直流电动机的工作原理及维修方法

1.直流电动机的结构

直流电动机是起动机最主要的组成部件，它的工作原理和特性决定了起动机的工作原理和特性。直流电动机主要由转子（电枢）、定子（磁极）、电刷、换向器和端盖等部件构成，参见图3-5。

图3-5 直流电动机的结构

对于励磁式起动机，根据励磁绕组和电枢绕组连接方式不同又可分为串励、并励和复励式三种，如图3-6所示。

图3-6 励磁式起动机励磁绕组和电枢绕组的三种连接方式

a）串励 b）并励 c）复励

下面以串励式电动机为例，来了解电动机的结构及工作原理。

（1）电枢 电枢是直流电动机的旋转部分，用来产生电磁转矩，它由铁心、电枢绕组、电枢轴及换向器等组成，如图3-7所示。为了获得足够的转矩，通过电枢绕组的电流一般可达到200～600A。因此，电枢绕组采用较粗的矩形裸铜线绕制而成。

电枢铁心由多片厚度为0.5mm互相绝缘的硅钢片叠成，其外圆带槽，用来嵌放电枢绕组。

电枢绕组采用很粗的扁铜线用波绕法绕制而成，绕组一端线头接的换向器铜片与另一端线头接的换向器铜片相隔90°或180°（图3-8）。当电枢绕组通电后，电枢总成便开始转动。采用此种绕法，当电枢转到某一位置时，因为某些绕组两端线头接到同极性电刷上，会造成一些绕组没有电流。由于波绕法的绕组电阻较低，所以常用。

图3-7 电枢的结构

图3-8 电枢绕组波绕法

1、4—N极 2、5—S极 3—绕组 6—换向器 7—电刷

换向器由较厚的铜片压装在电枢轴上，相邻铜片之间用云母片绝缘。由于云母的耐磨性较好，在换向铜片磨损后，云母就会凸起，影响电刷与换向器的接触，因此有些微型车使用的起动机换向片之间的云母按规定割低0.5～0.8mm，但功率较大的起动机云母不应割低。

（2）磁极 磁极是电动机的定子部分，由铁心和励磁绕组构成，其作用是在电动机中产生磁场，磁极铁心一般由厚度为1.0～1.5mm的低碳钢制成，并通过螺钉固定在电动机壳体上。磁极一般是4个，由4个励磁绕组形成两对磁极，并两两相对。4个磁极的励磁绕组有两种连接方式，4个励磁绕组相互串联，每两个励磁绕组串联后再并联，如图3-9所示。

图3-9 定子总成

a）4个绕组相互串联 b）两串两并

（3）电刷架与电刷 电刷架一般为框式结构，其中正极电刷架与端盖绝缘固装，负极电刷架直接搭铁。电刷的作用是将电流引入电枢，使电枢产生连续转动。如图3-10所示，电刷一般用铜和石墨压制而成，呈棕红色，装在端盖上的电刷架中，借弹簧压力紧压在换向器上。有利于减小电阻及增加耐磨性。电刷的个数一般为4个，与主磁极的个数相同。其中与外壳直接相连构成电路搭铁的，称为搭铁电刷（即负极电刷），与励磁绕组和电枢绕组相连，与外壳绝缘，称为绝缘电刷（即正极电刷）。

2.直流电动机的工作原理

（1）基本工作原理 起动机的工作原理可以通过其主要部件直流电动机的工作原理来说明，如图3-11所示。

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图3-10 电刷架与电刷

图3-11 直流电动机主要部件的布置及工作原理

直流电动机是将电能转变为机械能的设备，它是根据带电导体在磁场中受到电磁力作用的这一原理为基础而制成的，其工作原理如图3-12所示。

在磁场中放置一个线圈，线圈的两点分别与两片换向片连接，两只电刷分别与两片换向片接触，并与电源的正极或负极接通。

图3-12a中电流方向为：电源正极→正电刷→换向片→线圈abcd→负电刷→电源负极。按照线圈中的电流方向，由左手定则可以确定线圈ab边受向左的作用力，cd边受向右的作用力，整个电枢线圈受到逆时针方向的转矩作用而转动。当电枢转过半周后，换向片与正负电刷接触位置正好换位，如图3-12b所示，电枢绕组因受转矩作用仍按逆时针方向转动。这样在电源连续对电动机供电时，其线圈就不停地按同一方向转动。

图3-12 直流电动机工作原理图

a）电流方向a→d b）电流方向相反d→a

由于一个线圈所产生的转矩太小，且转速不稳定，因此实际上，电动机的电枢上绕有很多线圈，换向片数也随线圈数的增多而相应增加。从而保证产生足够大的转矩和稳定的转速。

（2）直流电动机的转矩 直流电动机的转矩与电枢电流及磁极磁通的乘积成正比，可表示为

M=C_mI_sФ

式中 C_m——电动机常数（与电动机的结构有关）；

I_s——电枢电流；

Ф——磁极磁通。

3.直流串励式电动机的特性

直流串励式电动机的扭转力矩M、转速n和输出功率P随电枢电流变化的规律称为直流串励式电动机的特性，如图3-13所示。

1）扭转力矩特性。直流串励式电动机的扭转力矩特性如图3-13中的M曲线所示。

在起动发动机的初始阶段，电枢转速为零，电枢电流达到最大值，由于扭转力矩与电枢电流的平方成正比，所以扭转力矩也达到最大值。该最大值扭转力矩足以克服发动机的阻力矩，使发动机起动。

2）转速特性。转速特性如图3-13中的n曲线所示。电枢电流较大时，由于扭转力矩与电枢电流的平方成正比，所以输出扭转力矩也较大，此时电动机转速随电流的增加而下降；电枢电流减小时，输出转矩也较小，电动机转速又随电流的减小而很快上升。

图3-13 直流串励式电动机的特性曲线

3）功率特性。功率特性如图3-13中的P曲线所示。输出功率的最大值出现在电枢电流接近制动电流的一半时刻。电动机处于完全制动状态，转速和输出功率为零，力矩达到最大值。随着力矩和起动机转速的变化，处于空载状态时，电流最小，转速最大，输出功率也为零。

直流串励式电动机输出功率P（单位W）可由扭转力矩M（单位N·m）和转速n（单位r/min）表示为