直流电动机的结构与特点

1.直流电动机的结构

直流电机的结构形式是多种多样的,图5-3是一台直流电机的结构示意图。图5-4是横截面示意图。

从图5-3、3－4可见,直流电机主要由定子和转子两大部分组成。定子用来安置磁极和作电动机的机械支撑,它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承等,静止的电刷装置也固定在定子上。转子上用来感应电动势而实现能量转换的部分称为电枢,它包括电枢铁芯和电枢绕组,还有换向器、轴、通风冷却用的风扇等。

图5-2　直流电机的励磁方式

a)他励直流电机;b)并励直流电机;c)串励直流电机;d)复励直流电机

图5-3　直流电机的剖面图

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

1)定子

定子通常指磁路中静止部分及其机械支撑,包括机座、主磁极、换向极等。某种直流电机的定子如图5-3、3-4所示。

(1)机座:直流机的机座有两种形式:整体机座和叠片机座。机座的主体部分作为磁极间磁的通路,这部分称为磁轭。机座同时又用来固定主极、换向极和端盖,并借底脚把电动机固定在基础上。

机座,既作为电动机的机械支撑,又是磁极间磁通的通路。所用的材料要求具有较好的导磁性能,因此一般不用铸铁,而用铸钢或钢筒做成。为了使磁路中的磁通密度不致太高,要求有一定的导磁截面积。这常使其在机械强度和刚度上大有富余。

(2)主磁极:主磁极的作用,是使电枢表面的气隙磁通密度在空间按一定形状分布,并且能在磁极上固定励磁绕组,如图5-5所示。

图5-4　直流电机横截面示意图

1－换向极铁芯;2－换向极绕组;3－主机铁芯;4－励磁绕组;5－电枢齿;6－电枢铁芯;7－换向器;8－电刷;9－电枢绕组;10－机座;11－底脚

图5-5　主磁极

1－框架;2－励磁绕组;3－机座;4－螺栓;5－主极铁芯;6－极靴;7－气隙;8－电枢

主磁极通常用0.5～3mm厚的低碳钢板冲成一定形状的冲片,然后叠压成整体,再用螺栓固定在机座上。主磁极分成极身和极靴两段,极身较窄,外装励磁绕组,极靴两边伸出于极身之外的部分称为极尖。极靴面向电枢的曲面称为极弧,极弧与电枢外圆之间的间隙称为气隙。极弧的形状对电动机运行性能有一定的影响,通常两极尖下的气隙较极中心处大。

各个主极上的励磁线圈组成励磁绕组,励磁绕组与电枢之间可以串联,称串励;也可并联,称为并励。各主极的励磁线圈常用串联方式连接,这样可以保证各主极线圈的电流一致。主磁极在电动机中总是成对出现,其极性沿圆周是N,S交替排列,因此串联时,相邻两主磁极线圈中电流环绕的方向是相反的。

小型和微型直流电机常采用永磁体作为主极。大型直流电机还常在主极极靴上开一些槽,槽中嵌放补偿绕组。

(3)换向极:容量大于1k W的直流电机,在相邻两主磁极之间装设换向极,也称附加极。它的作用是帮助换向。换向极形状比较简单,因此常用厚钢板制成。有些电动机的换向极也要求用钢片绝缘后叠装而成。换向极上装有换向极绕组,一般由粗的扁铜线绕成,只有几匝,换向极绕组总是与电枢绕组串联的,如图5-6所示。

图5-6　换向极

(4)电刷装置:直流电机电枢绕组和电流均通过电刷装置与外电路相接。电刷本身是由石墨等做成的导电块,放在刷握内。刷握再装于刷架上,根据电流大小的不同,每个刷架上装有一个电刷或一组并联的电刷,同极性刷架上的电流汇集到一起后,引向接线板,再通向机外。如图5-7所示。

电刷顶部有细铜丝编织成的引线(称刷辫),以便引出电流。电刷装于刷握中时,还压以弹簧,保证电枢转动时电刷与换向器表面有良好的接触。弹簧的压力可以进行调节。

2)转子部分

转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴承。直流电机的转子如图5-8所示。

图5-7　电刷装置

1－电刷;2－刷握;3－弹簧压板;4－刷架座;5－刷杆

图5-8　直流电机的转子

1－风扇;2－绕组;3－电枢铁芯;4－绑带;5－换向器;6－轴

(1)电枢铁芯:它提供主极下磁通的通路。当电枢在磁场中旋转时,铁芯中的磁通方向不断变化,因而也会产生涡流及磁滞损耗。电枢铁芯通常用0.5mm厚的低硅硅钢片或冷轧硅钢片叠成,片间涂绝缘漆以减少损耗。硅钢片上还冲出转子槽,以便嵌放电枢绕组。

(2)电枢绕组:用带绝缘的铜导线绕成一个个的线圈元件,嵌放在电枢铁芯的槽中,各元件按一定的规律联结到相应的换向片上,全部这些元件就组成了电枢绕组。电枢绕组的联结规律将在后续内容中介绍。

(3)换向器:换向器由许多换向片组成。这些换向片彼此以云母片相互绝缘,全部又以云母环对地绝缘。换向片由铜料制成,尾端开沟或接有联结片(称升高片),以供电枢绕组元件端线焊于其中,如图5-9所示。

3)气隙

气隙是定子主极和电枢之间的间隙,是主磁路的重要组成部分,气隙磁场是电机进行能量转换的媒介,气隙的大小和气隙磁场的分布及其变化对电机运行影响很大。在小容量电动机中,气隙约1～3mm;在大容量电动机中,可达10～12mm。

图5-9　换向器

1－套筒;2－压圈;3－V形云母环;4－换向片;5－云母片;6－压圈

2.直流电动机的特点

1)调速性能好

直流电动机可以在重负载条件下,实现均匀、平滑的无级调速,而且调速范围较宽。

2)起动转矩大

可以均匀而经济地实现转速调节,因此,凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械,例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等,都可用直流电动机拖动。

3)控制比较简单

一般用斩波器控制,它具有高效率、控制灵活、重量轻、体积小、响应快等优点。

4)有易损件

由于存在电刷、换向器等易磨损器件,所以必须进行定期维护或更换。

新能源汽车专用的直流电动机和其他通用的电动机相比,应在耐高温性、抗振动性损耗性、抗负载波动件以及小型轻量化、免维护性等方面给予特殊考虑。

除此之外,新能源汽车用直流电动机大多在较低的电压下驱动,同时是大电流电路,因此需要注意连接接线的接触电阻。