導讀1、直流電機的基本結構直流電機的結構可分為靜止和轉動兩部分，靜止部分稱為定子，旋轉部分稱為轉子（也稱電樞）。圖2-1與圖2-2分別為直流電機的縱剖面示意圖和....

1、直流電機的基本結構

直流電機的結構可分為靜止和轉動兩部分，靜止部分稱為定子，旋轉部分稱為轉子（也稱電樞）。圖2-1與圖2-2分別為直流電機的縱剖面示意圖和橫剖面示意圖。

圖2-1　直流電機縱剖面示意圖

圖2-2　直流電機橫剖面示意圖

直流電機定子部分包括機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等；轉子部分包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風扇和轉軸等。

1.主磁極

圖2-3為直流電機主磁極示意圖。主磁極用來產生氣隙磁場，并使電樞表面的氣隙磁通密度按一定波形沿空間分布。主磁極包括主磁極鐵芯和勵磁繞組。主磁極鐵芯由1mm～1.5mm厚的低碳鋼薄板沖片疊壓而成。勵磁繞組用圓形或矩形純銅絕緣電磁線制成。各磁極的勵磁繞組串聯連接成一路，以保證各主極勵磁繞組的電流相等。

大的直流電機在極靴上開槽,槽內嵌放補償繞組，與電樞繞組串聯，用以抵消極靴范圍內的電樞反應磁動勢，從而減少氣隙磁場的畸變，改善換向，提高電機運行可靠性。

1—主磁極鐵芯；2—極靴；3—勵磁繞組；

4—繞組絕緣；5—機座；

6—螺桿 圖2-3　主磁極示意圖

1—換向極鐵心；2—換向極繞組

圖2-4　換向極示意圖

2.換向極

也稱附加極，用于改善直流電機的換向性能，其作用原理將在2.7節中介紹。換向極由換向極鐵芯和換向極繞組組成。其鐵心一般也用1mm～1.5mm厚的低碳鋼薄板沖片疊壓而成。換向極繞組必須和電樞繞組相串聯，由于要通過的電樞電流較大，通常采用較粗的矩形截面導體繞制而成。圖2-4為換向極示意圖。換向極安裝在兩相鄰主極之間，其數目一般與主極數相等。小功率直流電機可不裝換向極。

3.機座

直流電機的機座用來固定主極、換向極、端蓋等，并借助底腳將電機固定在基礎上。同時，直流電機的機座是磁極間的磁通路徑(稱為磁軛)，所以用導磁性好、機械強度較高的鑄鋼或厚鋼板制成，不能采用鑄鐵。

4.電樞鐵芯

電樞鐵心用來通過磁通并嵌放電樞繞組，是主磁路的一部分。由于轉子在定子主磁極產生的恒定磁場內旋轉，因此電樞鐵芯內的磁通是交變的，為減少渦流和磁滯損耗，通常用兩面涂絕緣漆的0.5mm硅鋼片疊壓而成。沖片上有均勻分布的嵌放電樞繞組的槽和軸向通風孔。

5.電樞繞組

電樞繞組是產生感應電動勢和電磁轉矩，實現機電能量轉換的關鍵部件。容量較小的直流電機的電樞繞組用圓形電磁線繞制而成，而大多數直流電機的電樞繞組均用矩形絕緣導線繞制成定形線圈，然后嵌入電樞鐵心的槽中，如圖2-5所示。線圈與鐵心之間以及上、下層線圈之間都必須妥善絕緣。為了防止電樞旋轉時離心力的作用，繞組在槽內部分用絕緣槽楔固定，而伸到槽外的端接部分則用非磁性鋼絲扎緊在線圈支架上。

6.換向器

換向器是直流電機特有的關鍵部件，將電樞繞組內部的交流電勢轉換成電刷間的直流電勢。換向器的質量好壞將直接影響直流電機的運行可靠性。換向器由許多稱為換向片的、彼此互相絕緣的銅片組合而成，有多種結構形式，圖2-6為常見的一種形式。由圖可見，換向器由V型套筒、換向片、云母片（換向片間的絕緣）和壓緊圈等組成緊密整體。小型換向器用熱固性環氧樹脂熱壓成整體。電樞繞組端部嵌放在換向片端部槽內，并焊接在一起。

圖2-5　電樞繞組在槽內的原理圖

圖2-6　換向器示意圖

7.電刷裝置

電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成，如圖2-7所示。電刷放在刷握上的刷盒內，用彈簧將電刷壓緊與換向器表面緊密接觸，保證電樞轉動時電刷與換向器表面有良好的接觸。電刷裝置與換向器配合將轉動的電樞繞組和靜止的外電路連通。

（a）刷握與電刷

（b）電刷裝置 圖2-7

電刷裝置示意圖

8.氣隙

定、轉子之間的氣隙是主磁路一部分，其大小直接影響運行性能。由于氣隙磁場由直流勵磁產生，因此直流電機的氣隙可比異步電動機大得多，小型直流電機為1～3mm，大型直流電機可達12mm。

2、直流電機的工作原理

直流電機的工作原理可由圖2-8所示的直流電機最簡模型來說明。直流電機可分為電動機運行和發電機運行兩種運行狀態。

1.電動機運行

圖2-8中N和S是定子主磁極直流勵磁后所產生的恒定磁場，當電刷Ａ和Ｂ間外施直流電壓U，若Ａ刷與電源的“＋”極相連，Ｂ刷與電源的“－”極相連，則在圖示瞬間，外電流I經電刷Ａ及與之相接觸的換向片進入繞組元件abcd，如元件內的電流為ia，則ia的方向為從Ａ刷→a→b→c→d→Ｂ刷。ia與磁場相互作用，產生電磁力f，方向根據左手定則確定，如圖2-8(b)所示。

作用在電樞圓周切線方向的電磁力f將產生電磁轉矩Ｔem，方向為逆時針。當電磁轉距Ｔem大于負載轉距Ｔ2和空載轉距Ｔ之和時，在電磁轉距Ｔem作用下，電樞以n速度按逆時針方向旋轉。同時，轉動的電樞繞組切割恒定磁場，感應電動勢e，方向按右手定則確定，與ia正好相反。

圖2-8　直流電動機的工作模型

轉過180°的位置后，由于電刷Ａ通過換向片仍與處在Ｎ極下的元件邊相連，所以從空間上看，ia的方向不變，

即從Ａ刷→d→c→b→a→Ｂ刷，電磁轉矩Ｔem仍是逆時針方向，因此n亦不變。但ia相對于元件abcd來說，已改變了方向。所以直流電機在作電動機運行時。

有以下幾個特點：

（1）電刷間外施電壓Ｕ和外電流Ｉ均為直流，通過換向片和電刷的作用，在每個電樞線圈內流動的電流ia變成了交流，同時產生的感應電動勢e亦為交流。

（2）元件內的感應電動勢e和電流ia的方向相反，故稱e為反電動勢。

（3）某一固定的電刷(如Ａ刷)只與處在一定極性(Ｎ極)磁極下的導體相連接。由于處在一定極性下的導體電動勢和電流的方向是不變的，因此，由電樞電流所產生的磁場在空間上也是固定不變的。

（4）電磁轉矩Ｔem起驅動作用，即n與Ｔem同方向，所以只要電動機外部持續不斷地供給電能，電動機就有持續不斷的電磁轉矩Ｔem去驅動生產機械或設備。然而，只有一個元件的電動機，其所產生的電磁轉矩是脈動的。所以實際電動機中在圓周表面均勻開有較多的槽，槽內嵌放著相當多的元件，使所得的電磁轉距Ｔem基本上不變。

2.發電機運行

發電機運行時的直流電機工作模型如圖2-9所示，圖中的電刷Ａ和Ｂ間外接的是直流負載，電機由一原動機拖動以逆時針方向旋轉。在圖示瞬間，元件邊ab的感應電勢方向為b端到a端，元件邊cd的感應電勢方向為d端到c端，

元件中的電流ia的方向為B刷→d→c→b→a→Ａ刷，元件邊ab、cd產生電磁力f，作用在電樞圓周切線方向的電磁力f將產生電磁轉矩Ｔem，方向為順時針，與電機旋轉方向相反。轉過180°的位置后，元件內的電流ia的方向為從Ｂ刷→a→b→c→d→Ａ刷，外電路中的電流I的方向仍不變，產生的電磁轉矩Ｔem方向仍為順時針。

圖2-9　直流發電機的工作模型

由上面分析可見，直流電機在作發電機運行時，有以下幾個特點：

（1）在每個電樞線圈內流動的電流ia為交流，同時產生的感應電勢e亦為交流。

（2）電刷間為直流電勢，而元件內的感應電動勢e和電流ia的方向相同。

（3）由電樞電流所產生的磁場在空間上也是固定不變的。

（4）n與電磁轉矩Ｔem反方向，電磁轉矩Ｔem起制動作用。

3、直流電機的勵磁方式

勵磁方式是指勵磁繞組中勵磁電流獲得的方式。分他勵、并勵、串勵和復勵，復勵又分積復勵和差復勵。直流電機采用不同的勵磁方式時，電機的運行性能差別較大。以電動機為例。

1.他勵

勵磁繞組與電樞繞組在電路上互不相連，由兩個獨立的直流電源Ｕf和Ｕ分別向勵磁繞組和電樞繞組供電，如圖2-10(a)所示。由永磁體做成主磁極的亦可看作他勵的一種。

由于勵磁電流Ｉf的大小與電樞端電壓Ｕ和電樞電流Ｉa無關，一般情況下勵磁繞組的匝數較多,截面積較小，Ｉf相對于Ｉa來說，要小得多。

2.并勵

勵磁繞組與電樞繞組并聯，由同一直流電源Ｕ供電，如圖2-10(b)所示。因勵磁回路自成一路，所以一般也與他勵一樣，選較小的勵磁電流，較多的勵磁繞組匝數。對并勵直流電動機來說，電源提供的線路電流Ｉ=Ｉa Ｉf。

3.串勵

勵磁繞組與電樞繞組串聯，如圖2-10(c)所示。因此，直流電動機時，電源提供的線路電流I、電樞電流Ia和勵磁電流Ｉf是相等的，即I=Ia=If。由于電樞電流較大，所以串勵繞組的截面積大，匝數少。

4.復勵

同時具有并勵繞組和串勵繞組稱為復勵，如圖2-10(d)所示。并勵繞組和電樞繞組并聯后再與串勵繞組聯相串聯稱為短復勵，如圖2-10(d)中虛線①所示；串勵繞組和電樞繞組串聯后再與并勵繞組相并聯，相應于圖2-10(d)中的虛線②，稱為長復勵。短復勵時，流過串勵繞組的電流IS=I；長復勵時，IS=Ia。但無論是短復勵還是長復勵，I=Ia If。

圖2-10　直流電機的勵磁方式

復勵時按產生的磁動勢相互疊加結果分積復勵和差復勵。如具有Nf匝的并勵繞組所產生的磁動勢為Ｆf=ＩfNf，具有Ns匝的串勵繞組所產生的磁動勢為Ｆs=ＩsNs。積復勵時，Ｆs與Ｆf的方向相同，總勵磁磁動勢∑Ｆ=Ｆf Ｆs；

差復勵時，Ｆs與Ｆf的方向相反，總勵磁磁動勢∑Ｆ=Ｆf-Ｆs。這兩種復勵形式直流電機的運行特性差別很大，直流電動機不采用差復勵，差復勵發電機則作直流電焊機用。

4、直流電機的額定值

額定值是電機生產企業按國家標準對電機產品在指定工作條件下（即額定工作條件）所規定的一些量值。主要額定值通常標在電機的銘牌上。

直流電機的主要額定值有：

（1）額定功率PN，指直流電機輸出的功率，單位為Ｗ或kＷ。

（2）額定電壓UN，指額定狀態下電機出線端的電壓，單位為Ｖ。

（3）額定電流IN，指額定狀態下電機出線端的電流，單位為Ａ。

（4）額定轉速nN，指直流電機轉軸上的轉速，單位為r/min。

此外，直流電機銘牌上還標有電機型號，絕緣等級，額定勵磁電壓ＵfN，額定勵磁電流ＩfN等說明電動機特點的內容。而額定效率ηN、額定轉矩ＴN、額定溫升θN等通常不標注在銘牌上。直流電機的額定功率對直流電動機而言是指它的軸上的輸出機械功率，其表達式為：PN＝UNINηN；而對直流發電機則指發電機輸出的電功率，其表達式為：PN＝UNIN。

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來源于《電機學》，本書由潘再平、章瑋、陳敏祥合作編寫

版權歸原作者所有，如有侵權，請聯系刪除

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