直流电机的基本结构和工作原理

电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电磁转矩，把这部分磁通称为主磁通，用Φ表示。
此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或定子磁轭形成闭合回路，这部分磁通仅与励磁绕 组相匝链，称为漏磁通，用φσ表示。
主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，漏磁通磁路的气隙较大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁动势是 相同的。
与电刷A接触的导体总是位于N极下，与电刷B接触的导 体总是位于S极下,电刷A的极性总是正的，电刷B的极性 总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。
实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律 连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。
第三节 直流电机的电枢绕组
一、直流电机电枢绕组的一般介绍 元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。 元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。
极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。
t= D 2p
叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。
3）电刷数等于磁极数； 4）电枢电动势等于支路感应电动势； 5）电枢电流等于两条支路电流之和。
第四节 直流电机的磁场
直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合 成便形成了电机中的气隙磁场，它直接影响电枢电动势和电磁转矩的大小。要了解气隙磁场的情况，就要 先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性。
空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如图1-24(b) 所示。
图1-24（b）
空载时主磁极磁通的分布情况，如图1-24(c) 所示。
图1-24（c）
在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要有一定数量的主磁通Φ，也就是需要有一定的励 磁磁动势Ff。励磁磁动势变化时，主磁通也随之改变。我们把空载时主磁通Φ与励磁磁动势Ff或励磁电流If的 关系曲线称为直流电机的磁化曲线，如图1-25所示，它表明了电机磁路的特性。
空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决 于气隙的大小和形状。
如图1-24（a）所示，
极身
极靴
几何中性线
气隙形状 图1-24（a）
若不考虑铁磁材料和齿槽的影响，在极靴下，气隙小且均匀，气隙中沿电枢表面上各点磁通密度较大且基本 为常数；在极靴范围外，气隙明显增大，磁通密度显著减小，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。
图1-26（a）为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场 分布情况。
假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁 场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。
图1-26（a）电枢磁场
如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布， 则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如 右图 所示。
F ax
由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极 之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的 气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中 所示。
Bax
Bax
F ax
图1-26（b）电枢磁动势和磁场的分布
当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，电枢绕组中就有电流流过，它将产生一个电枢磁动势。因此， 气隙中的磁场是励磁磁动势和电枢磁动势共同作用的结果。通常把负载时电枢磁动势对主磁场的影响称为电枢 反应，电枢反应对直流电机的运行性能影响很大。
N
二、直流电机负载时的磁场及电枢反应 直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。它的出现使电机的磁
场发生变化。 从对电枢绕组的分析可知，不论什么型式的绕组，其各支路中的电
流是通过电刷引入或引出的。在同一支路内元件中电流方向是相同的， 而在同一电刷两侧的元件中，电流方向总是相反的。因此，电刷是电 枢表面导体中电流方向的分界线。
二、直流电机系列
所谓系列电机就是在应用范围、结构形式、性能水平和生产工艺等方面有共同性，功率按一定比例递增， 并成批生产的一系列电机。我国目前生产的直流电机的主要系列有：
Z3系列
为一般用途的小型直流电机系列。
ZF和ZD系列 ZZJ系列
为一般用途的中型直流电机系列。 为起重、冶金用直流电动机系列。
此外还有ZQ直流牵引电动机系列及Z-H和ZF-H船用电动机和发电机系列等。
（二）直流电动机工作原理
直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。 在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左， S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方 向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时 针方向旋转。
把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷 B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。
一、直流电机的空载磁场 直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，电枢磁动势也很小，且可以不计其影响的一种运行状态， 此时电机无负载，发电机不输出电功率，电动机不输出机械功率。
所以直流电机空载时的气隙磁场可认为就是主磁场，即由励磁磁动势单独建立的磁场。
当励磁绕组通入励磁电流，各主磁极极性依次呈现为 N 极和 S 极，由于电机磁路结构对称，不论极数多 少，每对极的磁路是相同的，因此只要分析一对极的磁路情况就可以了。
二、直流电机的工作原理
（一）直流发电机工作原理
直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。
右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极， abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导 磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连 接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。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 的电刷进行的。
显然，电枢反应将与电刷的位置有关，下面将以直流发电机为例，分别讨论不同电刷位置时的电枢反应。
1、电刷在几何中性线上时的电枢反应 在电枢磁动势的作用下，当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机
的磁场分布情况。如图1-27（a）所示。
N 若电枢上半部分电流方向为流出纸面，则电枢下
当电枢旋转到右图所示位置时 原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原 S 极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁 力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的 电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。
与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。
直流电动机的 工作原理示意 图:
两个串联元件放在同极磁极下， 空间位置相距约两个极距；沿圆周 向一个方向绕一周后，其末尾所边 的换向片落在与起始的换向片相邻 的位置。
单波绕组的并联支路图:
单波绕组的特点
1）同极下各元件串联起来组成一条 支路，支路对数为1，与磁极对数无 关；
2）当元件的几何形状对称时，电 刷在换向器表面上的位置对准主 磁极中心线，支路电动势最大；
当原动机驱动电机转子逆时针旋转时同， 线圈abcd将感应电动势。如右图，导体ab 在N极下，a点高电位，b点低电位；导体 cd在S极下，c点高电位，d点低电位；电 刷A极性为正，电刷B极性为负。
当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后，如右图。
180 0
导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N 极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B 极性仍为负。
图1-23是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图（一对极的情形）。
从图中看出，由N极出来的磁通，大 部分经过气隙和电枢齿,再经过电枢磁轭 到另一部分的电枢齿,又通过气隙进入S 极，再经过定子磁轭回到原来出发的N 极，成为闭合回路。
S
N
图1-23 直流电机空载时的磁场分布示意图
这部分磁通同时匝链着励磁绕组和电枢 绕组，
（三）直流电机的可逆原理 从上述直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷两端加上直流电压，输入电能，即可拖动生产机
械，将电能变为机械能而成为电动机；反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械能，就可在电刷两端得到一个 直流电动势作为电源，将机械能变为电能而成为发电机。
一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。
半部分电流方向为流入纸面，其电枢磁场磁力线分 布如图示。
此时电枢磁场的轴线与电刷轴线重合，并与主极轴 线垂直，这时的电枢磁动势称为交轴电枢磁动势，它 对主磁场的影响称为交轴电枢反应。
S
图1-27（a） 交轴电枢反应磁场分布 如果主极极性如把图主所磁示场，与电枢磁场合成，将合成磁场与主磁场比较，可看出电枢磁动势将对主磁场产生很大 的影响，即电枢反应。
波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。
y 第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 1
y 第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。 2
y 合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。
单叠绕组 单波绕组
0
N
当磁通较小时，铁磁部分没有饱和，磁压降很小，整个磁路的磁 动势几乎全部消耗在气隙上，而气隙的导磁系数是一个常数，因此 曲线近似为一直线（图中0A段）；当磁通增大时，曲线逐渐弯曲， 很大时，呈饱和特性。
A
I f0
0
I fN F f 0
图1-25 直流电机的磁化曲线
If IN
为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时， 额定磁通 设定在图中A点（膝部），即在磁化特性曲线开始 进入饱和区的位置。
当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流 ，
每极的励磁磁动势为：Fra bibliotekN 所以漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的（15～20）%左右。 f