直流电机的结构与铭牌

直流电机在工农业生产中被广泛采用， 如电动自行车、 电动叉车、 电动汽车、 电动牵引车、 电动玩具及电动工具等。 了解和掌握直流电机的结构和工作原理是非常重要的。

一、 直流电机的结构

直流电机是直流发电机和直流电动机的总称。 直流电机是可逆的， 即一台直流电机既可作为发电机运行， 又可作为电动机运行。 当用作发电机时， 其将机械能转换为电能； 当用作电动机时， 其将电能转换为机械能。

直流电机主要由定子和转子 （电枢） 两大部分构成，其结构如图1－23所示。

图1－23 直流电机的结构

1—风扇； 2—机座； 3—电枢； 4—主磁极； 5—刷架； 6—换向器；7—接线板； 8—出线盒； 9—换向极； 10—端盖

1. 定子部分

定子的主要作用是产生主磁场并作为机械支撑， 它主要由主磁极、 换向 （磁） 极、 机座和电刷装置组成。图1－24所示为定子的结构剖面图。

图1－24 直流电机定子的结构剖面图

1） 主磁极

主磁极是一种电磁铁，它的主要作用是产生恒定的磁场。图1－25所示是主磁极的装配图。 主磁极的铁芯用1～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压紧固而成。 把事先绕制好的励磁绕组套在主极铁芯外面， 整个主磁极再用螺钉固定在机座的内表面。 各主磁极上的励磁绕组连接必须使通过励磁电流时， 相邻磁极的极性呈N极和S极交替的排列， 为了让气隙磁密沿电枢圆周方向的气隙空间里分布得更加合理一些， 铁芯下部 （称为极靴） 比套绕组的部分（称为极身） 宽。 这样也可使励磁绕组牢固地套在铁芯上。

图1－25 直流电机的主磁极的装配图

1—主极铁芯； 2—励磁绕组； 3—机座； 4—电枢

2） 换向极

换向极又称附加极或间极， 其作用是改善直流电机的换向性能， 消除直流电机带负载时换向器产生的有害火花。 换向极是由铁芯和套在铁芯上的换向极绕组组成的。 铁芯常用整块钢板或厚钢板制成， 换向极绕组与电枢绕组串联。 换向极的数目一般与主磁极的数目相同，只有小功率的直流电机不装换向极或装设只有主磁极数目一半的换向极。

3） 机座

机座是直流电机的外壳， 一方面用来固定主磁极、 换向极和端盖等， 另一方面也是电机磁路的一部分， 这部分磁路称为定子磁轭。 为了保证良好的机械强度和导磁性能， 机座一般采用铸钢制造或用厚钢板卷制焊接而成。

4） 电刷装置

电刷装置的作用是固定电刷， 并使电刷与旋转的换向器保持滑动接触， 将转子绕组与外电路接通， 使电流经电刷输入转子或从转子输出。 电刷装置由电刷、 刷握、 压紧弹簧以及汇流条等构成。

2. 转子部分

转子的作用是产生感应电动势和电磁转矩， 它主要由转子铁芯、 转子绕组、 换向器、 转轴和风扇组成。图1－26所示为转子的结构。

图1－26 转子的结构

1—转轴； 2—轴承； 3—换向器；4—电枢铁芯； 5—电枢绕组； 6—风扇； 7—轴承

1） 电枢铁芯

电枢铁芯作用有两个， 一个是作为主磁路的主要部分； 另一个是嵌放电枢绕组。 通常用0.35～0.5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片的冲片叠压而成， 固定在转轴上。

2） 电枢绕组

电枢绕组是由许多按一定规律排列和连接的线圈组成的， 它是直流电机的主要电路部分， 是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键性部件， 感应电动势、 电流和电磁转矩的产生， 机械能和电能的相互转换都在这里进行。

3） 换向器

换向器也是直流电机的重要部件。 在直流发电机中， 它的作用是将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势； 在直流电动机中， 它将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。 换向器由多个相互绝缘的换向片组成， 换向片之间用云母绝缘。

二、 直流电机的励磁方式与铭牌

1. 直流电机的励磁方式

直流电机的励磁方式是指励磁绕组中励磁电流的获得方式。 直流电机的运行特性与它的励磁方式有很大的关系。 直流电机的励磁方式可以分为他励、 并励、 串励和复励。 复励又可分为积复励和差复励。直流电机的励磁方式如图1－27所示，图中If为励磁电流，Ia为电枢电流。

1） 他励直流电机

他励直流电机的励磁电源和电枢电源分别为独立电源， 这两个电源的电压可以相同也可以不同。 他励直流电机的励磁电流与电枢电流无关， 不受电枢回路的影响。 他励直流电机的机械特性较硬， 适用于精密加工的直流电动机拖动系统。

图1－27 直流电机的励磁方式

（a） 他励； （b） 并励； （c） 串励； （d） 积复励； （e） 差复励

2） 并励直流电机

并励直流电机的励磁电源与电枢电源由同一电源供电， 与他励方式相比， 其可节省一个直流电源。 并励直流电机的机械特性基本上与他励直流电机相同， 机械特性较硬， 一般用于恒压拖动系统。 中小型直流电动机多采用并励方式。

3） 串励直流电机

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后， 再接于直流电源。 为了减小励磁绕组的电压降和铜耗， 励磁绕组通常用截面积较大的导线绕成， 且匝数较少。 串励直流电机的机械特性较软， 主要应用于电动车辆的驱动。

4） 复励直流电机

复励直流电机有两个励磁绕组， 即并励绕组和串励绕组。 若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同， 则称为积复励； 若两个磁通势方向相反， 则称为差复励。

积复励直流电机具有较大的起动转矩， 机械特性较软， 介于并励直流电机与串励直流电机之间。 它多用于起动转矩要求较大， 转速变化不大的场合。

差复励直流电机的起动转矩小， 机械特性较硬， 一般用于起动转矩要求较小的小型恒压拖动系统中。

2. 直流电机的铭牌

每台直流电机的机座表面上都有一块铭牌， 上面标注了电机的额定参数， 它是正确选择和合理使用电机的依据。某直流电机的铭牌数据见表1－9。

表1－9 某直流电机的铭牌数据

1） 型号

如型号Z3－95的含义为： “Z” 表示一般用途的直流电机， “3” 表示第三次改型设计，数字 “9” 代表机座号， “5” 表示铁芯长度。

2） 额定功率

额定功率指电机在额定运行状态时的输出功率， 对发电机来说是指线端输出的电功率，等于额定电压与额定电流的乘积，即PN＝UNIN；对电动机来说是指其轴上输出的机械功率，等于额定电压与额定电流之积再乘以额定效率，即PN＝ηNUNIN。额定功率的单位为W或k W。

3） 额定电压

额定电压用UN表示，指在额定运行状态下，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。

4） 额定电流

额定电流用IN表示，是指额定负载时允许电机长期输入（电动状态） 或输出（发电状态） 的电流， 单位为A。

5） 额定转速

额定转速用n N表示，是指电机在额定电压和额定负载时的旋转速度，单位为r／min。

直流电机运行时， 若各个物理量都与它的额定值一样， 就称为额定运行状态或额定工况。 在额定状态下， 直电机能可靠地工作， 并具有良好的性能。 但实际应用中， 直流电机不总是运行在额定状态。 如果流过直流电机的电流小于额定电流， 称为欠载运行； 超过额定电流， 称为过载运行。 长期过载或欠载运行都不好。 长期过载运行有可能因过热而损坏电机；长期欠载运行， 电机没有得到充分利用， 效率降低， 不经济。 为此选择电机时， 应根据负载的要求， 尽量让电机工作在额定状态。

［例1－2］ 一台直流发电机的铭牌数据如下：PN＝200k W，UN＝230V，n N＝1450r／min， ηN＝90％，求该发电机的额定电流和输入功率各为多少。

解：

PN＝UNIN

［例1－3］ 一台直流电动机的铭牌数据如下：PN＝160k W，UN＝220V，n N＝1500r／min， ηN＝90％，求该发电机的额定电流和输入功率各为多少。

解：

PN＝ηNUNIN