第五节直流电动机

第五节直流电动机一、直流电动机的结构直流电动机主要由定子（固定部分）和电枢（旋转部分）两大部分组成。

图4-28直流电动机的结构图。

下面就一些主要的部件分别予以介绍。

1、定子定子主要部件包括主磁极、换向磁极、机座、端盖和电刷装置等。

1）主磁极主磁极的作用是产生主磁场。

主磁极结构如图4-29所示。

绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。

主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。

一般主磁极铁心采用低碳钢板冲成一定形状叠装固定而成。

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。

套在主磁极铁心上的励磁绕组根据其不同的使用情况分为两种：一种是并励绕组；一种是串励绕组；并励绕组的匝数多、导线细，串励绕组的匝数少、导线粗。

整个主磁极再用螺杆固定在机座上。

2）换向极在相邻的主磁极之间装有换向磁极，它也是由铁心和绕组构成。

其作用是改善换向，使电机运行时，在电刷与换向器的接触面上不致产生有害的火花。

3）机座直流电机的机座有两个作用：一是构成主磁路的一部分，机座中作为磁路通路的部分称为磁轭，二是对电动机起到支撑作用，主磁极和换向极固定于磁轭上。

4）电刷装置电刷装置的作用是将转动的电枢(转子)中的电压和电流引出来，或将外加电源的电流输入到转动的电枢中去。

电刷是主要由石墨做成的导电块，放在刷握中，由弹簧机构施以一定的压力使其压在换向器表面上，电机运行时与换向器表面形成滑动接触，电刷上焊的铜丝辫引出或引入电流。

如图4-30所示。

电刷的组数即电刷杆数一般与主磁极的极数相等，各刷杆装在一圆形的可以转动的刷杆座上，刷杆座固定在一端的端盖上。

2、转子（电枢）直流电机的转子，它是电机实现机电能量转换的枢纽，所以常称之为电枢。

电枢部分包括电枢铁心、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一部分，又要嵌放电枢绕组。

为了减小铁心损耗，电枢铁心一般由涂有绝缘漆的0.5mm厚的硅钢片冲压后叠压而成，硅钢片边缘冲有槽口，叠成圆柱体后外表面形成许多均匀分布的槽，槽内嵌放着电枢绕组。

图4-31为小型直流电机的电枢冲片和电枢铁心示意图。

·电枢绕组电枢绕组由许多个完全相同的线圈按一定的规律连接组成并连接到换向片上，使绕组本身连成有两个引出端的串并联电路。

每个线圈分上下两层放在电枢铁心的槽内，上下层间及线圈与电枢铁心间都要妥善地绝缘。

线圈嵌好后，槽口要用竹制或胶木制的槽楔封好，以免在转动时线圈受离心力的作用被甩出来。

3）换向器换向器也是直流电机中的关键部件之一。

在直流发电机中换向器将线圈中的交流电转换为直流，在直流电动机中换向器将电源的直流电转换为线圈中的交流电。

如图4-33所示，换向器它由许多梯形铜片组成，片间用云母片绝缘，外表呈圆柱形。

换向片和云母片组成的圆筒两端用V型云母套筒和V型金属压圈压紧，以使其成为一个整体并保证其绝缘性能，这样就构成了一个换向器。

将换向器装到转轴上，每个电枢线圈的首端和尾端的引线分别焊入相应换向片的升高片内。

功率较大的直流电机还装有风扇，加强散热冷却。

3、直流电机的励磁方式直流电机的性能与它的励磁方式有密切的关系。

按励磁电流供给方式的不同，直流电机可分为他励和自励两大类，其中自励直流电机又分为并励、串励和复励三种。

它们的线路如图图4-34所示。

·他励方式所谓他励是指主磁极磁场绕组的励磁电流由另外的直流电源供电。

他励直流电动机广泛用于需要宽调速的拖动系统中，如龙门刨床等。

·并励方式并励电机的励磁绕组与电枢绕组并联。

其励磁绕组匝数较多，导线截面较小，电阻较大，励磁电流只为电枢电流的一小部分（通常约为百分之几）。

并励直流电动机基本上是一种恒定转速的电动机，必要时可以调速，因此一般用于拖动转速变化较小的负载，如金屑切割机床，球磨机等。

专门设计的并励调速电动机可在较大范围内平滑调速，用于轧钢机、造纸机等。

·串励方式串励电机的励磁绕组与电枢绕组串联，其励磁电流与电枢电流相等。

因电枢电流较大，所以励磁绕组的导线截面较大，匝数较少。

串励电动机起动转矩和过载能力较大，同时转速随负载变化明显。

当负载转矩增大时，电动机转速会自动下降，但输出功率变化不大。

适应于城市电车、电力机车、叉车、起重机、电梯等电力牵引设备中。

·复励方式复励电机有两个励磁绕组，一个与电枢并联，一个与电枢串联。

当两励磁绕组产生的磁通方向相同时，磁通可以相加，这种电机称为积复励电机。

当两励磁绕组产生的磁通方向相反时，合成磁通为两磁通之差，这种电机称为差复励电机。

复励发电机中多以并励磁通为主，串励磁通只是一少部分，复励电动机中有时以并励为主，有时以串励为主。

以并励为主的复励电动机具有较大的转矩，但转速变化不大，主要用于冲床、刨床、印刷机等。

以串励为主的复励电动机具有与串励电动机接近的特性，但没有“飞车”危险，常用于吊车、电梯中。

小容量直流电机的励磁也有采用永久磁铁的。

直流电动机的额定电压有110、220、330、440V等。

目前我国推广应用的直流电动机是Z4系列，它适合用硅整流器供电，采用F级绝缘。

与过去的Z2系列相比，具有效率高、噪声低、体积小、重量轻等优点。

二、直流电动机的工作原理1、基本工作原理图4-35是直流电动机的工作原理图。

在固定的磁极中间放着电枢，其铁心外表面嵌放着电枢绕组。

绕组的两个引出端分别与两个相互绝缘的换向器片连接。

外加电源通过两只固定的电刷(A，B)分别与换向器片紧密接触，向绕组供给直流电。

因固定电刷A(正极)总是与N极下的线圈边接触，电刷B(负极)总是与S极下的线圈边接触。

在图示a)的直流电机中，给A、B的电刷上加上直流电源，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受到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成一个转矩，使得转子逆时针转动。

如果转子转过180°在图示b)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。

从上述分析可以看出，转子上外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在转子线圈中流过的电流是交变的，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，以减小电动机电磁转矩的波动。

2、直流电动机的反电动势和电磁转矩电枢旋转后，绕组的线圈边又因切割磁力线而产生感应电动势，用右手定则判断，它的方向与绕组中的电流方向是相反的，称为反电动势，记作Ea。

反电动势Ea与每极磁通Φ和电动机的转速n成正比：（4-16）式中，Ke为电动势常数，由电机结构决定。

直流电动机运转时，电枢中的电流为式中，U是外加电压，Ra是电枢绕组的电阻。

于是得（4-17）这是直流电动机的电压平衡方程式，显然Ea<U。

上式两边乘以电流Ia，即得功率平衡方程：（4-18）式中，EaIa称为电磁功率，它转化为电动机的机械功率，如果不计摩擦损耗，它也就是电动机的输出功率。

RaIa2是电枢绕组的铜损耗。

UIa是电源供给的电功率（不计铁损耗）。

直流电动机的电磁转矩Tem与每极磁通Φ和电枢电流Ia成正比：（4-19）式中，KT为转矩常数，取决于电机结构。

3、直流电动机的自适应运行过程当直流电动机的励磁绕组和电枢绕组同时接入直流电源时,电枢绕组在主磁极磁场作用产生电磁力，继而产生电磁转矩Tem，当Tem大于转轴上的机械负载阻转矩TL 时，电动机起动并加速旋转，当Tem=TL时，电动机以某一转速n稳定运转。

若机械负载转矩由TL增至TL’，这时电磁转矩Tem小于TL’,转速立即下降，因Ea=KeΦn，所以电枢的反电动势Ea随之减小。

又因为U＝Ea+RaIa，且外加电压U是定值，所以Ea的减小引起电枢电流Ia的增加，而Tem=KTΦIa也随之增大，直到跟负载转矩重新平衡，即Tem＝TL’时，电动机的转速就不再下降，而以较低的转速n’稳定运转。

如果负载减小，变化过程与上述相反，电动机最后将以较原来高一些的转速稳定运转。

综上所述，直流电动机的稳定运行状况取决于负载的大小；当负载发生变化时，电动机转速、电流、转矩都将自动地作相应的变化。

转速公式可由式(4-16)和(4-17)得出（4-20）式中，Ra是电枢电路的电阻。

三、直流电动机的起动、调速和反转1、起动电动机起动的瞬间，转速n＝0，故Ea＝KeΦn＝0，此时电枢电流称为起动电流，记作Ist,由式得（4-21）由于电枢电阻Ra很小，因此起动电流可达额定值的（10-20）倍，会损坏换向器和电枢绕组等，并使供电线路的电压下降。

因此，起动时可降低加在电枢绕组上的电压，或在电枢电路中串联起动变阻器，以限制起动电流。

现以并励电动机为例说明串接起动变阻器的起动过程：起动前先检查励磁电路是否接通，并将串接在励磁电路中的磁场变阻器Rf置于阻值为零的位置，以便得到较大的励磁电流和主磁通，从而产生较大的起动转矩(图4-36所示电路)。

起动时，应将串接在电枢电路中的起动变阻器置于阻值(Rst)最大的位置，以限制起动电流。

只要起动转矩大于负载阻转矩，电动机便加速旋转；由于转速增加，反电动势变大，电枢电流变小。

为了保持一定的加速净转矩，电机加速过程中，必须将起动变阻器的电阻Rst逐段切除。

起动完毕时，起动变阻器的全部电阻均已切除，电动机即进入正常运转状态。

2、调速由转速公式(4-20)看出，直流电动机的调速方法有三种：1）电枢串接电阻在电枢电路中串联调速变阻器Rs，用以增加电枢电路的电阻，使转速降低。

设Ra表示电枢绕组的电阻，则降低后的转速为改变Rs可调节转速n。

这种调速方法只能在额定转速nN以下作比较均匀的调节。

这种调速方法消耗能量较多，故不经济；并且轻载时Ia很小，故调速范围较小。

但方法简便，因此在容量不大的直流电动机中应用较多。

2）弱磁调速在并励或他励电动机的励磁电路中串联调速变阻器Rf(即磁场变阻器，见图4-37)，用来调节励磁电流If以改变磁通Φ。

If、Φ减小时，转速增加；Ｉf、Φ增大时，转速降低。

由于Ｉf通常很小，故变阻器耗能较少，这种调速方法经济、方便，故应用很广。

但是Ｉf只能在小于最大励磁电流(磁场变阻器置于阻值为零时的励磁电流)的范围内调节，也就是说，Φ只能在小于额定值ΦN的范围内进行调速(故称弱磁调速)，所以，这种调速方法只能在额定转速nN以上作均匀调速，且只能作辅助调速用。

3）降低电源电压直流电动机常由单独的可调整流装置供电。