直流电机的结构及工作原理

1.直流电机的工作原理

直流发电机的简单原理图如图2-1（a）所示。N、S是直流发电机固定的定子磁极，定子磁极上装有励磁绕组，其中通入直流电流If，产生大小和方向恒定的磁通Φ。在两个磁极之间是旋转的电枢铁芯，铁芯表面开槽安放电枢绕组。图中的abcd代表其中的一个单匝线圈，线圈的首端a和末端d分别连在两个互相绝缘并可以随线圈一同旋转的换向片（换向器）上。换向片通过固定的电刷A和B实现线圈与外电路相连。在原动机驱动下，电机匀速旋转时，导体内将感应交流电动势，且电刷A的电位总是高于电刷B的电位，电刷A和B两端将输出脉动的直流电动势，电动势波形如图2-1（b）所示。如果在两电刷间接一负载，则负载上的电流是交流经过整流后的脉动电流。

图2-1（a）所示的只是直流电机的简单模型，实际上为减少磁路中的磁阻，磁极N和S之间由磁轭和铁芯相连。另外，导体数和换向片的数量很多，电刷间输出的直流电动势的脉动系数大大减小。实践和分析表明，当每极下面的元件数大于8时，电压的脉动已经小于1%，可以认为是恒定的直流电压。

若在图2-1（a）的两电刷A和B间加上直流电源，如图2-2所示，则在电源的作用下电流从电刷经换向器流向电压绕组，电压绕组作为载流体在磁场作用下受到电磁力的作用，对转轴形成转矩，驱动转子旋转，此时，直流电机作电动机使用。

图2-1　直流发电机原理示意图和电刷间电动势波形

（a）原理示意图；（b）电刷间电动势波形

图2-2　直流电动机原理示意图

2.直流电机的主要结构

直流电机由转子和定子两大主要部分组成，定子和转子是靠两个端盖联结的。图2-3所示是直流电机横剖面示意图。(www.xing528.com)

图2-3　直流电机的横剖面示意图

定子是用来产生磁场和起机械支撑作用的，由主磁极、换向极、机座、端盖、轴承等组成，还有连接外部电路的电刷装置。主磁极也称励磁磁极，一般为电磁式，用来产生主磁场，由铁芯和套在铁芯上的励磁绕组组成。主磁极铁芯由1.0～1.5mm厚的低碳钢板冲成一定形状的冲片，用铆钉铆紧，固定在机座上。主磁极铁芯分成极靴和极身，极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀并减小气隙磁阻，同时对励磁绕组起支撑作用。主磁极如图2-4（a）所示。在相邻的N、S主磁极铁芯之间装有改善换向的换向磁极，如图2-4（b）所示。换向磁极的铁芯一般采用铸铁。换向磁极与磁轭铁芯之间装有非磁性板以调节换向磁路磁阻。电刷装置是直流电机的重要组成部分，它连接外部电路和换向器，把电枢绕组中的交流电流变成外电路的直流电流或把外电路的直流电流变换为电枢绕组中的直流电流。电刷结构如图2-4（c）所示，电刷采用接触电阻较高的碳刷、石墨刷和金屑石墨刷，一般不用金属刷，电刷被安装在电刷架上。

图2-4　直流电机定子部件

（a）主磁极；（b）换向磁极；（c）电刷结构

转子用来感应电动势、产生电磁转矩，由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等组成，如图2-5（a）所示。电枢绕组通常采用棉绕或绢绕的圆铜线或扁铜线制成的纤维绝缘导线。为了减少通过交变磁通时产生的磁滞损耗，通常用1.5mm厚的低硅钢片冲压成型，钢片中的硅含量越高，损耗越少。但硅含量高，钢板变硬，一般含硅量取1.5%～3.5%为宜。沿电枢铁芯的外网均匀开槽，槽内放电枢绕组。为防止放在槽中的电枢绕组在离心力的作用下甩出槽外，槽内设有槽楔。电枢铁芯有直接安装在轴上或安装在支架上两种形式。换向器又称整流子，由换向片组合而成，与电刷配合，把电枢绕组中的交流电流变成外电路的直流电流或把外电路的直流电流变换为电枢绕组中的交流电流。换向器结构如图2-5（b）所示。

图2-5　转子装配图和换向器结构

（a）转子；（b）换向器结构

端盖把定子和转子联结为一个整体，两个端盖分别固定在定子机座的两端，并支撑着转子。端盖还起保护作用。电刷杆也固定在端盖上。