2.1 直流电机的结构和工作原理

2.1.1 直流电机的基本结构

直流电机的结构形式很多，但总体上由定子（静止部分）和转子（运动部分）两大部分组成。定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。转子的主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。装配后的电机如图2-1所示。

1.定子

1）主磁极。

主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。为降低电机运行过程中磁场变化可能导致的涡流损耗，主磁极铁心一般用1mm～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，如图2-2所示。

2）换向极。

换向极的作用是改善换向。它装在两个主磁极之间，也是由铁心和绕组构成。换向极铁心一般用整块钢或钢板加工而成，换向极绕组与电枢绕组串联，如图2-3所示。

3）机座。

常用铸钢或厚钢板焊接而成，它是电机的机械支撑，用来固定主磁极、换向极和端盖，同时也是电机磁路的一部分。在磁路中机座部分的磁路常称为磁轭。

4）电刷装置。

电刷的作用之一是把转动的电枢与外电路相连接，使电流经电刷进入或离开电枢；其二是与换向器配合作用而获得直流电压，如图2-4所示。

2.转子（电枢）

1）电枢铁心。

电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢冲片叠压而成（冲片的形状如图2-5a所示），以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。

2）电枢绕组。

由许多线圈按一定规律连接而成，用以感应电动势和通过电流，是直流电机电路的主要部分。

3）换向器。

在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器结构如图2-6所示。

4）转轴。

转轴起转子旋转时的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。

2.1.2 直流电机的基本工作原理与铭牌数据

1.直流电机的基本工作原理

1）直流电动机工作原理。

直流电动机的工作原理如图2-7所示。N和S是一对固定的磁极，磁极之间有一个电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片（换向片）上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆形铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。

将外部直流电源加于电刷A（正极）和B（负极）上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图2-7a所示。当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图2-7b所示；由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方向。

由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过电流的方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。

实际的直流电动机中，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，则电动机的转速也就比较均匀。

2）直流发电机工作原理。

直流发电机的模型与直流电动机模型相同，不同的是用原动机拖动电枢朝某一方向（例如逆时针方向）旋转，如图2-8a所示。这时导体ab和cd分别切割N极和S极下的磁力线，产生感应电动势，电动势的方向用右手定则确定；可知导体ab中电动势的方向由b指向a，导体cd中电动势的方向由d指向c，两种电动势在一个串联回路中相互叠加，形成电刷A为电源正极，电刷B为电源负极。电枢转过180°后，导体cd与导体ab交换位置，但电刷的正负极性不变，如图2-8b所示。可见，同直流电动机一样，直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向也是交变的，而通过换向器和电刷的整流作用，在电刷A、B上输出的电动势是极性不变的直流电动势。在电刷A、B之间接上负载，发电机就能向负载供给直流电能。这就是直流发电机的基本工作原理。

从以上分析可以看出：一台直流电机既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，这取决于外界不同的条件。将直流电源加于电刷，输入电能，电机能将电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，此时作电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电机能将机械能转换为直流电能，从电刷上引出直流电动势，此时作发电机运行。同一台电机，既能作电动机运行，又能作发电机运行的原理，被称为电机的可逆原理。

2.直流电机的铭牌数据

直流电机的机座上有一个铭牌，上面标注着额定数据和使用条件。额定数据是电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据而规定的每台电机的主要性能指标。直流电机的额定值主要有下列几项。

1）额定功率P_N。

额定功率是指电机在额定条件下运行时的输出功率。对电动机来说，额定功率是指转轴上输出的机械功率；对发电机来说，额定功率是指电刷间输出的额定电功率，单位为kW。

2）额定电压U_N。

指电机在额定条件下运行时，直流发电机的输出电压或直流电动机的输入电压，单位为V。

3）额定电流I_N。

指在额定电压和额定负载时，直流电动机长期运行所允许的电流，单位为A。

4）额定转速n_N。

额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为r/min。

额定值一般标在电机的铭牌上，又称为铭牌数据。还有一些额定值，例如额定转矩T_N、额定效率η_N等，不一定标在铭牌上，可查产品况明书或由铭牌上的数据计算得到。

直流电机运行时，如果各个物理量均为额定值，就称电机工作在额定运行状态，亦称为满载运行。在额定运行状态下，电机利用充分，运行可靠，并具有良好的性能。如果电机的电枢电流小于额定电流，称为欠载运行；电机的电枢电流大于额定电流，称为过载运行。欠载运行时电机利用得不充分，效率低；过载运行时易引起电机过热而损坏。