直流电机工作原理、结构、励磁方式、额定值

直流电机的工作原理和结构直流电机是本课程学习的最后一种机种，在前面讲述变压器、异步电机、同步电机的过程中，我们不断地采用了归纳、类比、找出异同点的讲授方法，是希望大家通过这样的学习，能逐步训练自己掌握一种善于不断归纳、总结；善于采用类比、比较、找出异同点的学习方法，这种分析问题、解决问题的方法不但对学习电机、对学习其他课程、甚至对将来参加工作都是十分有用的，这是一种良好的学习、工作、生活方法和习惯。

在学习直流电机过程中，我们继续尝试采用这样的方法。

直流电机分直流发电机和直流电动机，其中：直流发电机是把机械能转变为直流电能、直流电动机是把直流电能转变为机械能。

与前面介绍过的各种电机比较，它们各有异同之处：1.由于发电机都是把机械能转变为电能，因此机械转矩都是驱动转矩、电磁转矩都是制动转矩，因此直流发电机的转矩平衡方程式将与交流（同步）发电机相同，均为：T 1＝T +T 0；所对应的功率平衡方程式也将相同：P 1＝P M ＋P 0；其中：T 1＝119550P P n =Ω；T ＝9550M M P P n =Ω； T 0＝009550p p n=Ω；n 是转子转速，对同步机n ＝n 1。

相异的只是P M 的表达式有所不同。

同理，由于电动机都是把电能转变为机械能，因此电磁转矩都是驱动转矩、机械转矩都是制动转矩，因此直流电动机的转矩平衡方程式应与异步电动机、同步电动机相同，均为：T ＝T 2+T 0；其中：T 2＝229550P P n =Ω；T 0＝009550p p n =Ω；n 是转子转速；T ＝119550M M P P n =Ω，n 1是转子旋转磁场的转速，对直流机和同步机也是转子转速，相异的同样是三种机种的P M 表达式各有区别。

比如：已学过的异步机P M ＝''2223r I s ；隐极同步机P M ＝3 U 1 I 1cos φ＝3；而直流电动机的将为：P M ＝E a I a 。

2．由于无论任何旋转机种，电磁转矩都是电磁力乘以半径，电磁力就是载流导体在磁场中所受的力，因此异步机的电磁转矩物理表达式'221cos T m T C I φϕ=ΩM P ＝与直流机的电磁转矩表达式T m a T C I φ=ΩM P ＝也是极为相似。

相异的只是交流电流只有其有功分量'22cos I ϕ才能产生转矩，而直流电流I a 并无有功、无功分量之分。

3．我们曾提到过异步机和变压器都是属单边励磁的，即只有原边或定子接电源，副边和转子都不接电源，因此它们之间从感应电势表达式到等值电路、方程式、相量图都有很多相似之处。

而同步电机和直流电机都是双边励磁的，即定子和转子都接电源，因此它们的磁场也有很相似之处。

它们其中一边都是电枢磁场、另一边都是主极磁场，当电机空载时，都只有主极磁场；当电机负载时，除了有主极磁场外还有电枢磁场，电枢磁场对主极磁场的影响都称之为电枢反应，因此同步机有电枢反应，直流机也将有电枢反应。

相异的是：同步机的电枢是交流的，直流机的电枢是直流的，交流磁场与直流磁场的电枢反应性质是不同的。

此外，同步机的定子是电枢、转子是主磁极；直流电机刚好相反：定子是主磁极、转子是电枢。

在学习直流电机的过程，提请大家注意上述归纳总结的异同点。

一．直流电机的工作原理（一）直流发电机工作原理看如图的电机模型：空间有一对固定不动的磁极，中间有一个旋转的铁磁圆柱体，上 面敷设着一个线圈abcd发电机是把机械能转变为电能，当原动机拖动铁磁圆柱体旋转时，线圈导体就会切割磁力线感生电势。

若圆柱体旋转的方向为逆时针，当ab边在N极下时，据右手定则，感应电势方向从d →c→b→a；若带上负载电阻R AD，电阻的A端固定接线圈a端，D端固定接线圈d端，则负载电流方向从A→D，如图蓝色箭头方向。

当圆柱体转过1800以后，cd边转到N极下，则据右手定则，感应电势方向从a→b →c→d，由于负载电阻的A端固定接线圈a端，D端固定接线圈d端，则负载电流方向从D→A，如图红色箭头方向。

可见，由负载得到的是交流电流而不是直流电流。

ab边在N极下时——线圈电势d→c→b→a——负载电流A→Dcd边在N极下时——线圈电势a→b→c→d——负载电流D→A原因是：由于磁极的极性没有变、原动机旋转方向没有变，由右手定则可知，N极下的导体电势肯定都是指出来、S极下的电势肯定都是指进去的。

因此，在电机旋转过程中，每条线圈边在转过N极和S极时电势都要交变一次，即线圈中的电流其实是交流电流。

故若把电阻负载的两端固定接线圈的两端，负载所得到的自然同样是交流电流。

为了使流经负载的电流为直流，唯有令负载的一端固定接N极下的导体，负载的另一端固定接S极下的导体，即无论哪根导体转到N极下，这根导体就接到负载A端，无论哪根导体转到S极下，这根导体就接到负载的D端。

要实现这个目的必须借助电刷和换向器，如图：线圈a端和d端分别接到两片相互绝缘的铜片上，称之为换向片，所有换向片随电机轴旋转称为换向器。

电刷是固定不动的，令负载电阻的A端固定接电刷A，负载电阻的D端固定接电刷D。

则加上电刷和换向器后，ab边在N极下时——线圈电势d→c→b→a——负载电流A→Dcd边在N极下时——线圈电势a→b→c→d——负载电流A→D可见：虽然线圈的电流仍为交流，负载的电流却是直流。

因此，直流发电机的工作原理是：导体切割磁力线感生电势，通过电刷和换向器的作用，使负载的一端固定接N极下的导体，而负载的另一端固定接S极下的导体，从而使电机虽然线圈中的电流是交流，在负载却得到了直流电。

（二）．直流电动机工作原理仍然是上图的电机模型，电动机是把电能转变为机械能。

若直流电源的正极固定接线圈的a端，负极固定接线圈的d端，当ab边在N极下时，线圈通入如蓝色箭头方向的直流电流a→b→c→d，根据载流导体在磁场中受电磁力的作用，方向符合左手定则，则电磁力为逆时针方向；当线圈逆时针转过1800以后，cd边转到N极下，由于a端固定接正极，d端固定接负极，故线圈的电流方向如红色箭头示a→b→c→d，由左手定则可知，线圈所受的电磁力为顺时针方向；即线圈所受的电磁力方向是交变的，故线圈只能来回晃动，不能单方向旋转。

ab边在N极下时——线圈电流a→b→c→d——电磁力逆时针cd边在N极下时——线圈电流a→b→c→d——电磁力顺时针原因是：磁极的极性没有变，要想产生单方向的电磁力，同一极性下导体的电流一定要是单方向的。

如今由于线圈a端固定接电源正极、d端固定接负极，则ab边转到N极下时，电流是从N极流进S极流出，但当ab边转到S极下时，电流又变成从S极流进N 极流出，因而产生的电磁力就是交变的了。

解决办法也是采用电刷与换向器。

同样是线圈a端和d端分别接到两片相互绝缘换向片上，换向器随电机轴旋转。

电刷固定不动，电源正极固定接电刷A，电源的负极固定接电刷D。

则加上电刷和换向器后，ab边在N极下时——线圈电流a→b→c→d——电磁力逆时针cd边在N极下时——线圈电势d→c→b→a——电磁力逆时针可见：线圈的电流是交流，但产生的电磁力是单方向的。

因此，直流电动机的工作原理是：载流导体在直流磁场中受电磁力的作用，通过电刷和换向器，使得同一极性下的导体电流为单方向，从而产生单方向的电磁力，通过上面的讨论，还可以得出这样的结论：1．直流电机线圈中的电势、电流是交流，只有电刷两端的电势、电流才是直流，因此直流电机实质上是带电刷和换向器的交流电机。

电刷与换向器配合，在直流发电机中相当于整流器的作用：把线圈的交流电整流为电刷两端的直流电；在直流电动机中相当于逆变器的作用：把电刷两端的直流电逆变成线圈中的交流电。

2．直流发电机和直流电动机的模型完全相同，从原理上来说，一台直流电机既可以作发电机运行，也可以作电动机运行，只是能量传递的方向不同。

如果由原动机带动电机旋转发出直流电，输出到直流电网，把机械能转变为电能，这时电机运行在发电状态；如果降低原动机的转速，直至电机电流反向，变成直流电网向电机供电，电机反要拖动原来的原动机旋转，把直流电能转变为机械能，此时电机运行在电动状态。

这种同一台电机既可作发电机运行也可作电动机运行的原理，称为电机的可逆性原理。

二．直流电机的结构由直流电机的模型可看到，它跟其它旋转电机一样分定子和转子两大部分，定、转子之间是气隙。

（一）.定子1．主磁极直流电机的主磁极既可以是永久磁铁也可以是直流电励磁，为了使主磁通在气隙中分布更合理，极靴部分比极身部分要宽些，如图。

2．换向极由直流机的工作原理可知。

电机线圈里的电流是交流，通过电刷和换向器才把之变为电刷两端的直流。

因此每根导体在经过电刷前和经过电刷后电流要反一次向，我们把这个过程称之为换向。

电流的交变会在线圈电感中感生电势di Ldt ，由此产生的换向电流会建立电磁能量212Li ，在换向结束时这些能量会以火花的形式从电刷后放出来，火花会使电刷和换向器表面损坏，严重时将使电机不能正常工作。

装置换向极的目的就是为了减少火花，改善换向。

换向极装在两个磁极中间，即几何中性线处，换向极绕组与电枢绕组串联。

3．机座机座一方面起支承定子的作用，另方面是电机主磁路的一部分。

4．电刷装置（二）.转子（称为电枢）1．电枢铁心电枢铁心是电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组。

由于直流电机线圈中的电流是交流，为了减少交变磁通在铁心中产生的铁耗，与其它机种一样，电枢铁心采用0.5mm 厚的相互绝缘的硅钢片叠压而成。

2．电枢绕组实际的电枢绕组由很多线圈按一定规律绕成。

3．换向器实际的换向器由很多换向片构成，每片之间互相绝缘。

根据直流电机的结构，直流机的线路图如图所示：三．直流电机的励磁方式与同步电机不同，由于直流电机的定子和转子、即主磁极和电枢(电枢绕组是各线圈通过换向片串联起来的，是一个闭合绕组)流经的都是直流电流，因此主磁极励磁绕组既可与电枢绕组并联、也可与电枢绕组串联、也可单独由其它直流电源供电。

根据主磁极励磁电流的获得方式不同，称之为不同的励磁方式。

直流电机有4种不同的励磁方式：1．他励：励磁绕组由其它独立电源供电特点：电网电流＝电枢电流，即I＝I a。

如图分别为他励直流发电机和电动机的线路图：2．并励：励磁绕组并在电枢绕组两端,注意并励发电机和电动机的电流关系是不同的。

并励直流发电机：电机发出的电枢电流I a须提供一小部分给励磁绕组作励磁电流I f，其余的输出到电网：I a＝I+I f并励直流电动机：电网提供的电流小部分供给励磁绕组，其余的送入电枢绕组：I＝I a + I f 3．串励：励磁绕组串在电枢回路特点：不论电动机还是发电机：I= I a = I f4．复励：有两个励磁绕组，一个串在电枢回路、一个并在电枢绕组两端。