直流电机的原理与结构详解

【学习任务】（1）正确说出直流电机的基本结构。

（2）正确理解直流电机的基本工作原理。

（3）正确认识直流电机的功能及应用场合。

任务手册9：直流电机的选用

微课9.1：直流电机的原理

直流电机是一种将直流电能和机械能相互转化的旋转电机，直流电机既可用作发电机将机械能转换为直流电能，又可用作电动机将直流电能转换为机械能。直流发电机具有电压波形好、过载能力大的特点，常用于发电厂同步发电机的励磁，由于可控硅技术的发展，直流励磁机有逐步被替代的趋势；而直流电动机具有良好的启动性能和调速性能，被广泛用于某些工业部门。但是直流电机存在电流换向的问题，因而结构复杂，造价高，运行维护困难。

1.直流电机的结构

直流电机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。定子与转子之间有空隙称为气隙。定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装置；转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部件。

下面介绍直流电机主要部件的作用与基本结构，如图9－1所示。

图9－1　直流电机的结构

1—风扇；2—机座；3—电枢；4—主磁极；5—刷架；
6—换向器；7—接线板；8—出线盒；9—换向极；10—端盖

1）定子部分

（1）机座。

作用：固定主磁极、换向极、端盖等，机座还是磁路的一部分，用以通过磁通的部分称为磁轭。

材料：铸钢或厚钢板焊接而成，具有良好的导磁性能和机械强度。

（2）主磁极。

作用：产生气隙磁场。

组成：如图9－2所示，主磁极包括铁芯和励磁绕组两部分。主磁极铁芯柱体部分称为极身，靠近气隙一端较宽的部分称为极靴，极靴做成圆弧形，使气隙磁通均匀，极身上套有产生磁通的励磁绕组。

图9－2　直流电机的主磁极

（a）主磁极结构图；（b）主磁极刨面图

材料：主磁极铁芯一般由1.0～1.5 mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成。

（3）换向极。

作用：改善换向。

组成：如图9－3所示，有铁芯和绕组。

材料：铁芯用整块钢制成，如要求较高，则用1.0～1.5 mm厚的钢板叠压而成；绕组用粗铜线绕制，流过的是电枢电流。

安装位置：在相邻两主磁极正中间。

（4）电刷装置。

作用：既起连接内外电路的作用，又起交流、直流变换的作用。

组成：电刷、刷握、刷杆、刷杆架、弹簧、铜辫构成，如图9－4所示。一般情况下，电刷组的个数等于主磁极的个数。

图9－3　直流电机的换向极

1—换向极铁芯；2—换向极绕组

图9－4　直流电机的电刷装置

1—电刷；2—刷握；3—弹簧压板；4—座圈；5—刷杆

2）转子部分

（1）电枢铁芯。

作用：磁路的一部分。

结构：如图9－5所示，用0.5 mm厚、两边涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成。其外圆周开槽，用来嵌放电枢绕组。

图9－5　电枢铁芯

（a）电枢铁芯刨面图；（b）电枢铁芯结构图

（2）电枢绕组。

作用：产生感应电动势、通过电枢电流，它是电机实现机电能量转换的关键。

组成：绝缘导线绕成的线圈（或称元件），按一定规律连接而成。

（3）换向器。

作用：使绕组中电流换向。

组成：如图9－6所示，多个压在一起的梯形铜片构成的一个圆筒，片与片之间用一层薄云母绝缘，电枢绕组各元件的始端和末端与换向片按一定规律连接。换向器与转轴固定在一起。

图9－6　换向器

1—V形套筒；2—云母片；
3—换向片；4—连接片

2.直流电机工作原理

1）直流电动机的工作原理

直流电动机是根据通电导体在磁场中受力而运动的原理制成的。根据电磁力定律可知，通电导体在磁场中要受到电磁力的作用。

电磁力的方向用左手定则来判定，左手定则规定：将左手伸平，使拇指与其余四指垂直，并使磁力线的方向指向掌心，四指指向电流的方向，则拇指所指的方向就是电磁力的方向。

如图9－7（a）所示，导体ab在N极下，电流方向由a到b，根据左手定则可知导体ab受力方向向左；导体cd在S极下，电流方向由c到d，因此导体cd的受力方向向右。两个电磁力所产生的电磁转矩使电枢按逆时针方向旋转。当转子旋转180°，转到如图9－7（b）所示的位置时，导体ab转到S极下，电流方向由b到a，导体的受力方向向右；而导体cd在N极下，电流方向由d到c，导体的受力方向向左，故电枢仍按逆时针方向旋转。

图9－7　直流电动机的工作原理

（a）导体ab与cd分别处在N极和S极下时；（b）导体cd与ab分别处在N极和S极下时

由此可知，通过换向器的作用与电源负极相连的电刷B始终和S极下导体相连，故S极下导体中电流方向恒为流出；而与电源正极相连的电刷A始终和N极下导体相连，故N极下导体中电流方向恒为流入。当导体ab与cd不断交替出现在N极和S极下时，两导体所受电磁力矩始终为逆时针方向，因而使电枢按一定方向旋转。

直流电动机是把直流电能转变为机械能的设备。它有以下几方面的优点：

（1）调速范围广，且易于平滑调节；

（2）过载能力强，启动、制动转矩大；

（3）易于控制，可靠性高。

直流电动机调速时的能量损耗较小，所以在调速要求高的场所，如轧钢车、电车、电气铁道牵引、高炉送料、造纸、纺织拖动、吊车、挖掘机械、卷扬机拖动等方面，直流电动机均得到了广泛的应用。

2）直流发电机的工作原理

直流发电机是根据导体在磁场中做切割磁力线运动，从而在导体中产生感应电动势的电磁感应原理制成的。为获得直流电动势输出，就要把电枢绕组先连接到换向器上，再通过电刷输给负载，其工作原理如图9－8所示。

图9－8　直流发电机的工作原理

（a）导体ab与cd分别处在N极和S极下时；（b）导体cd与ab分别处在N极和S极下时
1，2—换向片

定子上的主磁极N和S可以是永久磁铁，也可以是电磁铁。嵌在转子铁芯槽中的某一个元件abcd位于一对主磁极之间，元件的两个端点a和d分别接到换向片1和2上，换向片表面分别放置固定不动的电刷A和B，而换向片随同元件同步旋转，由电刷、换向片把元件abcd与外负载连接成电路。

当转子在原动机的拖动下按逆时针方向恒速旋转时，元件abcd中将有感应电势产生。在如图9－8（a）所示时刻，导体ab处在N极下面，根据右手定则判断其感应电势方向由b到a；导体cd处在S极下面，其感应电势方向由d到c。元件中的电动势方向为d－c－ba，此刻a点通过换向片1与电刷A接触，d点通过换向片2与电刷B接触，则电刷A呈正电位，电刷B呈负电位，流向负载的电流是由电刷A指向电刷B。C.

当转子旋转180°到如图9－8（b）所示时刻时，导体cd处在N极下面，根据右手定则判断其感应电势方向由c到d；导体ab处在S极下面，其感应电势方向由a到b。元件中的电势方向为a－b－c－d，与图9－8（a）所示的时刻恰好相反，但此刻d点通过换向片2与电刷A相接触，a点通过换向片1与电刷B相接触，从两电刷间看电刷A仍呈正电位，电刷B仍呈负电位，流向负载的电流仍是由电刷A指向电刷B。可以看出，当转子旋转360°经过一对磁极后，元件中电动势将变化一个周期，转子连续旋转时，元件中产生的是交变电动势，而电刷A和电刷B之C.间的电动势方向却保持不变。(www.xing528.com)

由以上分析可以看出，由于换向器的作用，使处在N极下面的导体永远与电刷A相接触，处在S极下面的导体永远与电刷B相接触，使电刷A总是呈正电位，电刷B总C.是呈负电位，从而获得直流输出电动势。

一个线圈产生的电动势波形如图9－9（a）所示，这是一个脉动的直流，不能作直流电源使用。实际应用的直流发电机是由很多个元件和相同个数的换向片组成电枢绕组的，这样可以在很大程度上减少其脉动幅值，可以看作是恒稳直流电源，如图9－9（b）所示。经验表明：一对磁极范围内电枢绕组匝数不低于8匝即可得到近似恒稳的直流电压。

图9－9　直流发电机输出的电势波形

（a）单匝线圈电刷间输出电势；（b）多匝线圈电刷间输出电势

从以上分析可以看出：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。将直流电源加于电刷输入直流电流，电机能将直流电能转换为机械能；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电机能将机械能转换为直流电能而从电刷输出。同一台电机既能作电动机运行又能作发电机运行的原理，称为电机的可逆原理。

从直流电机的工作原理分析还可知：无论是发电机还是电动机，其绕组内的感应电动势和电枢电流都是交流，而正、负电刷的极性却是固定的，即通过电刷输出的（发电机）或输入的（电动机）都是直流。电刷和换向片起着机械整流的作用，可将电刷外部的直流变成电枢绕组内的交流（电动机）或将内部的交流变成电刷外部的直流（发电机）。

3.直流电机铭牌

电机制造厂在每台电机机座的显著位置上都钉有一块金属标牌，这块标牌称为铭牌。铭牌上标明的各物理量的数值是电机制造厂根据国家有关标准的要求规定的，称为额定值。如果电机运行时的全部电量和机械量都等于额定值，就称为电机的“额定运行”。

铭牌数据主要包括电机型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和励磁电流及励磁方式等，此外还有电机的出厂数据，如出厂编号、出厂日期等。

1）型号

直流电机的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。

1——用大写的拼音表示产品代号；

2——用阿拉伯数字表示设计序号；

3——用阿拉伯数字表示机座代号；

4——用阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号。

比如Z2—92，Z表示一般用途直流电机；2表示设计序号，第二次改型设计；9表示机座代号；2表示电枢铁芯长度代号。

国产的直流电机种类很多，下面列一些常见的产品系列。

Z2系列——一般用于中、小型直流电机，如Z2，Z3，Z4等系列，包括发电机和电动机；

Z和ZF系列——一般用于大、中型直流电机系列，Z是直流电动机系列，ZF是直流发电机系列；

ZT系列——用于恒功率且调速范围比较大的拖动系统中的调速直流电动机；

ZQ系列——用于电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电车的直流牵引电动机；

ZH系列——船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机；

ZA系列——用于矿井和有易爆气体场所的防爆安全型直流电动机；

ZU系列——用于龙门刨床的直流电动机；

ZKJ系列——用于冶金、矿山挖掘机用的直流电动机。

2）额定值

电机铭牌上所标的数据为额定数据，具体含义如下：

（1）额定功率PN：电机在额定状态下运行时发电机向负载输出的电功率或电动机轴上输出的机械功率，单位kW。它等于额定电压和电流的乘积再乘上电动机的效率，即

（2）额定电压UN：电机在额定运行状态下，发电机供给负载的端电压或加在电动机两端的直流电源电压，单位V。

（3）额定电流IN：发电机带额定负载时的输出电流或电动机轴上带额定机械负载时的输入电流，单位A。

（4）额定转速nN：在额定电压、额定电流和额定输出功率的情况下的旋转速（r/min）。

（5）励磁方式：主磁极励磁绕组供电的方式以及它与电枢绕组的连接方式。

实际运行中，电机不可能总是运行在额定状态。如果电机的电流小于额定电流，则称为欠载运行；超过额定电流，则称为过载运行。长期过载，有可能因过热而损坏电机；长期欠载，运行效率不高，浪费能量。为此，在选择电机时，应根据负载要求，尽量让电机工作在额定状态。

【例题9－1】一台直流电动机，其额定功率为PN＝160 kW，额定电压为UN＝220 V，额定效率为ηN＝90%，额定转速为nN＝1 500 r/min，求该电动机的额定输入功率、额定电流及额定输出转矩各是多少？

解：额定输入功率：

额定电流：

额定输出转矩：

自测题

答案9.1

一、填空题

1.根据直流电机用途的不同，可以把直流电机分为两类，一类是进行能量传递和转换的，称为________电机；另外一类是进行信号传递和转换的，称为________电机，包括步进电机、伺服电机等。

2.直流电动机将__________能转换为__________能；直流发电机将__________能转换为__________能。

3.直流电机的可逆性是指_______________________________________________。

4.电刷和换向器在直流电动机中的作用为将电刷间的________变为绕组中交变的电流；在直流发电机中的作用为将绕组中交变的电流变成电刷间的________输出。

5.额定功率对直流电动机来说，指的是__________________功率。

二、选择题

1.在直流电动机中，电动机的输入功率等于（　　）。

A.电磁功率　　　B.输出的机械功率　　　C.UaIa　　　D.机械源动装置输入的机械功率

2.在直流发电机中，发电机的输入功率等于（　　）。

A.电磁功率　　　　　　　　　　　　　B.输出的机械功率

C.机械源动装置输入的机械功率　D.UaIa

3.直流电动机额定值之间的关系表达式为（　　）。

4.一台直流发电机，额定功率为22 kW，额定电压为230 V，额定电流是（　　）A。

A.100　B.95.6　C.94.6　D.200

5.直流发电机电枢导体中的电流是（　　）。

A.直流电　B.交流电　C.脉动的直流　D.都不正确

三、判断题

1.直流电机电枢元件中的电动势和电流都是直流的。（　　）

2.直流电机的换向极主要用于改善电机的换向。（　　）

3.直流电机的电枢由励磁绕组、电枢绕组、换向器和风扇等组成。（　　）

4.电机转轴的作用是产生电磁转矩。（　　）

5.一台直流电机可以运行在发电机状态，也可以运行在电动机状态。（　　）

四、分析计算题

1.试叙述直流发电机的工作原理。

2.试叙述直流电动机的工作原理。