直流电机工作原理和结构

一、直流电机的基本工作原理直流电机可分为直流电动机和直流发电机两大类，其工作原理可通过模型加以说明。直流发电机的工作原理图1—1所示为直流发电机的物理模型。在图1—1中N、S为磁场，磁极固定不动，称为直流电机的定子。abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体是直流电机可转动部分，称为电机转子(又称电枢)。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可以随线圈一同转动的导电片上，该导电片称为换向片。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。在定子与转子间有间隙存在，称为空气隙，简称气隙。在直流发电机的模型中，当有原动机拖动转子以一定的转速逆时针旋转时，根据电磁感应定律可知，在线圈abcd中将产生感应电动势。设每边导体中的感应电势为e，则线圈电势为2e，电势e的瞬时值为：式中，e为导体感应电动势，单位为V;BX为导体所在处的磁通密度，单位为Wb/m;l为导体ab或cd的有效长度，单位为m;v为导体ab或cd与BX间的相对线速度，单位为m/s。导体中感应电动势的方向可用右手定则确定。在逆时针旋转情况下，如图1—1(a)所示导体ab在N极下，感应电动势的极性为a点高电位，b点低电位;导体cd在S极下，感应电动势的极性为c点高电位，d点低电位，在此状态下电刷A的极性为正，电刷B的极性为负。当线圈旋转1800后，如图1—1(b)，导体ab在S极下，导体ab则在N极下，此时导体中的感应电动势方向已改变，但由于原来与电刷A接触的换向片已经与电刷B接触，而与电刷B接触的换向片时换到与电刷入接触，因此电刷入的极性仍为正，电刷B的极性仍为负。密1—1直流发电机模型从图1—1中可以看出，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总为正，而电刷B的极性总为负，在电刷两端可获得直流电动势。实际直流发电机的电枢是根据实际应用情况需要有多个线圈。线圈分布于电枢铁心表面的不同位置上，并按照一定的规定连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替放置多处。直流电动机的工作原理把电刷入、B接到一直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，根据电枢线圈中将有电流流过。如图1—2(a)所示，设线圈的ab边位于N极下，线圈的cd边位于S极下，载流导体在磁场中受到电磁力的作用，其大小为：式中，f为电磁力，单位为N;BX为导体所在处的磁通密度，单位为Wb/m;l为导体ab或cd的有效长度，单位m;i为导体中流过的电流，单位为A。导体受力方向由左手定则确定。在图1—2(a)的情况下，位于N极下的导体ab受力方向为从右向左，而位于S极下的导体cd受力方向为从左到右。导体所受电磁力对轴产生一转矩，这种由于电磁作用产生的转矩称为电磁转矩，电磁转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻力矩时，线圈按逆时针方向变为从右向左;而原位于N极下的导体ab转到S极下，导体ab受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但N极下的导体受力方向和S极下导体受力的方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。二、电机的可逆原理任何一台电机既可作发电机运行，也可作电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。电机的可逆原理不仅适用于直流电机，也适用于交流电机。电机的实际运行方式由外施条件决定：如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出电能，电机作为发电机运行;如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械能，则电机作为电动机运行。直流电机的结构直流电动机和直流发电机的结构基本是相同的，即都有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部分称为定子，在定子和转子之间存在着空气隙。小型直流电动机结构如图1—3所示，其剖面结构如图1—4所示。图1—3小型直流电动机的结构图1—4小型直流电动机的剖面结构一、定子部分定子的作用，在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械方面是整个电机的支撑，定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖和轴承组成。（一）主磁极主磁极的作用是产生恒定、有一定的空间分布形状的气隙磁通密度。主磁极由主磁极铁心和放置在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心分成极身和极靴，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，同时极靴对励磁绕组也起支撑作用。为减小涡流损耗，主磁极铁心是用1.0〜1.5mm厚的低碳钢板冲成一定形状，用铆钉把冲片铆紧，然后再固定在机座上。主磁极上的线圈是用来产生主磁通的，称为励磁绕组。主磁极的结构如图1—5a所示。当给励磁绕组通入直流电时，各主磁极均产生一定极性，相邻两主磁极的极性是N、S交替出现的。（二）机座直流电机的机座有两种形式，一种为整体机座，另一种为叠片机座。整体机座是用导磁率效果较好的铸钢材料制成的，该种机座能同时起到导磁和机械支撑作用。由于机座起导磁作用，因此机座是主磁路的一部分，成为定子铁轭。主磁极、换向极及端盖均固定在机座上，机座起支撑作用。一般直流电机均采用整体机座。叠片机座是用薄钢板冲片叠压成定子铁轭，再把定子铁轭固定在一个专起支撑作用的机座里，这样定子铁轭和机座是分开的，机座只起支撑作用，可用普通钢板制成。叠片机座主要用于主磁通变化快，调速范围较高的场合。（三）换向极换向极又称为附加极，其结构如图1—5b所示，换向极安装在相邻的两主磁极之间，用螺钉固定在机座上，用来改善直流电机的换向，一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。换向极是由换向极铁心和换向极线圈组成。换向极铁心可根据换向要求用整块钢制成，也可用厚1〜1.5mm厚钢板或硅钢片叠成，所有的换向极线圈串联后称换向绕组，换向绕组与电枢绕组串联。换向极数目一般与主极数目相同，但在功率很小的直流电机中，只装主极数一半的换向极或不装换向极。换向极极性根据换向要求确定。（四）电刷电刷装置的作用是通过电刷和旋转的换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路连接起来。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座和汇流条组成，电刷的结构如图1—6所示。电刷是用石墨制成的导电块，放在刷握内，用弹簧以一定的压力将它压在换向器的表面上。刷握用螺钉夹紧在刷杆上，刷杆装在一个可以转动的刷杆座上，成为一个整体部件。刷杆与刷杆座之间是绝缘的，以免正、负电刷短路。（五）端盖电机中的端盖主要起支撑作用。端盖固定在机座上，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。图1—5直流电机主破极和换向租结构SJ1—6电刷的结相FI图1—5直流电机主磁极和换向极结构图1—6电刷的结构a）主磁极结构;b）换向极结构二、转子部分转子又称电枢，是电机的转动部分，其作用是感应电势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换，转子由电枢铁心、换向器、电机转轴、电枢绕组、轴承和风扇组成。（一）电枢铁心电枢铁心的作用是通过磁通（电机磁路的一部分）和嵌放电枢绕组。为减小当电机旋转时铁心中的磁通方向发生变化引起的磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，叠片两面涂有绝缘漆。铁心叠片沿轴向叠装，中小型电机的电枢铁心通常直接压装在轴上;在大型电机中，由于转子直径较大，电枢铁心压装在套于轴上的转子支架上。电枢铁心冲片上冲有放置电枢绕组的电枢槽、轴孔和通风孔。图1—7所示为小型直流电机的电枢冲片形状和电枢铁心装配图。图1—7电枢冲片疆挪溪®猷3成魏艮图1—7电枢冲片和电枢铁心装配图（二）换向器换向器又称为整流子，对于发电机，换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动势转变为直流电动势向外部输出直流电压，对于电动机，它是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电机旋转。换向器结构如图1—8所示。换向器是由换向片组合而成，是直流电机的关键部件，也是最薄弱的部分。换向器采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。换向片的底部做成燕尾形状，换向片的燕尾部分嵌在含有云母绝缘的V型钢环内，拼成圆筒形套入钢套筒上，相邻的两换向片间以0.6〜1.2mm的云母片作为绝缘，最后用螺旋压圈压紧。换向器固定在转轴的一端。换向片靠近电枢绕组一段的部分与绕组引出线相焊接。叫g留寿iL我勾片图1叫g留寿iL我勾片㊉帅fq呻嚣蘑§或貌左图1—8换向器结构（a）换向片；（b）换向器（三）转轴转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。（四）电枢绕组电枢绕组安放在电枢铁心槽内，随着电枢旋转，在电枢绕组中产生感应电势；当电枢绕组中通过电流时，能与磁场作用产生电磁转矩，使电枢向一定的方向旋转。在电机中每一个线圈称为一个元件，多个元件有规律地连接起来形成电枢绕组。绕制好的绕组放置在电枢铁心上的槽内，放置在铁心槽内的直线部分在电机运转时将产生感应电动势，称为元件的有效部分；在电枢槽两端把有效部分连接起来的部分称为端接部分，端接部分仅起连接作用，在电机运行过程中不产生感应电动势。电枢绕组用圆铜线或矩形截面铜导线制成，铜线的截面积决定于线圈中通过电流的大小。在直流电机电枢槽的剖面图中，除导线本身包有绝缘外，上下层线圈间及线圈和铁心之间都必须妥善绝缘。为了防止线圈在离心力作用下甩出，在槽口处用槽楔将线圈边封在槽内，线圈伸出槽外的端接部分，用热固性无纬玻璃丝带或非磁性钢丝扎紧。槽楔可用竹片或酚醛玻璃布板制成。基本知识电枢绕组根据连接规律的不同，绕组可分为单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组及混合绕组等几种型式。下面介绍绕组的基本知识。元件：线圈是构成绕组的基本单元，又称绕组元件（线圈单元），元件分为单匝和多匝绕组两种。元件的首末端：每一个元件不管是单匝还是多匝，均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一端称为末端。实槽和虚槽：直流电机的电枢绕组放置在电枢铁心上的槽内，通常采用双层绕组，沿槽深方向每槽有两个元件边，为了避免各线圈互相交叠，每一元件有一个有效边放在槽的上层，称为上层边;另一有效边放在另一槽的下层，称为下层边。与上层边相连的出线端称为始端，与下层边相连的出线端称为末端。图1-9表示元件在槽内的放置情况。为了改善电机性能，希望用较多的线圈来组成电枢绕组。由于工艺等原因，电枢铁心上不便开太多的槽，只能使每个线圈内包含有若干个线圈单元，所以，每个槽内的上下层各放置若干个线圈单元边，这时，为了确切的说明这些单元边的具体位置，引入虚槽的概念。每一个虚槽由一个上层线圈单元边和一个下层线圈单元边组成。设电枢槽内每层有四个线圈单元边，则把每一个实际的槽看作包含四个虚槽。图1-10表示一个实槽内包含一个，两个和三个虚槽的情况。实际槽数Z与虚槽数加的关系为：Z呻四Z上慌诂图1-9线圈元件边在槽内的放置情况图1-10实槽与虚槽元件数S和换向片数K：每个元件有两个出线端，每个换向片又与两个不同元件的两个出线端相连接，因而元件数等于换向片数，即S=K。当一个线圈只有一个元件（呻1）时，元件数等于槽数Z,这时，每槽上下层各放一个线圈单元边，即S=Z=K;当一个线圈中有四个元件时，每槽上下层各放四个元件边，此时，元件数和虚槽数相等，即S=K=Z呻四Z。极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离称为极距，用表示。可用下式计算eipcfcinscom也物甄摭乱式中，D为点数铁心外直径，p为直流电机磁极对数。叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件端接部分紧贴在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式进行。波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，像波浪似的前进。直流电机的绕组如图1—11所示。璋案单嗷罗延心隆单质甲双璋案单嗷罗延心隆单质甲双鉴赛电波图1—11直流电机的绕组第一节距：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的元件边数称为第一节距，第一节距用表示。第二节距：连全同一换向片上的两个元件中的第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。第二节距用表示。合成节距：连全同一换向片上两个元件对应边之间的距离，即第一个元件的上层边与第二个元件的上层边间的距离或第一个元件的下层边与第二个元件的下层边间的距离。合成节距用y表示，合成节距与第一节距、第二节距的关系为单器魂组y=y2换向节距：同一元件首、末端连接的换向片之间的距离。换向节距用表示。单叠绕组和单波绕组的节距如图1-12所示。图1一顶提绢节距示意图折)单普!蜒眼R琴使豌继8图1—12绕组节距示意图(a)单叠绕组；(b)单波绕组单叠绕组单叠绕组的特点是相邻元件相互叠压，合成节距与换向节距均为1,即:单叠绕组的节距计算第一节距计算公式如下无=勇土'elecfons^com迦a舟增瓦式中，Z为电机槽数；为使为整数而加的一个小数。当前面为负号时，线圈为短距线圈；当前面为正号时，线圈为长距线圈。长短距线圈的有效边是一样的，但由于长距线圈连接部分比短距线圈要长，使用铜导线较多，因此通常是用短距线圈。单叠绕组的合成节距和换向节距相同，即，一般取，此时的单叠绕组称为右行绕组，元件的连接顺序为从左向右进行。单叠绕组的第二节距由第一节距和合成节距之差计算到，第二节距计算公式如下：(1—5)单叠绕组的展开图电机的绕组展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件均取出来，画在同一展开图里，其作用是展示元件相互间的电气连接关系。除元件外，展开图中还包括主磁极、换向片及电刷以表示元件间、电刷与主磁极间的相对位置关系。在画展开图前应根据所给定的电机极对数P、槽数Z、元件数S和换向片K，算出各节距值，然后根据计算值画出单叠绕组的展开图。下面通过一个具体的例子说明绕组展开图的画法。［例1］已知一台直流电机的极对数p=2，Z=S=K=16,试画出其右行单叠绕组展开图。［解］第一步：计算绕组的各节距y=乳=±1勤=为-y=4-1=3第二步：画元件，用实线代表上层元件，虚线代表下层元件，虚线靠近实线，实线根数等于元件数S，从左向右为实线编号，分别为1至16。第三步：放置主磁极。为了确定电枢绕组中感应电势的方向，需假定电枢的转向，同时画出主极的位置和极性。电机主极在圆周上是对称均匀、NS极交替分布的，每个磁极的宽度约为(0.6〜0.7)。在展开图上对称均匀的划分极距并在每一极距内画上磁极并假设极性，N极表示磁力线方向进入纸面，S极表示磁力线方向离开纸面。根据右手定则，可以确定各导体中感应电势的方向，用单元边上的箭头表示，在N极下的单元边中电势方向均向下;在S极下单元边中的电势均向上，由于几何中心线处的磁密为零，故此处单元边中电势为零，即1、5、9、13号线圈单元中电势为零。因此，电枢电势的分界线是磁场的分界线。第四步：放置换向片，用带有编号的小方块代表各换向片，换向片的编号也是从左向右顺序编排并以第一元件上层边所连接的换向片为第一换向片号。第五步:根据计算所的各节距值连接绕组，第一元件上层边连接第一换向片，根据第一节距找到第一元件的下层边，下层边的一端连接上层边未连换向片的那一端，另一端根据换向节距连接到第二换向片上。根据合成节距第二元件的上层边连接到第二换向片，其下层边连接第三换向片。其余元件与换向片的连接关系类推。

第六步：放置电刷。在展开图中，直流电机的电刷与换向片的大小相同，电刷数与主磁极数相同，放置电刷时应使正负电刷间的感应电动势最大，或被电刷短路的元件感应电动势最小。当把电刷放置在主磁极的中心线处，被电刷短路元件的感应电动势为零，同时正负电刷间的电动势也最大。电枢按图示方向转动，电刷间的电动势方向根据右手定则可判定为为正，为负。单叠绕组的完整展开图如图1—13所示。图1-13单叠绕组展开图图1-14单叠绕组元件连接顺序在实际生产过程中，直流电机电刷的实际位置是电机制造好后通过实验的方法确定的。单叠绕组的元件连接顺序及并联支路图根据图1—13可以直接看出绕组中各元件之间连接规律。在图1—13中，根据第一节距值可知第一槽元件1的上层边，连接到第5槽的元件1的下层边，构成了第1个元件;根据换向节距，第一元件的首、末端分别接到第1、2两个换向片上;根据合成节距求得，第5槽的元件1的下层边连接到第2槽元件2的上层边，这样就把第1、2两个元件连接起来。其余元件的连接依此类推，如图1—14所小。从图中可看出，从第一元件开始，绕电枢一周，把全部元件边都串联起来之后，又回到第一元件的起始点1。可见，整个绕组是一个闭路绕组。根据图1—13和图1—14可得到绕组的并联支路电路图，见图1—15。电刷短接元件为元件1、5、9和13，并联支路对数a与主磁极对数相同，即a=p。由此可见，单叠绕组具有以下特点：同一磁极下的元件串联在一起组成一个支路，这样有几个主磁极就有几条支路。电刷数等于主磁极数，电刷位置应使支路感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。电枢电流等于各并联支路电流之和。应当指出，单叠绕组为保证两电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小，电刷应放置在换向器表面主磁极的中心线位置上，虽然对准主磁极的中心线，但被电刷所短路的元件边仍然位于几何中心线处(所谓几何中心线是指电机空载时磁感应强度为零的线，即两个主磁极之间的极间中心线)。为了简单，今后称电刷放在几何中心线上，就是指被电刷所短路的元件，它的元件边位于几何中心线处。电枢转间台箜丝堕-育图斯闻s橱戢球崖图1—15单叠绕组并联支路图单波绕组单波绕组的节距计算第一节距计算单波绕组的第一节距的计算方法与单叠绕组的计算相同。合成节距y和换向器节距计算选择时，应使串联的元件感应电动势同方向。为此，得把两个串联的元件放在同极性磁极的下面，此时他们在空间位置上相距约为两个极距。其次，当沿周围向一个方向绕了一周，经过p个串联的元件后，其末尾所连的换向片必须落在与起始的换向片相邻的位置，这样才能是第二周元件继续往下连，此时换向总节距数为，即:pyh+1(1一命式中，K为换向片数。由上式可得换向节距为:K+1裁3敏点？在上式中，正负号的选择首先应满足使为整数，其次考虑选择符号。选择负号时的单波绕组称为左行绕组，左行绕组端部叠压少。单波绕组的合成节距与换向节距相同，即。第二节距计算y2=Wi□一的单波绕组的展开图单波绕组的展开图见下例。［例2］已知主磁极极对数p=2，Z=S=K=15,绘制单波左行绕组展开图。［解］首先计算各节距•五153=71=—+s=—--=32p44K-l15-1y=Vk=7-2=y-y!=7-3=4参照单叠绕组的展开图画法、可画出单波绕组的展开图如图1-16所示。———日七岖瞄由图1一康