直流电动机的结构及工作原理

直流电动机是一种旋转电器，主要完成直流电能与机械能的转换。能将直流电能转换成机械能的旋转电器称直流电动机或称其工作于直流电动状态；而将机械能转换成电能的旋转电器，则称为直流发电机或称其工作于直流发电状态。

直流电动机和直流发电机在结构上没有根本区别，只是由于工作原理不同，从而得到相反的能量转换过程。

1.直流电动机的结构

1）直流电动机的基本结构

直流电动机在结构上可概括地分为静止和转动两大部分。其静止的部分称为定子；转动的部分称为转子（电枢），这两部分由空气隙分开，其结构如图1－1所示。

图1－1　直流电动机结构

1—轴承；2—轴；3—电枢绕组；4—换相磁极绕组；5—电枢铁芯；6—后端盖；7—电刷杆座；8—换向器；9—电刷；10—主磁极；11—机座；12—励磁绕组；13—风扇；14—前端盖

（1）定子部分。定子由主磁极、机座、换向极、端盖及电刷等装置组成。

主磁极：其作用是产生恒定的主磁场，由主磁极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组组成。铁芯的上部叫极身，下部叫极靴。极靴的作用是减小气隙磁阻，使气隙磁通沿气隙均匀分布。铁芯通常用低碳钢片冲压叠成。其目的是为了减小励磁涡流损耗。

机座：其作用有两个，一是作为各磁极间的磁路，这部分称为定子的磁轭；二是作为电动机的机械支承。

换向极：换向极的作用是改善直流电动机的换向性能，消除直流电动机带负载时换向器产生的有害火花。换向极的数目一般与主磁极数目相同，只有小功率的直流电动机不装换向极或装设只有主磁极数一半的换向极。

电刷装置：其作用有两个，一是使转子绕组与电动机外部电路接通；二是与换向器配合，完成直流电动机外部直流电与内部交流电的互换。

（2）转子部分。转子是直流电动机的重要部件。由于感生电动势和电磁转矩都是在转子绕组中产生的，是机械能和电磁能转换的枢纽，因此直流电动机的转子也称为电枢。电枢主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等组成。

电枢铁芯：其作用有两个，一是作为磁路的一部分；二是将电枢绕组安放在铁芯的槽内。为了减小由于电动机磁通变化产生的涡流损耗，电枢铁芯通常采用0.35～0.5 mm硅钢片冲压叠成。

电枢绕组：电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩。从而实现电能和机械能的相互转换。它是由许多形状相同的线圈按一定的排列规律连接而成。每个线圈的两个边分别嵌在电枢铁芯的槽里，在槽内的这两个边，称为有效边。

换向器：换向器是直流电动机的关键部件，它与电刷配合，在直流电动机中能将电枢绕组中的交流电动势或交流电流转变成电刷两端的直流电动势或直流电流。

2.直流电动机工作原理

直流电动机是根据载流导体在磁场中受力这一基本原理工作的。

直流电动机的工作原理是建立在电磁力基础理论上的，通过电磁关系，将电能转换成机械能。这一理论有两个基本的条件，一是要有恒定的磁场，二是在磁场中的导体要有电流。

直流电动机要想将电能转换成机械能，拖动负载工作，首先要在励磁绕组上通入直流励磁电流，产生所需要的磁场，再通过电刷和换向器向电枢绕组通入直流电流，提供电能，于是电枢电流在磁场的作用下产生电磁转矩，驱动电动机转动。图1－2所示为直流电动机工作原理模型。(www.xing528.com)

图1－2　直流电动机工作原理

直流电动机

直流电动机的结构

把电刷A、B接到一直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，此时在电枢线圈中将有电流流过。

根据毕－萨电磁力定律可知导体每边所受电磁力的大小为

式中，I为导体中流过的电流，单位为A；f为电磁力，单位为N。

导体受力方向由左手定则确定。在图1－2（a）所示情况下，位于N极下的导体ab的受力方向为从右向左，而位于S极下的导体cd的受力方向为从左向右。该电磁力与转子半径之积即为电磁转矩，该转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻力矩时，线圈按逆时针方向旋转。当电枢旋转到图1－2（b）所示位置时，原来位于S极下的导体cd转到N极下，其受力方向变为从右向左；而原来位于N极下的导体ab转到S极下，导体ab受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但N极下的导体受力方向和S极下导体所受力的方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。

实际直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。

电动机的启动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。电动机启动瞬间（n＝0）的电磁转矩称为启动转矩，此时所对应的电流称为启动电流，分别用Tst、Ist表示。启动转矩为

如果他励直流电动机在额定电压下直接启动，由于启动瞬间n＝0，电枢电动势Ea＝0，故启动电流为

因为电枢电阻Ra很小，所以直接启动时启动电流很大，通常可达额定电流的10～20倍。过大的启动电流会使电网电压下降过多，影响本电网上其他用户的正常用电；使电动机的换向恶化，甚至烧坏电动机；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。因此，除容量很小的电动机以外，一般不允许直接启动。对直流电动机的启动，一般有如下要求：

（1）要有足够大的启动转矩；

（2）启动电流要限制在一定的范围内；

（3）启动设备要简单、可靠。

为了限制启动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串入电阻启动或降低电枢电压的启动方式。无论采用哪种启动方式，启动时都应保证磁通Φ达到最大值。因为，在同样的电流下，Φ变大则Tst变大；在同样的转矩下，Φ变大则Ist变小。