第03章 直流电机

（4）转轴、支架和风扇
小容量直流电机转子电枢直接装在轴上，两者通过 键固定。
大容量直流电机，为了减轻转子重量，减少硅钢片 消耗，在转轴上装有支架、铁心被支撑在支架上。转 轴的端部都装有风扇，对电机进行自然冷却。
3.直流电机的气隙
直流电机的主磁极与电枢间有空气隙。小容量电机约 为1～3mm。大容量电机约为10～12mm。气隙厚度的大小对 电机性能影响很大，但太小又会导致磁极和电枢的机械碰 撞。虽然气隙只有几个毫米厚，但由于空气的磁阻力较大， 因而空气隙在电机的磁场中有很大的影响。
第二节距是连至同一个换向片的两个元件边之间的距离，如图3.10
所示。用所跨虚槽数表示。
合成节距 y
紧接着串联的两个元件的对应边之间在电枢表面所跨 的距离，称为合成节距，用虚槽数表示。不同类型绕组 的差别主要表现在合成节距上。由图3.10知：
对于叠绕组，有 y y1 y2 对于波绕组，有 y y1 y2
3.1直流电机的工作原理和基本结构
一、直流电机的工作原理 1、直流发电机的工作原理
图3.1直流发电机原理模型
1-磁极
2-电枢 3-换向器 4-电刷
在实际电机中，电枢上线
圈数很多，并按照一定的规
律连接起来，可使电压脉动
较小以获得波形较好的直流
图3.2 气隙磁密、线圈内感应电动势 电压。这就是直流发电机的
（2）电枢绕组
其作用是产生感应电势和流过电流，实现电机内 部的机电能量变换。
绕组由很多形状相同的线圈按一定规律联接而成， 线圈由圆铜线或扁铜线绕制而成。
（3）换向器的作用
在直流发电机中，换向器是将绕组中的交变感应 电势转换为电刷上的直流电势；在直流电动机中，是 将电刷上的直流电流转换为绕组中的交变电流。
因此，电枢绕组的元件数等于换向片数，即 S ，K 其中 为S元
件数， 为K换向片数。
元件的一个元件边放在某一个槽的上层，称为上层边，另 一个元件边放在另一个槽的下层，称为下层边，所以直流 电机的绕组一般都是双层绕组。
在直流电机中，常在每个槽的上、下层各放置若干个元件 边。为了确切地说明每个元件边所处的具体位置，引入了 “虚槽”的概念。
（3）机座
其作用有两方面，一方面作为主磁路的一部 分，常称为定子磁轭；另一方面作为电机机械支撑。
为保证机座的机械强度高，导磁性能好，机座 通常采用铸钢或用钢板卷焊而成。
（4）端盖
端盖装在机座两侧的端面上，用来保护电机 内部免受外界的损害，同时保护工作人员安全。
（5）电刷装置
电刷装置用来固定和支撑包括电刷及其引出线铜丝辫 在内的一些装置。
和电刷之间的电压
工作原理。
2、直流电动机的工作原理
•电刷A、B接至直流电源，线 圈abcd中有电流流过，电流的 方向如图3.3所示。 载流导体 受到的电磁力为：
f Bli
图3.3 直流电动机原理模型
1-磁极 2-电枢 3-换向器 4电刷
如图，形成逆时针方向的电磁转矩驱动转子逆时针方向旋转。
旋转的换向器与 静止的电刷相互配合得 以保证电磁力和电磁转 矩方向始终不变，使电 动机沿逆时针方向连续 旋转。
交流电动机。
3.2 直流电机的电枢绕组
一、电枢绕组的基本概念
电枢绕组由许多形状完全相同的元件（亦称为线圈）按一 定规律排列和连接而成。
每个元件有两个出线端， 一个称为首端，另一个 称为末端。 一个元件由两条元件边 和前、后端接线组成。
同一个元件的首端和末端分别接到两个不同的换向片上。同 一个换向片上，连有一个元件的首端和另一个元件的末端。
在2号换向片上（
）1 。y然后2将2号元件的上层边
放入2号槽的上层（
Hale Waihona Puke Baidu
），1下 层y 边2放在6号槽的下
层（
），2号元2件的y1上层6 边连在2号换向片上，
下层边连在3号换向片上。按此规律连接，一直把16个
元件都连起来为止，并构成一条闭合回路。
第四步，放置电刷。假设电刷的宽度等于换向片的宽度， 将四组电刷 、A1、B1、A2均匀B2 地布置在换向器表面。放 置电刷的原则是，要求正、负电刷之间得到最大的感应 电动势，同时被电刷所短路的元件中感应电动势最小， 这两个要求实际上是一致的。由于每个元件的几何形状 对称，如果把电刷的中心线对准主极的中心线，就能满 足上述要求。图3.11中，被电刷所短路的元件正好是1、 5、9、13，这几个元件中的电动势恰为零。实际运行时， 电刷静止不动、电枢旋转，但被电刷所短路的元件总是 处于两个主磁极之间的地方，其感应电动势为零。
第二步，放置主磁极。让每个磁极的宽度大约等于0.7 ，4
个磁极均匀放置在电枢槽之上，并标上N、S极性。假定N 极的磁力线进入纸面，S极的磁力线从纸面穿出。
第三步，将1号元件的上层边放在1号槽（实线）并与1
号换向片相联，其下层边放在第5号槽（ 1 y1 5 ）的下
层（虚线）；因 y yc，所1 以1号元件的末端应连接
第三章 直流电机
直流电机是实现机械能与直流电能相互转换的电磁装置。 直流发电机——机械能转换为直流电能。 直流电动机——直流电能转换为机械能。
• 直流电动机的调速性能和起动性能优异，被广泛应用于 电力机车、轧钢机、无轨电车等对调速性能要求高的场 合。 直流发电机主要用作直流电源，供电质量好，一般用于 电镀、电解及交流发电机的励磁机等。
励磁绕组：
用圆形或矩形截面的绝 缘铜导线制成，集中绕制 在极外，为集中形式绕组。
为了保证绕组中电流相 等，励磁绕组间互相串联 （也有并联），并要保证 连线方式使N、S极性交替 出现。
(2)换向极
其作用是改善换向，消除电机带负载时换向器上产生的有 害火花。换向极由铁心和绕组两部分组成，装在两个主极之间 几何中性线处。
第一步，先画16根等长等距的实线，代表各槽上层元件边； 再画16根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边，虚线与 实线靠近。画16个小方块代表换向片，并编号。为了绘图 方便，使换向片宽度等于槽与槽之间的距离。为了便于连 接，将元件、槽和换向片按顺序编号，编号时令元件号、 元件上层边所在槽的编号以及元件上层边相连接的换向片 号相同，即1号元件的上层边放在1号槽内并与1号换向片 相连接。
于一个极距 。
极距 定义为
Qu
2p
y应1 等于或接近
由于 Qu不一定能被极数 2整p除，而 又必y1须为整数，可使
Q y u 整数
式中 为小于1的分数。1 2 p 称为整距绕组，
称为长
距绕组,
称为短距绕组y。1 因短距绕组有利于换向y1，对
于叠绕组还可节约y1端部 用铜，故常被采用。
第二节距 y2
3、直流电机的可逆运行
直流电机是作为发电机运行还是作为电动机运行，主要 在于外部条件，即输入给电机的功率形式。
若从电刷上输入给电机 电功率时，电机作电动机运 行，经转轴向外输出机械功 率。
当从轴上输入给电机 机械功率时,电机作发电机 运行，通过电刷向外部输 出电能.
同一台电机既能作发电机又能作电动机运 行，称为电机的可逆运行。
额定电压 U N（V） 指额定状态下电枢两端的电压 额定电流 I N（A） 指电机在额定电压下输出额定功率时
的电流
额定转速 nN（r/min） 指电机在额定状态下的转速
额定励磁电压 U（fN V）(仅对他励电机) 指额定状态下的
励磁电压
有些物理量虽然不标在铭牌上，但它们也是额定数据， 如额定转矩、额定效率等。
三、直流电机的励磁方式
励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按照励磁 方式，直流电机分成他励和自励两大类，
图3-12 直流电机按励磁方式分类 a)他励式 b)并励式 c)串励式 d)复励式
四、直流电机的额定值
额定功率 P（N 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 指线端输出的电功率
1.定子部分 定子主要有机座、主磁极、换向极、端盖及电刷装置等
组成。
(1)主磁极
其作用是产生恒定的主 极磁场，由主磁极铁心和 套在铁心上的励磁绕组组 成。铁心的上部是极身， 下部是极掌。极掌的作用 是减小气隙的磁阻，使气 隙磁能沿气隙空间分布更 均匀，并有支撑绕组的作 用。
主极铁心：
用1～1.5mm厚的 低碳钢冲片叠压而成， 片间有起绝缘作用的氧 化层，然后再用螺杆固 定在机座上。
转子是直流电机的核心部件，是机、电能量转换 的枢纽，因此又称电枢。它主要有电枢铁心，电枢绕 组和换向器等。另外转子上还有风扇、转轴和绕组支 架等部件。
（1）电枢铁心
其作用有两个： 一是电机主磁路的一部分，二是固定电枢上的分布绕组。 铁心通常采用0.5mm厚的硅钢片冲压成铁心冲片后涂绝缘漆
叠压而成，固定在转子支架或转轴上。
其作用是使转动的转子绕组能与外电路相联接，经电 刷将直流电流引入或引出电机的电枢绕组。
电刷采用导电耐磨的碳石墨材料制成放在刷握里， 刷握用螺钉固定在刷杆上。
刷杆数与电机主磁极数目相同，各电刷上的铜丝辫 将电流接通到刷杆上，并将同极性的各刷汇流连在一起， 再与换向极绕组串联后，引到线盒的接线柱上。
2.转子部分
图3.12 单叠绕组元件连接顺序图
电枢绕组由4条并联支路组成：2、3、4；6、7、8； 10、11、12；14、15、16 被电刷所短路的元件：1、5、9、13
单叠绕组的并联支路对数 a 等于电机的极对数 p，即
a p
绕组电路图
单叠绕组的支路电动势由电刷引出，所以电刷组数必须 等于支路数，也就是等于磁极数。
换向器节距 yc
同一元件首、末端所连两个换向片之间所跨的距离 称为换向器节距，用换向片数表示。换向器节距等于合 成节距。
图3.10 绕组的节距
二、单叠绕组
单叠绕组的连接规律是：所有相邻元件依次串联，后一 个元件的首端与前一个元件的末端连在一起并接到同一 个换向片上，最后一个元件的末端与第一个元件的首端 连在一起， 构成一个闭合回路。单叠绕组的合成节距 等于一个虚槽，换向器节距等于一个换向片，即
绕组展开图
图3.11 单叠绕组展开图
绕组元件连接顺序图
绕组元件连接顺序图用来表示电枢上所有元件边的串联 次序。根据图3.11可以画出绕组元件连接顺序图，如图 3.12所示。每根实线所连接的两个元件边构成一个元件， 两元件之间的虚线则表示通过换向片把两元件串联起来。 可以看出，从第1元件出发，连接完16个元件后又回到 第1元件，整个绕组是闭合的。
y yc 1
y yc 1
式中，“+1”或“-1”表示每串联一个元件就“向 右”或“向左”移动一个虚槽或一个换向片，分别称为 右行绕组和左行绕组。
通常采用右行绕组。
下面以 2 p ，4 S K Qu ，16为u例，1 说明单叠绕组的连
接规律和特点。 绕组展开图 绕组元件连接顺序图 绕组电路图 单叠绕组的特点
设槽内每层有u 个元件边，则每个实际槽包含 u个“虚
槽”，每个虚槽的上、下层各有一个元件边。若用 Q代
表槽数，Q
代表虚槽数，则
u
Qu uQ S K
电枢绕组的节距
第一节距 y1
一个元件的两个元件边在电枢表面所跨的距离（即跨距）称 为第一节距。用所跨虚槽数表示。
选择 y1时尽量让元件中感应电动势最大，即
直流发电机的额定功率为 PN U N IN
直流电动机的额定功率为 PN U N I NN
式中，N 为直流电动机的额定效率
电动机轴上输出的额定转矩用TN表示，为
TN
9.55 PN nN
上面三式中，PN 的单位都是W，nN 的单位为r/min，TN
的单位为 N m 。此式不仅适用于直流电动机，也适用于
说明：组成各支路的元件在电枢上处于对称位置，各支路电动势大小相等， 故从闭合电路内部来看，各支路电动势恰巧互相抵消，不会产生环流。
2 p 4 S K Qu 16 u 1
计算各节距
第一节距 y1 为
y1
Qu 2p
16 4
0
4
合成节距 y 和换向器节距 y为c y yc 1
第二节距 y2为 y2 y1 y 3
绘制绕组展开图
所谓绕组展开图就是假想将电枢及换向器沿某一齿的中 间切开，并展开成平面的连接图。作图步骤如下：
二、直流电机的结构
直流电机的结构形式多种多样，图3.4是一台小型直流 电机的结构剖面图。
图3.4直流电机的结构剖面图 1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极 6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心
直流电机主要分为静止和转动两大部分。 静止部分称为定子，转动部分称为转子或称电枢。