1、第一篇 直流电机直流电机是电机的主要类型之一，是生产或使用直流电能的机电能量转换装置，也是历史上出现最早的电机。直流电动机以其平滑的调速性能、宽广的调速范围、较大的起动转矩和制动转矩、较高的过载能力而著称，广泛用于驱动电力机车、轧钢机、机床，卷扬机和起重设备中，尤其适用于高精度、高性能的电力拖动系统；直流发电机供电质量较好，常常作为励磁、电解、电镀、电冶金、充电和某些化工工业等的电源。在自动控制领域中也有不少元件应用直流电机，如测速发电机和伺服电动机等。直流电机与交流电机相比，由于有换向器，结构较复杂，成本较高，维护不便，可靠性稍差；尤其是换向问题，使得它的发展和应用受到限制。近年来，由于电力
2、电子技术的迅速发展，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有相当的理论意义和一定的实用价值。本篇研究直流电机的稳态分析和运行，动态分析将在第七篇统一讨论。1617第一章 概 述第一节 直流电机的工作原理一、直流电机的构成图 1-1-1 表示一台最简单的两极直流电机物理模型。它的固定部分称为定子，上面装设一对直流励磁（或是永磁体）的主磁极 N 和 S；在旋转部分称为转子，上面装设电枢铁芯；定子与转子之间有一气隙。电枢铁芯表面上放置由导体 A 和X 构成的电枢线圈；线圈的首端和末端分别连接到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互
3、相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器；换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间也互相绝缘。固定不动的电刷 B1 和 B2 与换向片接触。整个旋转部分为机电能量转换中枢，故称为电枢。电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。 二、直流发电机的工作原理一对主磁极下气隙磁场的分布如图 1-1-2 所示。由于主磁极的 N 极和 S 极是交替布置的，所以若设在 0 s 范围时，气隙磁密为正值，即表示磁力线是从主极进入电枢表面，则在 s2 范围内，气隙磁密为负值，即表示磁力线是从电枢表面进入主极。s 为定子圆周的电角度。当用原动机拖动电枢旋转时，电枢线圈的导体将在气隙磁场中运动而“切割”其磁力线，根据
4、电磁感应定律，每一根导体均将产生感应电动势（1-1-1）lvbes)(式中，b( s)为导体所处位置的磁密，单位为Wb/m2；l 为导体切割磁力线部分的长度，即导体有效长度，单位为 m；v 为导体的线速度，单位为 m/s。感应电动势的方向可用右手定则确定。若电枢沿逆时针方向旋转，在图 1-1-1 所示瞬间，导体 A 处于 N 极下，其电动势方向为由纸面穿出；导体 X 处于 S 极下，其电动势方向为进入纸面。从整个线圈来看，导体 A 与导体 X 的电动势方向是相加的，故线圈电动势为2e，如果电枢以恒速旋转，即 v 为一常数；已制成的电机中，l 是不变的，故 eb( s)。这表明，电机中的导体切割
5、磁力线感应的电动势随时间的变化规律与气隙磁场沿气隙的分布规律相同。将图 1-1-2 所示的 b(s)的分布曲线的比例尺加以适当改变，就可得到线图 1-1-1 最简单的两极直流电机图 1-1-2 气隙磁场的分布18圈电动势随时间的变化曲线，如图 1-1-3 所示。即线圈电动势实际上是交流电动势。然而，线圈电动势不是直接引出，而是通过换向器输出到外电路。由于电刷 B1只与转到 N 极下的导体所连接的换向片相接触；电刷 B2 只与转到 S 极下的导体所连接的换向片相接触。即电刷 B1 总是引出由纸面穿出的电动势；电刷 B2 总是引出进入纸面的电动势。可见，电刷 B1 的极性永远为“+ ”，电刷 B2
6、 则永远为“”极性。交流电动势的负半波被改变了方向，如图 1-1-4 所示。即由于换向器的“整流”作用，使电刷间输出的却是直流电动势。若把B1、B 2 电刷接到负载，则流过负载的电流就是直流电流。这就是直流发电机的工作原理。三、直流电动机的工作原理将直流电压直接加到线圈 AX 上，导体中就有直流电流 i 通过。按电磁力定律，载流导体在磁场中将受到电磁力 f=bil 的作用，作用在线圈上的电磁转矩则为(1-1-2)TbilD式中，D 为电枢的直径。由于电流 i 为恒定，一周中 b 的方向是一正一负，因此电磁转矩将是交变的，无法使电枢作连续的旋转运动。然而，在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈
7、，而是通过电刷 B1、B 2 和换向器再加到线圈上。因为电刷 B1 和 B2 静止不动，电流 i 总是从正电刷 B1 流入，由负电刷B2 流出。这样，电流总是经过 N 极下的导体流入纸面，而经过 S 极下的导体流出纸面。当导体轮流交替地处于 N 极和 S 极下时，导体中的电流随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，并使电动机连续旋转。此时换向器将外电路的直流电流改变为线圈内的交变电流，起到“逆变”作用。这就是直流电动机的工作原理。四、直流电机的可逆性从原理上讲，任何电机既可作为发电机、亦可作为电动机运行，这就是电机的可逆性。若电机由原动机驱动，且电枢的感应电动
8、势 EaU，则电枢将向电网输出电流，电机为发电机状态；此时电磁转矩是制动性质，原动机的驱动转矩克服了制动的电磁转矩，机械能就转换为电能。降低原动机的转速，当电机的励磁电流不变时，电枢的感应电动势降低，当 Ea=U 时，电枢电流和电磁转矩将变成零，此时电机就处于空载状态，原动机输入的机械转矩只克服空载转矩。当电机的转速继续降低，使电枢电动势 EaU，此时电枢将从电网输入电流；相应地，电磁转矩将成为驱动转矩，若去掉原动机，电机仍能图 1-3 线 圈 中 电 动 势 的 波 形 图 1-1-3 线圈中电动势的波形 图 1-1-4 电刷间电动势的波形19保持运行，如果进一步在轴上加上机械负载，则电机将
9、从电网吸取更大的电流以产生更大的电磁转矩，来克服机械负载的制动转矩和空载转矩，于是电机就进入电动机状态，电能就转换为机械能。由此可见，只要具备和满足一定的条件，直流电机既可以作为发电机、亦可以作为电动机运行。电机的可逆性不但适用于直流电机，亦适用于其他各种电机。五、脉动的减小在图 1-1-1 所示的简单模型中，其电动势和电磁转矩都有很大的脉动。为了减少其脉动程度，实际的电枢绕组由多个线圈组成的。这些线圈均匀地分布在电枢表面上，按一定的规律连接起来，如图 1-1-5 所示。电刷 B1 B2 间的电动势应为每条支路串联线圈电动势瞬时值之和，如图 1-1-6 所示，此时电刷间电动势的脉动程度将大为减
10、小。电磁转矩的情况和电动势类似。当电机每极下的导体数大于 8 时，电动势脉动的幅度将小于 1。第二节 直流电机的结构图 1-1-7 表示一台直流电机的结构图。直流电机由定子和转子两部分构成，在定、转子之间有一个储存磁能的气隙。一、定子部分直流电机的定子由主磁极、机座、电刷装置和换向极等组成。图 1-1-6 每极下有 3 个串联线圈时电刷上的电动势波形图 1-1-5 电枢上装有 6 个线圈的两极直流电机图 1-1-7 国产直流电机的结构20主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。主磁极由主极铁芯和套装在铁芯上的励磁绕组构成，如图 1-1-8 所示。为了使主磁通在气隙中分布更加合理，铁芯的下部（称为极靴
11、）比套绕组的部分（称为极身）要宽些，极靴表面的形状影响气隙磁场分布。为了减少电枢旋转时齿、槽依次掠过极靴表面而形成磁密变化造成的铁芯损耗，主磁极铁芯用 11.5厚的低碳钢板冲片叠压紧固而成，整个磁极用螺钉固定在机座上。套装在各磁极上的励磁绕组既可串联，也可并联，但连接时应使相邻的主磁极呈 N、S 交替排列。如果主磁极采用永久磁铁，则为永磁直流电机。机座 机座有两个作用，一是作为主磁路的一部分，二是作为电机的结构框架，用来固定主磁极、换向器及端盖等，起机械支承的作用。机座中作为磁通通路的部分，称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。电刷装置 电刷装置的作用
12、是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起“整流”或“逆变”的作用。它由电刷、刷握、刷杆和连线等构成，如图1-1-9 所示。电刷是石墨或金属石墨做成的导电块，放在刷握内用弹簧压紧在换向器表面上。电枢旋转时，电刷与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上，每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连接线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，调整刷杆座的位置，就同时调整各电刷组在换向器表面上的位置。换向极 换向极装在两个主磁极之间，用以改善换向。换向极亦由铁芯和绕组构成，如图 1-1-10 所示。二、转子部分直流电机的转子称为电枢，由电枢铁芯、电枢绕组
13、、换向器、风扇、轴和轴承等组成。电枢铁芯 电枢铁芯既是电机主磁路的一部分，又用来嵌放电枢绕组。为了减小电枢旋转时电枢铁芯中因磁通变化而引起磁滞及涡流损耗，电枢铁芯通常用 0.5mm 厚且冲有齿和槽的、两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压夹紧而成，如图 1-1-11 所示。小型电机的电枢铁芯冲片直接压装在轴上。大型电机的电枢铁芯冲片先压装在转子支架上，然后再将图 1-1-9 电刷装置图 1-1-10 换向极图 1-1-8 主磁极图 1-1-11 电枢铁芯21支架固定在轴上。为了改善通风，可沿轴向把冲片分几段压装以构成径向通风道。电枢绕组 电枢绕组是由一定数目的线圈按一定的规律连接而组成，它是直流电机的电路
14、部分，用来感生电动势和产生电磁转矩，使电机能实现机电能量转换。线圈用包有绝缘的导线绕成，分上、下层嵌放在电枢铁芯槽内，上、下层之间以及线圈与电枢铁芯之间都要妥善地绝缘，并用槽楔压紧，如图 1-1-12 所示。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。换向器 在直流发电机中，换向器起整流作用；在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此它是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒、其间用云母片绝缘，两端用两个 V 形环夹紧而构成，换向片与 V 形环之间用云母制成的 V 形圈和园筒绝缘，如图 1-1-13 所示。每个电枢线圈首端和末端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型
15、电机常用塑料换向器，它由换向片排成圆筒，再用塑料热压而制成。第三节 直流电机的励磁方式励磁绕组的供电方式，称为励磁方式。直流电机的运行特性因励磁方式的不同而有明显的区别。按照励磁方式，可把直流电机分为他励和自励两大类。一、他励式他励是指直流电机的励磁绕组由另外的电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连接，其接线图如图 1-1-14a所示。永磁式直流电机属于此类，因为由永久磁铁建立主磁场，与电枢电流无关。二、自励式图 1-1-13 换向器图 1-1-12 电枢槽内绝缘图 1-14直 流 电 机 励 磁 方 式 分 类 他 励 式 并 励 式 串 励 式 复 励 式 图 1-1-14 直流电机按励磁方式
16、分类a）他励式 b）并励式 c）串励式 d）复励式22自励式直流发电机利用自身发出的电流励磁；自励式直流电动机则励磁绕组与电枢绕组由同一电源供电。自励式直流电机按励磁绕组与电枢绕组连接方式不同分为三种。并励式 励磁绕组与电枢绕组并联，如图 1-1-14b 所示。并励时，励磁绕组上的电压就是电枢绕组的端电压。串励式 励磁绕组与电枢绕组串联，如图 1-1-14c 所示。串励时，励磁电流就是电枢电流或电枢电流的分流。复励式 主极铁芯上装有两个励磁绕组，一个是与电枢并联的并励绕组，另一个是与电枢串联的串励绕组，如图 1-1-14d 所示。若两励磁绕组产生的磁动势方向相同，则称为积复励；反之，则称为差复
17、励。并励绕组与电枢绕组并联后，再与串励绕组串联，如图 1-1-14d 中实线所示，称为短复励；串励绕组与电枢绕组串联后，再与并励绕组并联，如图 1-1-14d 中虚线所示，称为长复励。第四节 直流电机的铭牌数据直流电机的额定值有：额定功率 PN(kW) 指电机的输出功率。发电机指电刷端输出的电功率；电动机指轴上输出的机械功率。额定电压 UN(V) 指电枢出线端的电压。额定电流 IN(A) 指电机在额定电压下运行，输出功率为额定功率时，电机的线电流。额定转速 nN(r/min) 指转子的转速。额定励磁电流 IfN(A) 额定励磁电压 UfN（仅对他励电机） 。还有一些物理量的额定值，如额定效率 N、额定转矩 TN 和额定温升 N ，不一定标在铭牌上。铭牌还标有型号、励磁方式、定额、绝缘等级等。
