原来的几何中性线ｎ－ｎ处的磁场不等于零，磁场为零的位置，即物理中性线ｍ－ｍ逆旋转方向移动α角度，物理中性线与几何中性线不再重合。

（２） 电枢反应使主磁场削弱，电枢磁场使每一个磁极下的磁通势发生变化，如Ｎ极下的左半部分主极磁通势被削弱，右半部分的主极磁通势被增强。

每极下的合成磁通量仍应与空载时的主磁通Φ相同。

1.3 直流电动机的电枢电动势和电磁转矩1.3.1 直流电动机的电枢电动势电枢绕组处在磁场中转动时将产生感应电动势，称电枢电动势。

电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是每条支路里的感应电动势。

每条支路所含的元件数是相等的，而且每个支路里的元件都是分布在同极性磁极下的不同位置上的。

这样，先求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁通密度的平均感应电动势，再乘上一条支路里的总的导体数，就是电枢电动势。

一根导体中的感应电动势a e 可通过法拉第电磁感应定律求得，其表达式为a a e B Lv =，式中a B 是一个主磁极下的平均气隙磁通密度，a B 与每极主磁通Φ（有效导体在一个极距范围内的磁通，也可以描述为磁密与面积的积）的关系是a B L τΦ=，由此得到a B L Φ=。

线速度v 可以表示为260n v p τ=，式中τ为极距；ｐ为极对数；ｎ为电枢转速；Ｌ为导体的有效长度。

2p τ则为每转所经过的距离。

将260n v p τ=和a B L τΦ=代入a a e B Lv =可得到260z n e p =Φ。

每条支路中的感应电动势为'260a a e e N pN E e n C n C n a a==Φ=Φ=。

ａ为电枢并联支路对数。

式中，'60e pN C a =为电动势常数，当电机制造好后仅与电机结构有关。

Ｎ为电枢导体总数。

'e e C C =Φ。

７1.3.2 直流电动机的电磁转矩当电枢绕组中有电枢电流流过时，通电的电枢绕组在磁场中将受到电磁力，该力与电机电枢铁心半径之积称为电磁转矩。

一根导体在磁场中所受电磁力的大小可用下式计算：a a a f B Li =（安培定律），式中，2a d i I a =为一根电枢导体中流过的电流；d I 为电枢总电流。

一根电枢导体产生的电磁转矩为2a a T f D =⋅，总的电磁转矩为2222d em a a a a a I D D D T NT Nf NB Li B L N a ==== 将a B L τΦ=代入上式可以得到'2em d T d T d pN T I C I C I aπ=Φ=Φ= 式中'T C 为转矩常数，也是仅与电机结构有关；2p D τπ=为电枢铁心直径；'T T C C =Φ。