第16章直流電機的工作原理及結構16.1直流電機的工作原理及結構16.2直流電機的結構簡介16.3直流電機的銘牌習題

16.1直流電機的工作原理及結構16.1.1直流發(fā)電機的工作原理圖16-1是一個簡單的發(fā)電機模型的工作原理圖，N、S為一對固定的磁極(一般是電磁，也可以是永久磁鐵)，兩個磁極間裝有一個可轉動的鐵質材料的圓柱體，其表面上嵌放著一個線圈，線圈的兩個邊分別為ab、cd。我們把這個嵌放有線圈的圓柱體叫做電樞。如果a、d端是開路狀態(tài)，則是原動機拖動電樞，使之以恒速n轉動，電動勢的大小隨時間按正弦規(guī)律變化。所以說，當線圈的a、d端是開路狀態(tài)時，發(fā)電機是交流發(fā)電機。圖16-1直流發(fā)電機的工作原理圖把a、d兩端分別接到兩片彼此絕緣的圓弧形換向片上。換向片固定在轉軸上,換向片構成的整體稱為換向器,它和電樞絕緣,與電樞一起轉動。為了把電樞和外電路接通，在換向片上放置了在空間位置固定不動的電刷A和B，電刷引出線接負載，如圖16-1所示。電刷A只能和轉到上面的一片換向片相接觸，而電刷B只能和轉到下面的一片換向片相接觸。裝了這種換向器以后，在電刷A、B之間得到的電動勢就是單向的了。分析如下：當ab導體處在N極下的時候，由右手定則可知，電動勢的方向為b→a→A，電刷A的極性為“+”。cd導體處在S極下時，電動勢的方向為B→d→c，電刷B的極性為“-”，負載(接于電刷A、B上)上的電流方向是由A流向B。當電樞轉過180°時，元件的兩個有效邊的位置互相調換，此時電刷A通過換向器與處于N極下的cd導體相連，cd導體的電動勢反向變?yōu)閏→d→A,電刷A的極性為“+”,電刷B通過換向片與處于S極下的ab導體相連，ab導體的電動勢反向變?yōu)锽→a→b，電刷B的極性為“-”?？梢姡ㄟ^換向器的作用，使電刷A始終與N極下的線圈邊相連，使電刷B始終與S極下的線圈邊相連，所以當電樞在磁場中旋轉時，線圈中的電動勢雖然是交變的，但電刷之間的電動勢卻是一個方向不變的脈振電動勢。實際的直流發(fā)電機的電樞上嵌放著連接在一起的多個線圈，電動勢的脈動度很小，可見認為是直流電動勢。相應的發(fā)電機是直流發(fā)電機。16.1.2直流電動機的工作原理如圖16-2(a)、(b)所示。同發(fā)電機一樣，電刷A只能和轉到上面的一片換向片相接觸，而電刷B只能和轉到下面的一片換向片相接觸。裝了這種換向器以后，如將直流電壓加在電刷兩端，使電流從正極性電刷A流入，經線圈a→b→c→d或d→c→b→a從負極性電刷B流出。由于電流總是經N極下的導體流進去而從S極下的導體流出來，根據電磁力定律可知，上下兩根導體受電磁力作用而形成的電磁轉矩始終是逆時針方向，帶動軸上的負載按逆時針方向旋轉。需要注意的是此種情況下直流電動機電樞線圈中的電流的方向是交變的。但產生的電磁轉矩卻是單方向的，這正是由于有換向器的原因。圖16-2直流電動機的工作原理圖從以上分析可以看出，一臺直流電機既可以作為發(fā)電機運行，也可以作為電動機運行，只有外界的條件不同而已。用原動機拖動直流電機的電樞，使之以一定的速度旋轉，且電刷上不加直流電壓，那么電刷端可以輸出直流電動勢，接上負載就能輸出電能，電機把機械能變換成電能而成為發(fā)電機。如果在直流電機的兩電刷上，接上直流電源，使電樞流過電流，電樞在磁場中受到電磁轉矩而旋轉，拖動生產機械，把電能轉換成機械能，成為電動機。這種同一臺電機，既能作發(fā)電機又能作電動機運行的原理，在電機理論中稱為可逆原理。16.2直流電機的結構簡介直流電機由靜止的定子和旋轉的轉子兩大部分組成。定、轉子之間有一定的間隙，稱為氣隙。定子的作用是產生磁場和作電機的機械支撐，由主磁極、換向極、機座、端蓋、電刷裝置等部件組成。轉子上用來感應電動勢而實現(xiàn)能量轉換的部分稱為電樞，它包括電樞鐵芯和電樞繞組。另外轉子上還有換向器、轉軸、風扇等部件。圖16-3所示為直流電機的橫剖面示意圖。圖16-3直流電機的橫剖面示意圖16.2.1定子部分

1.主磁極主磁極(簡稱主極)用來產生氣隙磁場并使電樞表面的氣隙磁通密度按一定波形沿空間分布。一般由1~1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓成主極鐵芯，上面套上勵磁繞組，整個磁極用螺釘固定在機座上。

2.換向極換向極的作用是改善電機的換向性能。由換向極鐵芯和套在其上的換向極繞組構成。換向極繞組與電樞繞組電路相串聯(lián)，換向極裝在兩相鄰主極之間并用螺釘固定在機座上。

3.機座機座一方面用來固定主極、換向極和端蓋等部件，并借助于底腳將電機固定在基礎上，起機械支撐的作用；另一方面它還是電機主磁路的一部分，機座中有磁通經過的部分稱為磁軛，機座通常用鑄鋼件或鋼板卷焊而成。

4.端蓋端蓋裝在電機機座兩端，其作用是：保護電機免受外部機械破壞，同時用來支撐軸承，固定刷架。在后端蓋上設有觀察窗，可觀察火花的大小。

5.電刷裝置電刷裝置是直流電壓、電流引出(或引入)的裝置。它由于電刷、刷握、刷桿、刷桿座和匯流排等組成。電刷組的數(shù)目一般等于主磁極的數(shù)目，各電刷組在換向器表面的分布應是距離相等的。圖16-4為電刷與刷握裝置。圖16-4刷握與電刷16.2.2轉子部分

1.電樞鐵芯電樞鐵芯的作用是作為磁通的通路和嵌放電樞繞組。為減少磁滯和渦流損耗，電樞鐵芯一般用厚0.5mm的涂有絕緣漆的硅鋼片沖片疊壓而成的，每張沖片沖有槽和軸及通風孔，如圖16-5所示。對于容量較大的電機，為了加強冷卻，把電樞鐵芯沿軸向分成數(shù)段，段與段之間留有寬10mm的通風道，整個鐵芯固定在轉子支架或轉軸上。圖16-5電樞鐵芯沖片

2.電樞繞組電樞繞組的作用是感應電動勢和通過電流，是電機實現(xiàn)機電能量轉換的關鍵部分，電樞繞組是由絕緣導線繞成的線圈嵌放在電樞鐵芯槽內，按一定規(guī)律接到換向器上形成閉合回路。線圈與鐵芯之間以及上下層線圈之間均要妥善絕緣，如圖16-6所示。圖16-6電樞槽內絕緣

3.換向器換向器的作用是將電樞線圈中的交流變換為電刷間的直流或反之。圖16-7為拱形換向器的結構圖，它是由許多帶有鴿尾的梯形桐片組成的一個圓筒，片間用云母絕緣，兩端用V形鋼環(huán)借金屬套筒和螺旋壓圈緊固成一個整體。V形鋼環(huán)與換向片之間用V形云母環(huán)進行絕緣。為節(jié)省銅材，換向器有升高片，線圈出線端焊在升高片的小槽上。由于拱形換向器結構復雜，目前小型直流電機已廣泛采用塑料換向器，見圖16-8，它用酚醛玻璃纖維塑料墊壓成形，以簡化工藝，節(jié)省材料。圖16-7拱形換向器圖16-8塑料換向器16.3直流電機的銘牌每臺直流電機機座的醒目位置都有一個銘牌，如圖16-9所示。上面標注著一些額定數(shù)據及電機產品數(shù)據，供用戶參考。銘牌上標注的數(shù)據主要有：電機的型號、額定值、絕緣等級、勵磁電流及勵磁方式，另外還有生產廠商和出廠數(shù)據。圖16-9直流電機的銘牌16.3.1型號型號表示直流電機的結構和使用特點，國產電機的型號多采用漢語拼音的大寫字母及阿拉伯數(shù)字表示，其格式為：除Z2系列外，還有Z3、Z4等系列直流電機，同時還有專用系列的直流電機，如：

ZJ系列：精密機床用直流電動機；

ZTD系列：中速電梯用直流電動機；

ZTDD系列：低速電梯用直流電動機；

ZT系列：廣調速直流電動機；

ZQ系列：直流牽引電動機；

ZH系列：船用直流電動機；

ZA系列：防爆安全型直流電動機；

ZC系列：電鏟用起重直流發(fā)電機；

ZZJ系列：冶金起重用直流電動機。其他系列直流電機可參見電機手冊。16.3.2額定數(shù)據

1.額定功率PN額定功率指電機廠家規(guī)定的電機在額定條件下長期運行所允許的輸出功率。一般用kW作單位。額定功率對直流發(fā)電機和直流電動機來說是不同的。直流發(fā)電機的功率是指電刷間輸出的供給負載的電功率，PN=UNIN；而直流電動機的額定功率是指軸上輸出的機械功率，PN=UNINηN。

2.額定電壓UN額定電壓指在額定條件下，電機的輸出(對發(fā)電機來說)或輸入電壓(對電動機來說)。UN的單位為V。

3.額定電流IN額定電流指在額定電壓和額定功率條件下電機的電流值。IN的單位是A。

4.額定轉速nN額定轉速指在額定電壓、額定電流、額定功率條件下電機的轉速。nN單位是r/min。

5.額定勵磁電流IfN

額定勵磁電流指在額定電壓、額定電流、額定轉速和額定功率條件下通過電機的勵磁繞組的電流。

6.勵磁方式勵磁方式指直流電機的電樞繞組和勵磁繞組的連接方式。一般有他勵、串勵、并勵和復勵等勵磁方式。習題

16-1簡述直流電機的基本結構，并說明各部分的作用。

16-2簡述直流電機銘牌數(shù)據的含義。

16-3直流電機中，換向器起什么作用？

16-4一臺直流發(fā)電機的額定功率