三 直流电机

1.直流电机组成结构

直流电机由静止的定子和旋转的转子（又称电枢）构成，定子和转子之间有不均匀的气隙，图1-6所示为直流电机的剖面图。当给直流电机通入直流电流时，电刷和换向器将其转换为交变电流供给电枢绕组，使处于主极磁场中的绕组线圈始终受到相同方向电磁力的作用，从而保证了电机转子的连续旋转，实现了电能到机械能的转换。由于直流电机具有调速性能好、过载能力强、控制简单等优势，因此被广泛用于各种电气传动装置中，如城市无轨电车和电动叉车等。

（1）定子 定子的作用是产生主磁场并作为电机的机械支撑，包括主磁极、换向极、机座、端盖和电刷装置等。主磁极铁心一般用1～1.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成，包括极身和极靴两部分。极靴做成圆弧形，以使磁极下气隙磁通较为均匀。整个磁极用螺钉固定在机座上，励磁绕组套在主磁极铁心外面。各主磁极上励磁绕组的连接必须使其通过励磁电流时，相邻磁极的极性呈N极和S极交替排列。主磁极的作用是在定、转子之间的气隙中产生气隙主磁场，使电枢绕组在主磁场的作用下产生感应电动势（电动机）或电磁转矩（发电机）。主磁极的结构如图1-7所示。

换向极又称为附加极或间极，其作用是实现换向。换向极安装在两相邻的主磁极之间，换向极铁心一般用整块钢制作或用钢板叠片而成，换向极绕组与电枢绕组串联。机座通常由铸铁或厚钢板焊成，用来固定主磁极、换向极和端盖；同时其又是电机磁路的一部分。

电刷装置的作用是将直流电压和直流电流引入或引出电枢绕组，其由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫构成，电刷放在刷握内，用弹簧压紧在换向器表面。一般电刷装置的组数与电机的主磁极个数相等。

（2）转子 转子也叫电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器和转轴等部分，它的作用是产生感应电动势或电磁转矩，以实现电能与机械能的转换。电枢铁心是电机主磁路的一部分，如图1-8a所示，铁心中嵌着电枢绕组。为减小电机旋转时由于铁心中磁通的变化而产生的涡流损耗，电枢铁心一般用0.35mm或0.5mm厚的双面有绝缘层的硅钢片叠压而成。如图1-8b所示，铁心冲片的圆周外缘均匀地冲有多个齿和槽。另外，冲片上一般还冲有许多圆孔，以便叠压后形成改善散热的轴向通风孔。

电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成，用来产生感应电动势或通过电流。线圈一般用带绝缘的圆形或矩形截面导线绕制而成，嵌放在电枢铁心槽中，线圈的一条有效边嵌在某个槽的上层，另一条有效边则嵌于另一个槽的下层，如图1-9a所示。槽内线圈的上下层之间及线圈与铁心之间均有绝缘层，如图1-9b所示。换向器是直流电机的一种特殊装置，由许多彼此绝缘的换向片构成，它和电刷一起将外部通入的直流电转换成绕组内的交流电或反之。电枢绕组每个线圈的两端分别焊接到两个换向片上。

2.直流电机的工作原理

在恒定磁场中，当导体切割磁场的磁力线时，导体中将产生感应电动势。如果磁力线、导体与其运动方向三者互相垂直，电动势方向可由右手定则确定，如图1-10a所示，导体中感应电动势e的大小为

式中 e——感应电动势，单位为V；

B——磁感应强度，单位为T；

l——导体切割磁力线的有效长度，单位为m；

v——导体与磁场的相对切割速度，单位为m/s。

另外，根据洛伦兹力定律，在恒定磁场中的载流导体与磁场相互垂直时，作用在载流导体上的洛伦兹力F的方向可由左手定则确定，如图1-10b所示，作用力F的大小为

式中 F——洛伦兹力，单位为N；

I——载流导体中的电流，单位为A。

图1-11为直流电机的工作原理示意图。N、S是固定的主磁极，abcd是旋转电枢铁心上的一个线圈。线圈的两个出线端分别接到两个相互绝缘的换向片1、2上。换向片与转轴一起转动。电刷A、B静止不动，电刷与换向片机械接触，将线圈与外电路接通。如图1-11a所示，当直流电流从电刷A流入，经换向片1、线圈abcd、换向片2、电刷B流出时，根据左手定则，电枢上的载流导体在主极磁场中将受到电磁力作用，当电磁力形成的逆时针方向的电磁转矩大于磁阻转矩时，线圈将以逆时针方向旋转。当电枢转过半周，如图1-11b所示，dc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，可判定电磁力所形成的转矩仍使线圈继续沿逆时针方向转动。

在上述过程中，可观察到以下两点：

①由于电刷和换向器的作用，处在不同极性磁极下线圈边中电流的方向是交变的。

②不管线圈运动到哪个位置，同一磁极下线圈边中电流的方向是固定的，则同一磁极下线圈边所受电磁力的方向亦是不变的，因此线圈受到一个恒定方向转矩的作用，使电枢能连续旋转。

综上所述，可总结出直流电机的工作原理为：在两个电刷端加上直流电压，经电刷和换向器作用将电流引入电枢线圈，并确保同一磁极下线圈边中的电流方向不变，使该磁极下线圈边所受电磁力的方向亦不变，从而使电枢能连续旋转，将输入的电能转换成机械能输出，拖动生产机械。

3.直流电机的励磁方式

从直流电机的工作原理和结构可知，主磁极的励磁方式有永磁式和电励磁两种。电励磁为通过给励磁绕组供电，产生励磁磁动势而建立主磁场的方式。根据供电方式的不同，又可以分为他励和自励两类。而自励又被分为并励、串励和复励三种。直流电机的励磁方式如图1-12所示。

（1）他励直流电机 他励直流电机的励磁绕组与电枢绕组的电源没有连接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电，因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。永磁直流电机也可视为一种他励电机。

他励直流电机在运行过程中励磁磁场稳定而且容易控制，易于实现车辆的再生制动要求。当采用永磁励磁时，虽然电机效率高、质量和体积小，但由于励磁磁场恒定不变，电机的机械特性不理想，难以满足车辆起动和加速时的大转矩要求。

（2）并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联在同一电源上，其性能与他励电机基本相同。并励绕组两端电压就是电枢绕组电压，但是并励绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得流过的励磁电流较小。

（3）串励直流电机 励磁绕组和电枢绕组串联在同一电源上，通过的电流和电枢绕组的电流大小相等，电机的磁场随着电枢电流的改变而有显著的变化。为了使励磁绕组不引起较大的损耗，励磁绕组的电阻越小越好，所以串励电机通常用较粗的导线绕成，匝数较少。

串励直流电机在低速运行时，能给车辆提供足够大的转矩。在高速运行时，电机电枢绕组中的反电动势增大，与之串联的励磁绕组中的励磁电流减小，电机高速运行时的弱磁调速功能易于实现，因此串励直流电机驱动系统能较好地满足新能源汽车的运行特性需求。但串励直流电机由低速到高速运行时弱磁调速特性不理想，随着行驶速度的提高，电机输出转矩快速减小，不能满足车辆高速行驶时风阻大而需要较大输出转矩的要求。

（4）复励直流电机 在整个励磁回路中，有两套励磁绕组，一套和电枢绕组并联，一套和电枢绕组串联。根据励磁绕组所产生的磁动势的关系，又可分为积复励和差复励。积复励的串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向一致，且相互叠加；反之，则为差复励。