直流电动机的原理及应用

直流电动机的原理及应用

（东北师范大学物院电气六班文志鹏）

摘要近几十年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，中、小功率电动机在工农业生产及人们的日常生活中都有极其广泛的的应用。在电动机的发展中首先发展的是直流电动机，直流电动机根据励磁方式的不同分为他励、并励、串励和复励四类，他们的运行特性也不尽相同，本文主要介绍在调速系统中用得最多的他励电动机。

关键词：直流他励电动机、主要结构、基本工作原理、运行特性、基本参数、应用前景

1 主要结构

直流电动机分为两部分：定子与转子。

定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。

转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。

定子和转子之间由空气隙分开。

（1）定子

定子就是发动机中固定不动的部分，它主要由主磁极、机座和电刷装置组成。主磁极是由主磁极铁芯（极心和极掌）和励磁绕组组成，其作用时用来产生磁场。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度分配最为合理，并用来阻挡励磁绕组。主磁极用硅钢片叠成，固定在机座上。机座也是磁路的一部分，常用铸钢制成。电刷是引入电流的装置，其位置固定不变。它与转动的交换器作滑动连接，将外加的直流电流引入电枢绕组中，使其转化为交流电流。

直流电动机的磁场是一个恒定不变的磁场，是由励志绕组中的直流电流形成的磁场方向和励磁电流的关系由右螺旋法则确定。

在微型直流电动机中，也有用永久磁铁作磁极的。

（2）转子

转子是电动机的转动部分，主要由电枢和换向器组成。电枢是电动机中产生感应电动势的部分，主要包括电枢铁芯和点数饶组。电枢铁芯成圆柱形，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。

换向器又称整流子，是直流电动机的一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成，片间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上，用压圈固定后成为换向器再压装，在转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。

在换向器表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来，并实现将外部直流电流转化为电枢绕组内的交流电流。

2、基本工作原理

直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。线圈在磁场中旋转将在线圈中受力中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向

相反。

（1）电枢感应电动势

E=K eΦn

式中：K e——与电机结构有关的常数

n —―电动机转速（r/min）

Φ—―一对磁极的磁通(Wb)

由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。（2）电枢回路电压平衡式

U=E+I a R a=K eΦn+I a R a

式中：U —―外加电压

（3）R a—―绕组电阻电磁转矩

直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通Φ相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为

T=K tΦI a

K t—―与电机结构有关的常数,Kt=9.55K e Φ—―线圈所处位置的磁通(Wb)

I a—―电枢绕组中的电流（A）

（4）转矩平衡关系

电动机的电磁转矩T为驱动转矩, 它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即

T=T2+T0

T2—―机械负载转矩

T0—―空载转矩

（5）转矩平衡过程

当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。

3、运行特性

（1）启动特性

电动机的启动就是施电于电动机，使电动机转子转动起来，达到所要求的转速后正常运转的过程。

限制直流电动机的启动电流，一般有两种方法：

①降压启动法

②电枢串电阻启动法

（2）运行特性

①转速特性

②转矩特性

③效率特性

（3）制动特性

电动机的制动是与启动相对的一种工

作状态，启动是从静止加速到某一稳定转速，而制动则是从某一稳定转速减速到停止或

是限制位能负载下降速度的一种运转状态。

根据直流他励电动机处于制动状态时

的外部条件和能量传递情况，它的制动状态分为能耗制动三种形式。

4、调速控制

直流电动机具有极可贵的调速性，可在宽广范围内平滑而经济地调速，

特别适用于

调速要求较高的电气传动系统中。电动机调速性能的好坏，常用下列各项技术指标来衡量。

(1)调速范围D 调速范围是指电动机驱动额定负载，所能达到的最高转速与最低速之比。

(2)调速的平滑性电动机相邻两个调速挡的转速之比称为调速的平滑性，其比值φ为平滑系数。在一定的范围内，调速挡数越多，相邻级转速差越小，φ越接近于1，平滑性越好。φ=l时称为无级调速。

(3)调速的稳定性调速的稳定性是指负载转矩发生变化时，电动机转速随之变化的程度。工程上常用静差率δ来衡量，它是指电动机在某一机械特性上运转时，由理想空载至额定负载时的转速降Δn N对理想空载转速的百分比。

(4)调速的经济性调速的经济性由调速设备的投资及电动机运行时的能量消耗来决定。(5)调速时电动机的允许输出在电动机得到充分利用的情况下(一般是指电流为额定值)，调速过程中电动机所能输出的功率和转矩。主要有恒功率调速方式和恒转矩调速方式两大类。

5、基本参数

（1）额定功率PN: 电机轴上输出的机械功率。

（2）额定电压UN : 额定工作情况下的电枢上加的直流电压。

（3）额定电流IN : 额定电压下轴上输出额定功率时的电流。（并励包括励磁和电枢电流）

三者关系：P N=U N I Nη

（4）额定转速n N:在P N , U N , I N时的转速。直流电机的转速一般在500r/min 以上。6、应用前景

由于直流电动机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中，上图所示是其应用的几种实例。