直流电机主要结构概述

直流电机由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。直流电机运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，通常又称为电枢，由转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

直流电机的结构形式是多种多样的，如图3-4为一台常用的小型直流电机的结构剖面图。直流电机由静止的定子部分和转动的转子部分构成，定子、转子之间有一定大小的间隙（称为气隙）。

（一）定子部分

直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。

1.主磁极

主磁极又称主极。在一般大中型直流电机中，主磁极是一种电磁铁。只有个别类型的小型直流电机的主磁极才用永久磁铁，这种电机称为永磁直流电机。主磁极的作用是能够在电枢外表面的气隙空间里产生一定形状分布的气隙磁密。

图3-4　直流电机的结构剖面图

1—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；5—换向极；6—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁芯

如图3-5所示为主磁极的装配图。主磁极的铁芯用1~1.5 mm厚的低碳钢板冲片叠压紧固而成。把事先绕制好的励磁绕组套在主极铁芯外面，整个主磁极再用螺钉固定在机座的内表面上。各主磁极上的励磁绕组联结必须使通过励磁电流时相邻磁极的极性呈N极和S极交替排列。为了让气隙磁密沿电枢圆周方向的气隙空间分布得更加合理一些，铁芯下部（称为极靴）比套绕组的部分（称为极身）宽。这样也可使励磁绕组牢固地套在铁芯上。

2.换向极

容量在1 kW以上的直流电机在相邻两主磁极之间要装上换向极。换向极又称附加极或间极，其作用是为了改善直流电机的换向。

换向极的形状比主磁极简单，也是由铁芯和绕组构成。铁芯一般用整块钢或钢板加工而成。换向极绕组与电枢绕组串联。

图3-5　直流电机的主磁极

1—主极铁芯；2—励磁绕组；3—机座；4—电枢

3.机座

一般直流电机都用整体机座。所谓整体机座，就是一个机座同时起两方面的作用：一方面起导磁的作用；另一方面起机械支撑的作用。由于机座要起导磁的作用，因此它是主磁路的一部分，称为定子磁轭。一般多用导磁效果较好的铸钢制成，小型直流电机也有用厚钢板制成的。主磁极、换向极和端盖都固定在电机的机座上，机座起着机械支撑的作用。

4.电刷装置

电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。电刷放在电刷盒里，用弹簧压紧在换向器上，电刷上有个铜丝辫，可以引出、引入电流。在直流电机里，常常把若干个电刷盒装在同一个绝缘的刷杆上，在电路连接上，把同一个绝缘刷杆上的电刷盒并联起来，成为一组电刷。在一般直流电机中，电刷组的数目可以用电刷杆数表示，刷杆数与电机的主磁极数相等。各电刷杆在换向器外表面上沿圆周方向均匀分布，正常运行时，电刷杆相对于换向器表面有一个正确的位置。如果电刷杆的位置放得不合理，将直接影响电机的性能。电刷杆装在端盖或轴承内盖上，调整位置后，将它固定。

（二）转子部分

直流电机转子部分主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。如图3-6所示为直流电机电枢装配示意图。

图3-6　直流电机的电枢

1—转轴；2—轴承；3—换向器；4—电枢铁芯；5—电枢绕组；6—风扇；7—轴承(www.xing528.com)

1.电枢铁芯

电枢铁芯有两个作用：一是作为主磁路的主要部分；二是嵌放电枢绕组。电枢铁芯和主磁场之间的相对运动会在铁芯中引起涡流损耗和磁滞损耗（这两部分损耗合在一起称为铁芯损耗，简称铁耗），为了减少铁耗，通常用0.5 mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片的冲片叠压而成，固定在转轴上。电枢铁芯沿圆周有均匀分布的槽，里面可嵌入电枢绕组。

2.电枢绕组

电枢绕组是由许多按一定规律排列和联结的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键性部件。线圈用包有绝缘的圆形和矩形截面导线绕制而成。线圈也称为元件，每个元件有两个出线端。电枢线圈嵌放在电枢铁芯的槽中，每个元件的两个出线端以一定的规律和换向器的换向片相连，构成电枢绕组。

3.换向器

换向器也是直流电机的重要部件。在直流发电机中，它的作用是将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势；在直流电动机中，它将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。换向器安装在转轴上，主要由许多换向片组成，片与片之间用云母绝缘，换向片数与元件数相等。

（三）直流电机的铭牌数据

每台直流电机的机座外表面上都钉有一块铭牌，上面标注着额定值的铭牌数据，它是正确选择和合理使用电机的依据。

根据国家标准，直流电机的额定值如下：

①额定功率PN（kW）；

②额定电压UN（V）；

③额定电流IN（A）；

④额定转速nN（r/min）；

⑤励磁方式和额定励磁电流IfN（A）。

有些物理量虽然不标在铭牌上，但它们也是额定值，例如，在额定运行状态的转矩和效率分别称为额定转矩和额定效率。

关于额定功率，对直流发电机来说，是指电机出线端输出的电功率；对直流电动机而言，则是指转轴上输出的机械功率。直流发电机的额定功率应为

PN=UNIN

而直流电动机的额定功率为

PN=UNINηN

式中，ηN为直流电动机的额定效率，它是直流电动机额定运行时输出机械功率与电源输入电功率之比。电动机轴上输出的额定转矩用T2N表示，其大小应该是输出的机械功率额定值除以转子角速度的额定值，即

式中，PN的单位为W，nN的单位为r/min，T2N的单位为N·m。此式不仅适用于直流电动机，也适用于交流电动机。

直流电机运行时，若各个物理量都与它的额定值一样，就称为额定运行状态或额定工况。在额定状态下，电机能可靠地工作，并具有良好的性能。但在实际应用中，电机不总是运行在额定状态。如果流过电机的电流小于额定电流，称为欠载运行；超过额定电流，称为过载运行。长期过载或欠载运行都不好。长期过载，有可能因过热而损坏电机；长期欠载，电机没有得到充分利用，效率降低，不经济。选择电机时，应根据负载的要求，尽量让电机工作在额定状态。