1、第 4 章 直流電機概覽4.1 直流電機的用途和基本工作原理4.1.1 直流電機的用途與變壓器不同，直流電機是一種旋轉電機，是最早得到實際應用的電機，它 即可作電動機又可作發電機。直流電動機具有良好的起動性能，能在寬廣的范圍內平滑、經濟地調速，適 合對調速性能和起動性能要求非常高的場合。例如，對于汽車用起動電機、擋風 玻璃擦拭電動機、吹風機電動機，以及電動窗用電動機等，都是直流電動機在工 業自動控制中最為經濟的選擇。在大功率的驅動設備的運用中， 例如在城市軌道 交通、鋼廠軋鋼機、挖掘設備、大型起重機等驅動系統中，直流電動機有著廣泛 的應用空間。當然，直流電機也是一種將逐漸淘汰的電機種類。在高可

2、靠、大功率、固態 化的開關設備發展之前，直流電動機對所有變速驅動的運用場合來說，都是其主 要的動力來源，直流發電機也是提供直流電能的主要來源。隨著電力電子技術和 控制技術的發展，目前， 直流發電機已基本上被靜止整流裝置替代。在電力傳動 領域，先進的異步電動機控制理論和新型大功率電力電子器件的結合，使得交流 異步電動機的驅動系統正成為電氣傳動的發展趨勢。4.1.2 直流電機的基本工作原理一般直流電機的直流勵磁繞組設置在定子上，電樞繞組嵌放在轉子鐵芯槽內，為了引出直流電動勢，旋轉電樞必須裝有換向器，圖4-1 (a)為直流電機的模型示意圖。當勵磁繞組流入直流電流，電機主磁極產生恒定磁場，由原動機帶動

3、轉子旋 轉，電樞導體切割主磁場產生感應電動勢，它隨時間的變化規律與氣隙磁場空間 分布規律一致，因此線圈 abed內是交流電動勢，線圈電動勢隨時間規律性變化， 其波形與氣隙磁通密度分布相同， 通常為平頂波， 然而線圈電動勢不是直接引 出， 而要通過換向器。電樞導體與換向片固定連接，換向片之間由絕緣體隔開，換向 器隨電樞旋轉，而電刷是靜止不動的，并與外電路相聯，這樣電刷接觸的換向片是不斷變化的，圖 4-1 (a)中電刷“ 1”總是與N極面下的導體一換向片接觸， 同時電刷“ 2”總是與S極面下的導體一換向片接觸，根據右手定則，電刷1為“ + ”，電刷2為“一”，電刷極性保持不變，換向器的作用如同全波

4、整流，電刷1、2之間的電動勢經換向后為一有較大脈動分量的直流電動勢，如圖4-1 (b)所示。這就是直流發電機的基本原理。(a)(b)圖4-1 直流電機模型(p=1)(a)線圈接至換向極和電刷；(b)線圈中感應電動勢的換向當電刷兩端接入直流電壓，轉子電樞繞組中就有電流流過，定子勵磁繞組有 直流電流勵磁，則帶電電樞導體在磁場中受到電磁力的作用，產生電磁轉矩，使 電樞旋轉，電磁轉矩的方向與電機轉向一致。由于電刷與換向器的作用使所有導 體受力方向一致，此時直流電機作電動機運行。一臺直流電機既可作發電機運行，也可作電動機運行，這就是電機的可逆性原理，稍后敘述的同步電機和異步電機亦是如此。4.2直流電機的

5、結構直流電機主要由定子和轉子兩大基本結構部件組成，定子用來固定磁極和作為電機的機械支撐。 轉子有用來感應電動勢從而實現能量的轉換部件稱為電樞和 實現交流電變成直流電的換向器。4.2.1定子部分直流電機的定子由主磁極、電刷裝置、機座等組成。直流電機的結構圖如圖4-2所示。圖4-2直流電機的結構1 風扇2 機座3 電樞4 主磁極鐵芯5 電刷裝置6換向器 7接線板 8 接線盒 9勵磁繞組 10 端蓋主磁極的作用是產生主磁場。主磁極由磁極鐵芯和套在鐵芯上的勵磁繞組構成。如圖4-3所示。當勵磁繞組中通有直流勵磁電流時，氣隙中會形成一個恒定的主磁場，示意圖如 4.4所示。圖中磁極下面截面較大的部分稱為極靴

6、，極靴表面沿圓周的長度稱為極弧，極弧與相應的極距之比稱為極弧系數，通常為0.60.7 左右。極弧的形狀對電機運行性能有一定影響，它能使氣隙中的磁通密度按一定規律分布。電樞旋轉時齒、槽依次掠過極靴表面，形成的磁通密度變化會在鐵芯中產生渦流和磁損耗，為減少損耗，主磁極鐵芯通常用1mm1.5mm厚的導磁鋼片疊壓而成，然后固定在磁軛上。各主磁極鐵芯上套有勵磁繞組，勵磁繞組之間可串聯，也可并聯。主磁極成對出現，沿圓周是N、S極交替排列。容量較大的直流電機還有換向極（位于兩個主磁極之間的較小磁極），如圖4- 4中5為換向極，常用厚鋼板或整塊鋼制成，極上裝有換向極繞組，換向極下的空氣隙較主磁極下的空氣隙大。

7、換向極數目一般與主磁極相同，但是小功率直流電機中，換向極的數目可少于主磁極，甚至不裝換向極。4-3主磁極圖4-4直流電機的剖面和磁場示意圖1 電樞鐵芯2 極靴3 磁極鐵4磁軛5換向極1 主磁極鐵芯2 極靴 3勵磁繞組心4繞組絕緣 5機座6螺桿一般直流電機的機座既是電機的機械支撐，又是磁極外圍磁路閉合的部分， 即磁軛，因此用導磁性能較好的鋼板焊接而成，或用鑄鋼制成。極座兩端裝有帶 軸承的端蓋。電刷固定在機座或端蓋上，一般電刷數等于主磁極數。電刷裝置由 電刷、刷握、刷桿、壓緊彈簧和匯流條等組成，如圖4-5所示。電刷一般用石墨制成，裝于刷握中，并有彈簧壓住，保證電樞轉動時電刷與換向器表面有良好的 接

8、觸。電刷裝置將電樞電流由旋轉的換向器通過靜止的電刷與外部直流電路接 通。圖4-5電刷裝置1電刷 2 刷握 3彈簧壓板 4 座圈5 刷桿4.2.2轉子部分轉子由電樞鐵芯、電樞繞組和換向器組成。電樞鐵芯是主磁路的組成部分，為了減少電樞旋轉時鐵芯中磁通方向不斷變化而產生的渦流和磁滯損耗，電樞鐵芯通常用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，疊片間有一層絕緣漆。見圖4-6所示。圖中環繞軸孔的一圈小圓孔為軸向通風孔，較大的電機還有徑向通風系統，即將 鐵芯分為幾段，段與段之間留有約為10mm的通風槽，構成徑向通風道。電樞鐵芯的外緣，均勻地沖有齒和槽，一般為平行矩形槽。（a）（ b）圖4-6直流電機電樞鐵芯（a）電樞

9、鐵芯裝配圖；（b）電樞鐵芯沖片電樞繞組有絕緣導體繞成線圈嵌放在電樞鐵芯槽內，每一線圈有兩個端頭，按一定規律連接到相應的換向片上，全部線圈組成一個閉合的電樞繞組。電樞繞組是直流電機的功率電路部分，也是產生感應電動勢、電磁轉矩和進行機電能量轉換的核心部件，繞組的構成對電機的性能關系密切，其具體連接方法和功能, 將在下一章中討論。換向器由許多彼此絕緣的換向片組合而成，如圖4-7所示。它的作用是將電樞繞組中的交流電動勢用機械換向的方法轉變為電刷間的直流電動勢，或反之。 換向片可為燕尾形，升高部分分別焊入不同線圈的兩個端點引線，片間用云母片 絕緣，排成一個圓筒形，目前小型直流電機改用塑料熱壓成形，簡化了

10、工藝，節 省了材料。圖4-7換向器結構圖1 換向片2 墊圈3絕緣層4套筒5 連接片4.3直流電機的勵磁方式直流電機的電路主要有兩個部分，一個是套在主磁極鐵芯上的勵磁繞組，另一個是嵌在電樞鐵芯槽中的電樞繞組，此外還有換向極繞組。電機的運行特性與勵磁繞組獲得勵磁電流的方式，即勵磁繞組與電樞繞組間的連接方式關系很大， 直流電機按勵磁方式可分為他勵和自勵兩大類，自勵式又可分為：并勵、串勵和 復勵。直流電機的各種勵磁方式如圖4-8所示。(a)It(b)c)(d)(e)圖4-8直流電機的各種勵磁方式（a）他勵；（b）并勵；（c）串勵；（d）復勵（長分接）；（e）復勵（短分接） 永磁式（1）他勵他勵式勵磁繞

11、組與電樞繞組不相連接，而由另一個獨立的直流電源供給勵 磁。（2）并勵勵磁繞組與電樞繞組并聯，兩個繞組上的電壓相等，即電機的端電壓。（3）串勵勵磁繞組與電樞繞組串聯，兩個繞組中電流相同。（4）復勵若兩者勵磁繞組分兩部分，一個與電樞繞組串聯，另一個與電樞繞組并聯。如串聯 繞組所產生的磁動勢與并聯繞組所產生的磁動勢方向相同，稱為積復勵； 相反，則稱為差復勵。通常應用的直流電機為積復勵。先將串聯繞組與電樞繞組 串聯，然后再與并聯繞組并聯，稱長分接法復勵；反之，先將并聯繞組與電樞繞 組并聯，然后再與串聯繞組串聯，稱短分接法復勵。（5）永磁式永磁直流電動機由永久磁鐵提供固定磁通，不再需要外部的電勵磁。永磁

12、直 流電機沒有勵磁繞組及相關的功率損耗，效率較高。 永久磁鐵所需要的空間比勵 磁繞組所需空間小，電機尺寸較小。 但是永磁直流電機也會受到永磁材料所帶來 的限制，如氣隙磁通密度較小且不可調，又如永磁材料對溫度的敏感性較大等。 但是隨著新型永磁材料的發展，如釹鐵硼材料的使用，限制會越來越小。4.4 直流電機的額定值直流電機的主要額定值如下：（1） 額定容量功率Pn：單位為 W或kW。直流電機在額定運行條件下使用時輸出功率保證值，電動機指輸出機械功率，發電機指輸出電功率。（2）額定電壓UN :單位為V或kV。電機在額定運行條件下出線端的電 壓保證值。（3）額定電流lN：單位用A或kA。電機在額定電壓

13、運行、輸出額定功率 時的出線端電流。（4） 額定轉速nN :單位為r/min （轉/分）。電機在額定運行條件下的轉子 旋轉速度（5） 額定勵磁電流IfN :單位用A或kA。電機在額定運行時的勵磁繞組電 流。（6）額定效率n :電機在額定運行條件下，輸出功率與輸入功率比值的百 分數。此外，在電動機的銘牌上還標注有額定轉矩、重量、絕緣等級、溫升、防護 等級等指標，以供安裝和檢修時參考。小結本章介紹了直流電機的基本構成、結構特點和勵磁方式。直流電機的結構特點是有一換向裝置， 其由一個換向器和一組電刷組成，通 過它便能使旋轉的電樞繞組中的交流感應電動勢， 變換成靜止的電刷間的直流電 動勢，故稱為機械換向結構。直流電機由定子和轉子兩大結構部件組成，電樞繞組是直流電機的核心部 件，當電樞繞組在磁場中旋轉時就將產生感應電動勢和電磁轉矩。直流電機的性能隨著勵磁方式的不同有很大差異。 直流電機的勵磁方式有他 勵、并勵、串勵、復勵和永磁式。直流電機的額定值是保證可靠工作和優良運行性能的依據。 特別是運行人員要十分重視額定值的含義。習題4-1 簡述直流電機的各主要部件。為什么電樞鐵芯要用硅鋼片疊成，而磁軛卻可用鑄鋼或鋼板制成？4-2“直流電機實質上是一臺