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1、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

DC電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以分為兩部分：靜止的部分稱為定子，旋轉(zhuǎn)的部分稱為轉(zhuǎn)子(也叫電樞)。圖2-1和圖2-2分別是DC電機(jī)的縱向和橫向示意圖。

圖2-1 DC電機(jī)縱剖面示意圖

圖2-2 DC電機(jī)橫截面示意圖

DC電機(jī)的定子部分包括底座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等。轉(zhuǎn)子包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風(fēng)扇和轉(zhuǎn)軸。

1.主磁極

圖2-3是DC電機(jī)主磁極的示意圖。主磁極用于產(chǎn)生氣隙磁場，使電樞表面的氣隙磁通密度沿空間按一定波形分布。主磁極包括主磁極鐵芯和勵磁繞組。主磁極鐵芯由厚度為1 mm ~ 1.5 mm的低碳鋼片疊壓而成，勵磁繞組由圓形或矩形純銅絕緣電磁線制成。每個磁極的勵磁繞組串聯(lián)成一個回路，以保證每個主磁極的勵磁繞組的電流相等。

大型DC電機(jī)在極靴上開槽，補(bǔ)償繞組嵌在槽內(nèi)，與電樞繞組串聯(lián)，抵消極靴內(nèi)電樞反應(yīng)磁動勢，從而減小氣隙磁場畸變，改善換向，增加電機(jī)運(yùn)行可靠性。

1-主磁極鐵芯；二極靴；3-勵磁繞組；

4繞組絕緣；5-機(jī)器底座；

6-螺絲圖2-3主磁極示意圖

1-換向器芯；雙換向器繞組

圖2-4換向器電極示意圖

2.換向器極

也叫附加極，用于改善DC電機(jī)的換向性能，其工作原理將在2.7節(jié)介紹。換向器由換向器芯和換向器繞組組成。其鐵芯一般由1毫米~ 1.5毫米厚的低碳鋼薄板迭片制成。換向繞組必須與電樞繞組串聯(lián)。因?yàn)橐ㄟ^的電樞電流很大，所以它通常由較厚的矩形截面導(dǎo)體制成。圖2-4是換向極的示意圖。換向器安裝在兩個相鄰的主極之間，其數(shù)量一般與主極數(shù)量相等。小功率DC電機(jī)可能不配備換向極。

3.機(jī)器底座

DC電機(jī)的底座用于固定主極、換向極、端蓋等。電機(jī)借助腳固定在底座上。同時，DC電機(jī)的底座是磁極之間的磁通路徑(稱為磁軛)，所以采用導(dǎo)磁性好、機(jī)械強(qiáng)度高的鑄鋼或厚鋼板，而不是鑄鐵。

4.電樞鐵芯

電樞是用來傳遞磁通量和嵌入電樞繞組的，電樞繞組是主磁路的一部分。因?yàn)檗D(zhuǎn)子在定子主磁極產(chǎn)生的恒定磁場中旋轉(zhuǎn)，所以電樞鐵芯中的磁通量是交變的。為了減少渦流和磁滯損耗，通常層壓兩面涂有絕緣漆的0.5毫米硅鋼片。沖片上有均勻分布的槽和軸向通風(fēng)孔，用于嵌入電樞繞組。

5.電樞繞組

電樞繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。較小的DC電機(jī)的電樞繞組用圓形電磁線纏繞，而大多數(shù)DC電機(jī)的電樞繞組用矩形絕緣線纏繞形成異形線圈，然后嵌入電樞鐵芯的槽中，如圖2-5所示。它必須與線圈鐵芯以及上下線圈之間適當(dāng)絕緣。為了防止電樞旋轉(zhuǎn)時的離心力，繞組在槽內(nèi)的部分用絕緣槽楔固定，而伸出槽外的端子部分用非磁性鋼絲緊固在線圈支架上。

6.整流器

換向器是DC電機(jī)獨(dú)特的關(guān)鍵部件，它將電樞繞組內(nèi)部的交流電勢轉(zhuǎn)換成電刷之間的DC電勢。換向器的質(zhì)量將直接影響DC電機(jī)的運(yùn)行可靠性。換向器由許多相互絕緣的銅板組成，稱為換向板，并具有各種結(jié)構(gòu)形式。圖2-6是一個常見的例子。從圖中可以看出

刷子裝置由刷子、刷柄、刷桿和刷桿座組成，如圖2-7所示。電刷放在刷握上的刷盒內(nèi)，電刷由彈簧壓緊，與換向器表面緊密接觸，保證電樞轉(zhuǎn)動時電刷與換向器表面接觸良好。電刷裝置與換向器配合，將旋轉(zhuǎn)的電樞繞組與靜止的外部電路連接起來。

(a)刷握和刷子

(b)刷裝置圖2-7

刷子裝置示意圖

8.氣隙

定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙是主磁路的一部分，其大小直接影響運(yùn)行性能。由于氣隙磁場是由DC勵磁產(chǎn)生的，所以DC電機(jī)的氣隙比異步電機(jī)大得多，小型DC電機(jī)為1 ~ 3 mm，大型DC電機(jī)為1~3mm。

2、直流電機(jī)的工作原理

DC電機(jī)的工作原理可以用最簡單的DC電機(jī)模型來說明，如圖2-8所示。DC電動機(jī)可分為電動機(jī)運(yùn)行和發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

1.電機(jī)操作

在圖2-8中，N和S是定子主極DC勵磁產(chǎn)生的恒定磁場。當(dāng)DC電壓U加在電刷A和B之間時，如果電刷A接電源的“+”極，電刷B接電源的“-”極，則外部電流I將通過電刷A及其接觸換向器進(jìn)入繞組元件abcd。如果元件中的電流為ia，ia的方向?qū)⑹菑腁刷到A刷，與ia磁場相互作用產(chǎn)生電磁力F，其方向根據(jù)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會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩TEM，方向?yàn)槟鏁r針方向。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩TEM大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2和空載轉(zhuǎn)矩T之和時，在電磁轉(zhuǎn)矩TEM的作用下，電樞以速度N逆時針旋轉(zhuǎn)。同時旋轉(zhuǎn)的電樞繞組切割出一個恒定的磁場，感應(yīng)電動勢E，根據(jù)右手定則確定方向，正好與ia相反。

圖2-8 DC電機(jī)的工作模式

轉(zhuǎn)動180位置后，電刷A仍通過換向器與N極下的元件邊緣相連，因此ia的方向在空間上不變。

即從刷a  d  c  b 刷a  b，電磁轉(zhuǎn)矩TEM還是逆時針方向，所以n不變。但是，ia相對于abcd改變了方向。因此，當(dāng)DC馬達(dá)作為馬達(dá)運(yùn)行時。

它具有以下特點(diǎn)：

(1)電刷之間的外加電壓U和外部電流I為DC。通過換向器和電刷的作用，每個電樞線圈中流過的電流ia變成交流電，同時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E為交流電。

(2)元件中感應(yīng)電動勢E與電流ia方向相反，故E稱為反電動勢。

(3)固定電刷(如電刷A)只在某一極性(N極)下與導(dǎo)體連接。因?yàn)閷?dǎo)體在一定極性下的電動勢和電流的方向是恒定的，電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上也是固定的。

(4)電磁轉(zhuǎn)矩TEM起驅(qū)動作用，即N與TEM同向，所以只要電機(jī)的外接電源持續(xù)供給，電機(jī)就會有持續(xù)的電磁轉(zhuǎn)矩TEM來驅(qū)動生產(chǎn)機(jī)械或設(shè)備。但是，只有一個部件的電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是脈動的。所以在實(shí)際電機(jī)中，圓周面上均勻分布著許多凹槽，有相當(dāng)多的元件嵌在凹槽中，這樣得到的電磁轉(zhuǎn)矩TEM基本不變。

2.發(fā)電機(jī)運(yùn)行

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時DC電機(jī)的工作模式如圖2-9所示。圖中DC負(fù)載外接在電刷A和B之間，電機(jī)由原動機(jī)拖動逆時針旋轉(zhuǎn)。在圖中所示的時刻，元件側(cè)ab的感應(yīng)電勢方向是從B到A，元件側(cè)cd的感應(yīng)電勢方向是從D到C，

元件中電流ia的方向?yàn)锽刷 D  C  B  A  A刷，元件的邊緣ab和cd產(chǎn)生電磁力F，電磁力F作用在電樞圓周的切線方向上會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩TEM，該轉(zhuǎn)矩為順時針方向，與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反。轉(zhuǎn)動180后，方向

(1)每個電樞線圈中流過的電流ia為AC，同時產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為AC。

(2)電刷之間存在DC電勢，而元件中的感應(yīng)電動勢E和電流ia方向相同。

(3)電樞電流產(chǎn)生的磁場在空間上也是固定的。

(4)n與電磁轉(zhuǎn)矩TEM相反，起制動作用。

3、直流電機(jī)的勵磁方式

勵磁方式是指在勵磁繞組中獲得勵磁電流的方式。分勵、并聯(lián)勵、串聯(lián)勵和復(fù)合勵，復(fù)合勵又分為積復(fù)合勵和差復(fù)合勵。當(dāng)DC電機(jī)采用不同的勵磁方式時，電機(jī)的運(yùn)行性能差別很大。以電機(jī)為例。

1.他激動了

勵磁繞組和電樞繞組在電路中互不相連，兩個獨(dú)立的DC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。永磁體制成的主磁極也可以看作是一種他勵。

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(guān)，一般來說，勵磁繞組的匝數(shù)大，截面積小，所以IF比IA小很多。

2.并激

勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，由同一個DC電源U供電，如圖2-10(b)所示。由于勵磁回路自成一體，一般與其他勵磁相同，勵磁電流較小，勵磁繞組匝數(shù)較多。對于并聯(lián)DC電機(jī)，電源提供的線電流I=Iaif。

3.串聯(lián)激勵

勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖2-10(c)所示。因此，當(dāng)DC電機(jī)運(yùn)行時，電源提供的線電流I、電樞電流Ia和勵磁電流IF相等，即I=Ia=If。由于電樞電流大，串聯(lián)繞組的截面積大，匝數(shù)少。

4.復(fù)合激勵

同時具有并聯(lián)繞組和串聯(lián)繞組的稱為復(fù)合勵磁，如圖2-10(d)所示。并聯(lián)繞組和電樞繞組并聯(lián)后與串聯(lián)繞組串聯(lián)，稱為短復(fù)勵，如圖2-10(d)中虛線所示；串聯(lián)繞組和電樞繞組串聯(lián)后與并聯(lián)繞組并聯(lián)，對應(yīng)圖2-10(d)中的虛線，稱為長復(fù)勵。復(fù)勵短路時，流過串聯(lián)繞組的電流為=I；帶長復(fù)合勵磁，IS=Ia。但無論是短復(fù)合激勵還是長復(fù)合激勵，I=Ia If。

圖2-10 DC電機(jī)的勵磁方式

根據(jù)產(chǎn)生的磁動勢相互疊加的結(jié)果，復(fù)合勵磁分為積復(fù)合勵磁和差復(fù)合勵磁。例如，Nf匝并聯(lián)繞組產(chǎn)生的磁動勢為FF=IFNF，ns匝串聯(lián)繞組產(chǎn)生的磁動勢為FS=ISNS。復(fù)合勵磁時，fs和ff方向相同，總勵磁磁動勢f=ff fs；

復(fù)合勵磁時，fs與ff方向相反，總勵磁磁動勢 f=ff-fs。兩種復(fù)合勵磁DC電動機(jī)的運(yùn)行特性有很大不同。DC電機(jī)不采用差動復(fù)合勵磁，而是采用差動復(fù)合勵磁發(fā)電機(jī)作為DC焊機(jī)。

4、直流電機(jī)的額定值

額定值是電機(jī)制造商根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)定的工作條件(即額定工作條件)下規(guī)定的一些數(shù)值。主要額定值通常標(biāo)在電機(jī)的銘牌上。

DC汽車公司的主要評級是：

(1)額定功率PN是指DC電機(jī)的輸出功率，單位為w或kw。

(2)額定電壓UN是指額定狀態(tài)下電機(jī)出口端的電壓，單位為v。

(3)額定電流IN是指額定狀態(tài)下電機(jī)出口處的電流，單位為a。

(4)額定轉(zhuǎn)速nN是指DC電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的速度，單位為轉(zhuǎn)/分。

此外，DC電機(jī)的銘牌上還標(biāo)有電機(jī)型號、絕緣等級、額定勵磁電壓UFN、額定勵磁電流IFN等描述電機(jī)特性的內(nèi)容。額定效率N、額定轉(zhuǎn)矩TN、額定溫升N等。通常是沒有標(biāo)記的。