项目一 直流电动机
任务一 认识直流电动机
任务描述
1.通过对小型直流电动机的拆卸，掌握直流电动机的结构。
2.通过对小型直流电动机的装配，掌握直流电动机的工作原理及励磁方式。
学习目标
1.直流电动机的基本结构。
2.直流电动机的工作原理。
3.直流电动机的绕组。
4.直流电动机的铭牌和额定值。
5.直流电动机的种类和用途。
知识平台
一、直流电动机的结构
直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子构成，定子和转子之间存在气隙。直流电动机的主要部件如图1.1.1所示，径向剖面如图1.1.2所示。
1.定子
定子的主要作用是产生磁场和机械支撑，由主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等组成。
图1.1.1 直流电动机的主要部件
1—换向极；2—主磁极；3—磁轭；4—电枢铁芯；5—电枢绕组；6—底脚
图1.1.2 直流电动机径向剖面图
（1）主磁极：主磁极是电动机磁路的一部分，由主磁极铁芯和励磁绕组组成，其作用是产生主磁场。
主磁极铁芯一般用1～1.5mm厚的钢板冲片叠压铆接而成，套绕组的部分称为极身，靠近气隙的部分称为极靴，极靴比极身要宽，以使励磁绕组牢固地套在主磁极铁芯上。励磁绕组由绝缘导线制成，套在主磁极铁芯外面，各主磁极上励磁绕组的连接通常是串联，通电时要保证相邻的极性呈N极和S极交替排列。整个主磁极用螺钉固定在机座上。主磁极结构如图1.1.3所示。
（2）换向极：换向极由铁芯和绕组组成，装在两相邻主磁极之间，其作用是产生换向磁场，改善电动机的换向，使电刷与换向片之间火花减少。如图1.1.4所示。换向极铁芯一般用整块钢或钢板制成，对换向性能要求高的电动机，采用1～1.5mm钢板叠压而成。换向极绕组由绝缘导线绕制而成，且其与电枢绕组串联。整个换向极用螺钉固定在机座上，换向极数目和主磁极数目相等。
1—主磁极铁芯；2—机座；3—励磁绕组；4—极靴
图1.1.3 主磁极结构图
1—换向极铁芯；2—换向极绕组
图1.1.4 换向极
（3）机座：机座是电动机的机械支撑，用来固定主磁极、换向极和端盖等零件。机座又是电动机磁路的一部分，机座中磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座的机械强度和导磁性能，机座通常由铸钢或厚钢板焊接而成。
（4）电刷装置：电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧和铜丝辫等组成，如图1.1.5所示。其作用是将直流电压、直流电流引入或引出电枢绕组。电刷由石墨制成，放在刷握内，用弹簧压紧在换向片表面。刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷架上，它们彼此之间绝缘。整个电刷装置的位置调整好后，将其固定。一般电刷装置的组数与电动机的主磁极极数相等。
2.转子
转子的作用是感应电动势并产生电磁转矩，从而实现机电能量转换。它包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、轴和风扇等。
（1）电枢铁芯：电枢铁芯是电动机磁路的一部分，铁芯中嵌放着电枢绕组，如图1.1.6所示。为减少电动机中的铁损耗，常将电枢铁芯用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，冲片圆周外缘均匀地冲有许多齿和槽，槽内嵌放电枢绕组；冲片上一般还冲有许多圆孔，以形成改善散热效果的轴向通风孔，如图1.1.7所示。
1—刷握；2—铜丝辫；3—压紧弹簧；4—电刷
图1.1.5 电刷装置
图1.1.6 电枢铁芯
1—齿；2—槽；3—轴向通风孔
图1.1.7 电枢铁芯冲片
（2）电枢绕组：电枢绕组是电动机的电路部分，其作用是产生电磁转矩和感应电势，是实现机电能量转换的关键部件。它由许多按一定规律连接的线圈组成，线圈一般用带绝缘的圆形或矩形截面导线绕制而成，嵌放在电枢槽中，线圈的一条有效边嵌放在某个槽的上层，另一条有效边则嵌放在另一个槽的下层，如图1.1.8所示。槽内的线圈上、下层之间及线圈与铁芯之间均包有绝缘，如图1.1.9所示。在槽口处用槽楔压紧绕组，端部用钢丝或无纬玻璃丝带扎紧，以防止绕组被离心力甩出。
1—上层有效边；2，5—端接部分；3—下层有效边；4—线圈尾端；6—线圈首端
图1.1.8 线圈在槽内安放示意图
1—槽楔；2—线圈绝缘；3—导体；4—层间绝缘；5—槽绝缘；6—槽底绝缘
图1.1.9 电枢槽内的导体和绝缘
（3）换向器：换向器是直流电动机的关键部件。其作用是在电动机中和电刷一起将电动机外部的直流转换成绕组内的交流；在发电机中和电刷一起将发电机内部的交流转换成外部的直流。换向器由许多彼此绝缘的换向片组成，换向片之间用0.4～1.2mm的云母片绝缘，电枢绕组每个线圈的两端分别焊接在两个换向片上。
二、直流电动机的工作原理
直流电动机的工作原理图如图1.1.10所示。直流电动机接在直流电源上，直流电流从电刷A流入，经换向片1、线圈abcd、换向片2、电刷B流出，ab处于N极下，dc处于S极下，如图1.1.10（a）所示。电枢上的载流导体在主极磁场中将受到电磁力作用，根据左手定则，ab边受到的力向左，cd边受到的力向右，电磁力所形成的转矩使线圈沿逆时针方向转动。
当电枢转过半周时，如图1.1.10（b）所示，cd处于N极下，ab处于S极下时，电流仍从电刷A流入，经换向片2、线圈dcba、换向片1，最后从电刷B流出。根据左手定则，cd边受到的力向左，ab边受到的力向右，电磁力所形成的转矩仍使线圈沿逆时针方向转动。
图1.1.10 直流电动机的工作原理图
由以上分析可知，直流电动机的工作原理是：在电刷A和电刷B上加直流电压，经电刷和换向器的作用使同一主磁极下线圈边中的电流方向不变，以及使该主磁极下线圈边所受电磁力的方向也不变，从而产生单一方向的电磁转矩，使电枢沿同一方向连续旋转。
三、直流电动机的绕组
1.直流电枢绕组的基本知识
电枢绕组是直流电动机产生电磁转矩和感应电动势，实现机电能量转换的枢纽。直流电动机的电枢绕组是由结构和形状相同的线圈按照一定的规律连接而成的闭合绕组，它有单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组及混合绕组等形式。
（1）绕组元件
电枢绕组的线圈称为绕组元件，由高强度聚酯漆包线绕制而成。每个元件的两个边都分别安放在不同的槽中。在槽内能切割主磁场、感应电动势和产生电磁转矩的元件边，称为元件的有效边；而处于槽外部分，仅起连接作用的部分称为端接，元件的两个出线端分别称为首端和尾端。电枢绕组一般做成双层绕组，将元件的有效边放在槽的上层，称作上层边，绘图时画成实线；另一个有效边放在另一个槽的下层，称作下层边，绘图时画成虚线。每个元件可以是单匝，也可以是多匝。一个两匝的单叠绕组和单波绕组元件如图1.1.11所示。
图1.1.11 电枢绕组的基本形式
一个元件有两个元件边，每一个换向片上总是接一个元件的上层边和另一个元件的下层边，所以元件数S和换向片数K相等。每个电枢槽的上、下层分别嵌放不同元件的两个元件边，所以元件数S和槽数Z相等，即
在直流电动机中往往在一个电枢槽的上层和下层各放u个元件边，通常将一个上层边和一个下层边称为一个虚槽。虚槽数ZU与实槽数Z的关系为：
为了正确地把各元件安放入电枢槽内，并且和相应的换向片按一定的规律连接起来，需要先了解绕组的基本术语。
（2）极距τ
所谓极距，是指一个磁极在电枢圆周所占的弧长。如果用字母τ来表示极距，用Da表示电枢直径，p表示磁极对数，则：
通常用一个磁极在电枢表面所占的虚槽数来表示极距，即（3）绕组节距
① 第一节距y1指一个元件的两个有效边在电枢表面所跨的距离，用槽数来表示，它是一个整数。为了使元件的感应电动势最大，应使y1等于或接近于极距τ，即
式中，ε是使y1凑成整数的一个小数。若ε=0，则y1=τ，绕组为整距绕组；若ε ＜0，则y1＜τ，绕组为短距绕组；若ε ＞0，则y1＞τ，绕组为长距绕组。为了节省铜线及工艺上方便，一般采用整距绕组或短距绕组。
② 第二节距y2指相串联的两个相邻的元件中，前一个元件的下层边与后一个元件的上层边之间在电枢表面所跨的距离，一般也用槽数来表示，如图1.1.12所示。
图1.1.12 电枢绕组节距示意图
③ 合成节距y指相串联的两个元件的对应有效边在电枢表面所跨的距离，一般用槽数来表示，如图1.1.12所示。
④ 换向片节距yk指同一元件的两出线端所接的两换向片之间的距离，一般用换向片数来表示，如图1.1.12所示。
从图1.1.12可知：
2.直流电枢绕组的基本形式
直流电动机电枢绕组的基本形式是叠绕组和波绕组，其中最简单的为单叠绕组和单波绕组。
（1）单叠绕组
单叠绕组的连接特点是同一个元件的两个出线端连接于相邻的两个换向片上，相邻元件依次串联，后一个元件的首端与前一个元件的尾端连在一起，并接到同一个换向片上，最后一个元件的尾端与第一个元件的首端连在一起，形成一个闭合回路。紧相邻串联的两个元件的端接部分紧“叠”在一起，所以形象地称为“叠绕组”，如图1.1.13所示。单叠绕组的合成节距和换向器节距等于1，即
下面举例说明单叠绕组的连接规律。
例1.1.1 已知一台直流电动机2p=4, Z=S=K=16，绘制出它的单叠绕组展开图。
解：① 计算节距
第一节距
合成节距
y=yk= 1
第二节距
y2=y1-y=4-1=3
② 绘制绕组展开图
假设将电枢从某一个齿槽的中间沿轴向切开展成平面，所得绕组连接图称为绕组展开图，如图1.1.13所示。绘制绕组展开图的步骤如下所示。
a）画16根等长、等距的平行实线代表16个槽的上层，在实线旁画16根平行虚线代表16个槽的下层。一根实线和一根虚线代表一个槽，编上槽号，如图1.1.13所示。
图1.1.13 单叠绕组展开图
b）按节距y连接一个元件。例如，将1号元件的上层边放在1号槽的上层，其下层边应放在5号槽的下层。由于一般情况下元件是左右对称的，为此，可把1号槽的上层（实线）和5号槽的下层（虚线）用左右对称的端接部分连成1号元件。首端和尾端之间相隔一片换向片宽度（yk=1），为使图形规整，取换向片宽度等于一个槽距，从而画出与1号元件首端相连的1号换向片和与尾端相连的2号换向片，并依次画出3～16号换向片。显然，元件号、上层边所在槽号和该元件首端所连换向片的编号均相同。
c）画1号元件的平行线。可以依次画出2～16号元件，从而将16 个元件通过16片换向片连成一个闭合的回路。
d）画磁极。本例有4个主磁极，在圆周上应该均匀分布，即相邻磁极中心之间应间隔4个槽。设某一瞬间，4个磁极中心分别对准3槽、7槽、11槽、15槽，并让磁极宽度为极距的0.6～0.7倍，画出4个磁极，如图1.1.13所示。依次标上极性N1、S1、N2、S2，一般假设磁极在电枢绕组的上面。
e）画电刷。电刷组数等于极数，且均匀分布在换向器表面圆周上，相互间隔16/4=4片换向片。为使被电刷短路的元件中感应电动势最小、正负电刷之间引出的电动势最大，当元件左右对称时，电刷中心线应对准磁极中心线。图中设电刷宽度等于一片换向片的宽度。
设此电动机工作在电动机状态，且电枢绕组向左移动，根据左手定则可知电枢绕组各元件中电流的方向如图1.1.13所示，为此应将电刷A1、A2并联起来作为电枢绕组的“+”端，接电源正极；将电刷B1、B2 并联起来作为“-”端，接电源负极。如果工作在发电机状态，设电枢绕组的转向不变，则电枢绕组各元件中感应电动势的方向用右手定则确定可知，与电动机状态时电流方向相反，因而电刷的正负极性不变。
f）作绕组连接顺序表。为方便起见，绕组连接规律也可以用绕组连接顺序表来表示。按图1.1.13所示的连接规律可得对应的连接顺序表，如图1.1.14所示。表中上排数字同时代表上层元件边的元件号、槽号和换向片号，下排带“＇”的数字代表下层元件边所在的槽号。
图1.1.14 单叠绕组连接顺序表
g）单叠绕组的并联支路图。保持图1.1.13中各元件的连接顺序不变，将此瞬间不与电刷接触的换向片省去不画，可以得到如图1.1.15所示的单叠绕组并联支路图。
图1.1.15 单叠绕组并联支路图
从图1.1.15中可以看出，同一磁极下相邻的元件依次串联后构成一条支路。所以单叠绕组的支路对数a等于电动机的极对数p，即
单叠绕组的支路电动势由电刷引出，所以电刷数必定等于磁极数；电枢端电压等于支路的电压；电枢电流Ia为每条支路电流ia的总和，即
（2）单波绕组
单波绕组的连接特点是同一个元件的两个出线端所接的两个换向片相隔接近于一对极距，元件串联后形成波浪形，所以形象地被称为“波绕组”，与单叠绕组一样，为了使绕组产生的感应电动势最大，元件的第一节距y1接近于极距τ。换向器节距yk应满足下式：
式中K——换向片数。
在上式中，若取“-”，则绕行一周后，比出发时的换向片后退一片，这种绕组称为左行绕组；若取“+”，则绕行一周后，比出发时的换向片前进一片，这种绕组称为右行绕组。一般都采用左行绕组。
现举例说明单波绕组的连接。
例1.1.2 设直流电动机，2p=4, Z=S=K=15，绘制左行短距单波绕组展开图。
解：①计算节距
第一节距
换向器节距
第二节距
y2=y1-y=4-1=3
② 绘制绕组展开图
绘制单波绕组展开图的步骤与单叠绕组相同，如图1.1.16所示。
图1.1.16 单波绕组展开图
③ 作绕组连接顺序表
按图1.1.16所示的连接规律可得对应的连接顺序表，如图1.1.17所示。
图1.1.17 单波绕组连接顺序表
④ 单波绕组的并联支路图
单波绕组的并联支路图如图1.1.18所示。从图1.1.18中可以看出，同一磁极下所有元件串联起来通过电刷组成一条支路，故并联支路数总是2，即a=1；单波绕组可以只要两组电刷，但在实际电动机中，为缩短换向器长度以降低成本，仍使电刷组数等于磁极数；电枢端电压等于支路的电压，电枢电流Ia 为每条支路电流ia的总和，即Ia=2aia。
单叠绕组与单波绕组的主要区别在于并联支路对数的多少。单叠绕组可以通过增加极对数来增加并联支路对数，适用于低电压、大电流的电动机。单波绕组的并联支路对数a=1，每条并联支路串联的元件数较多，故适用于小电流、较高电压的电动机。
图1.1.18 单波绕组的并联支路图
四、直流电动机的铭牌和额定值
每台直流电动机的外壳上都有一个铭牌，上面标有该电动机的额定数据，且将其作为正确使用该电动机的依据。图1.1.19是直流电动机的铭牌，主要额定值意义如下。
1.型号
图1.1.19 直流电动机铭牌
2.额定功率PN
额定功率PN 指电动机在额定工作情况下，长期运行所允许的输出功率，单位为“kW”。对于直流电动机PN是指从转轴上输出的机械功率。
3.额定电压UN
对于直流电动机，额定电压UN是指在额定运行情况下，从电刷两端输入电动机的电源电压，单位为“V”。
4.额定电流IN
对于直流电动机，额定电流IN是指长期连续运行时，允许从电刷输入电枢绕组中的电流，单位为“A”。
5.额定转速nN
当电动机处于额定状态下运行时，电动机转子的转速为额定转速，单位为“r/min”。一般电动机用两个转速表示。一个是基本转速（低转速）；另一个是最高转速。
6.励磁方式
励磁方式是指电动机的励磁绕组连接和供电方式。通常有他励、自励，自励又包括并励、串励及复励等。
7.励磁电压Ut和励磁电流It
励磁电压Ut和励磁电流It是指施加在励磁绕组上的额定电压和在此额定电压下产生的额定电流。
8.定额
定额是指电动机在额定值允许的持续运行时间。电动机定额一般分为连续、短时和断续三种工作方式，分别用S1、S2、S3表示。
（1）连续定额S1：表示电动机在额定工作状态下可以长期连续运行。
（2）短时定额S2：表示电动机在额定工作状态时，只能在规定时间内短期运行，我国规定的短时运行时间有10 min、30 min、60 min及90 min四种。
（3）断续定额S3：表示电动机运行一段时间后，就要停止一段时间，只能周期性地重复运行，每一周期为10 min。我国规定的负载持续率有15%、25%、40%及60%四种。例如，持续率为25%时，2.5min为工作时间，7.5min为停车时间。
9.绝缘等级
绝缘等级是指电动机在额定运行时，电动机所允许的摄氏温度，即电动机允许的工作温度减去环境温度的数值，单位为“℃”。
五、直流电动机的种类和用途
1.直流电动机的种类
直流电动机的运行特性与它的励磁方式有很大的关系。直流电动机按励磁方式的不同，可分为以下几类。
（1）他励电动机
他励电动机的励磁电流是由独立的直流电源供给的，它的励磁电流仅取决于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，与电枢端电压无关，其结构示意图及电路图如图1.1.20所示。
图1.1.20 他励电动机
（2）并励电动机
并励电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，如图1.1.21所示。并励电动机的励磁电流不仅与励磁回路的电阻有关，而且还受电枢端电压的影响。由于并励绕组承受着电枢两端的全部电压，其值较高。为了减小绕组的铜损耗，并励绕组的匝数较多，并且用较细的导线绕成。
图1.1.21 并励电动机
（3）串励电动机
串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联。为了减小串励绕组的电压降及铜损耗，串励绕组用截面积较大的导线绕成，且匝数较少，如图1.1.22所示。
图1.1.22 串励电动机
（4）复励电动机
复励电动机的磁极上有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联，如图1.1.23所示。
并励电动机、串励电动机、复励电动机在用作发电机时，其励磁电流都是由它们自己供给的，故统称为自励电动机。
图1.1.23 复励电动机
2.直流电动机的用途
直流电动机是将直流电能转变为机械能的电动机。虽然，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，使得交流电动机逐步具备了调速范围宽、稳态精度高、动态响应快等良好技术性能，“以交代直”的发展趋势日趋明显。但是，直流电动机具有以下突出的优点。
（1）调速特性好，调速方便、平滑，调速范围广。
（2）启动、制动和过载转矩大。
（3）易于控制，能实现频繁快速启、制动及正反转。
加上可控硅整流电源技术的进一步成熟和特种机械的调速需求，在轧钢机、电车、电气铁道牵引、挖掘机械、纺织机械等对调速要求较高的生产机械上，还常用直流电动机作为动力。直流电动机的主要缺点是换向问题，它限制了直流电动机的极限容量，且增加了维护的工作量。
任务实施
小型直流电动机的拆卸与装配。
1.安全准备
在拆卸直流电动机前先用仪表进行整机检查，确定绕组对地绝缘是否良好及绕组间有无短路、断线或其他故障。并在线头、端盖、刷架等处做好复位标记，做到边拆、边检查、边记录，在拆卸中不应使电动机的零件受到损坏。
2.实训设备准备
电器元件见表1.1.1。
表1.1.1 元件明细表
3.拆卸步骤
（1）拆除电动机的接线。
（2）拆除换向器的端盖螺钉、轴承盖螺钉，并取下轴承外盖。
（3）打开端盖的通风窗，从刷握中取出电刷，再拆下接到刷杆上的连接线。
（4）拆卸换向器的端盖时，在端盖边缘处垫上木楔，用铁锤沿端盖的边缘均匀敲击，逐步使端盖止口脱离机座及轴承外圈，取出刷架。
（5）将换向器包好，避免弄脏、碰伤。
（6）拆除轴伸出端的端盖螺钉，将连同端盖的电枢从定子内小心地抽出，以免擦伤绕组。
（7）将连同端盖的电枢放在木架上并包好，拆除轴承端的轴承盖螺钉，取下轴承外盖及端盖，若轴承未损坏可不拆卸。
（8）电动机的装配，按拆卸的相反顺序操作。
任务验收
自测与思考
1.简述直流电动机的工作原理。
2.直流电动机由哪些主要部件组成，各起什么作用？用什么材料制成？
3.单叠绕组和单波绕组各有什么特点？
4.单叠绕组的支路数是多少？单波绕组的支路数是多少？
5.直流电动机的定子由哪几部分组成？各部分的作用是什么？
6.按励磁方式可将直流电动机分为哪几类？励磁绕组和电枢绕组之间是什么关系？