直流電動機的基本原理

直流電動機具有良好的啟動、調(diào)速性能和過載能力，主要用于交通、起重、軋鋼和自動控制領域。直流電機由于有換向器，與交流電機相比有結構復雜、制造成本高、運行維護工作量大等缺點，使直流電機的使用受到了一定的限制。

一、從簡單模型入手討論直流電動機的結構和原理

上圖為簡單的兩極直流電動機模型，由主磁極（勵磁線圈）、電樞（電樞線圈）、電刷和換向器等組成。定子上裝設了一對直流勵磁的靜止的主磁極N、S，主磁極由勵磁線圈的磁場產(chǎn)生；轉子上裝有電樞鐵芯與電樞繞組。電樞電流由外供直流電源所產(chǎn)生，定子和轉子之間有一氣隙。電樞線圈的首、末端分別連接于兩個圓弧型的換向器片上，換向器片之間互相絕緣，由換向器片構成的整體稱為換向器。換向器固定在轉軸上，與轉軸也是絕緣的。在換向器片上放置著一對固定不動的電刷，當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向器片和電刷與外電路接觸，引入外供直流電源。

直流電動機運行時，將直流電源接在兩刷之間，電流方向為：N級下有效邊電流總是一個方向，而S級上有效邊中電流總是另一個方向，兩邊上受到的電磁力方向一致，電樞因而轉動。當線圈有效邊從N級下（S級上）轉到S級上（N極下）時，其中電流方向由于換向器片同時改變，而電磁力方向不變，使電樞受到一個方向不變的電磁轉矩，直流電動機的電樞由多個線圈組成，這樣線圈產(chǎn)生的電磁轉矩比較均勻，不會有太大的脈動，因此電動機能夠連續(xù)平穩(wěn)運行。

二、直流電動機的基本結構

1、定子

定子的主要作用是產(chǎn)生磁場和作為電機的機械支撐，由主磁極、換向磁極、機座和端蓋以及電刷裝置等組成。

1）主磁極

主磁極用來產(chǎn)生主磁場，大部分直流電機的主磁極不用永久磁鐵，而是由勵磁繞組通入直流電流來建立磁場。主磁極由鐵芯和繞組組成，鐵芯用厚0.5～1.5 mm的低碳鋼板沖成，疊裝后用鉚釘鉚緊，緊靠氣隙的擴大部分稱為極靴，極靴對勵磁繞組起支撐作用，使氣隙磁通有較好的波形分布，勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，經(jīng)絕緣漆浸漬處理，然后套在磁極鐵芯上。主磁極N、S交替布置，均勻分布并用螺釘固定在機座的內(nèi)圈上。

2）換向極

換向極用來改善直流電機的換向，又稱附加極，由鐵芯和套在鐵芯上的換向極繞組組成，鐵芯常用整塊鋼或厚鋼板制成，匝數(shù)不多的換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)，換向極的極數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相同或減半，換向極與電樞之間的氣隙可以調(diào)整。功率很小的直流電機中，可以不裝設換向極。

3）機座

機座既是電機的外殼又是電機磁路的一部分，一般用低碳鋼鑄成或用鋼板焊接而成，機座的兩端有端蓋。中小型電機前后端蓋都裝有軸承，用于支撐轉軸。大型電機則采用座式滑動軸承。

4）電刷裝置

電刷裝置的作用是使轉動部分的電樞繞組與外電路接通，將電樞繞組的電動勢和電流引接到外電路的負載或電源上。電刷裝置由電刷、刷窩、刷桿座和匯流條等零件組成，電刷一般采用石墨和銅粉壓制焙燒而成，電刷放置在刷握中，由彈簧將其壓在換向器的表面上，電刷桿數(shù)一般等于主磁極的數(shù)目。

2、轉子

直流電機的轉子又稱電樞，由鐵芯、繞組、換向器和冷卻風扇等部件組成。

1）鐵芯

電樞鐵芯用來構成電機的磁路以及嵌放電樞繞組。為了減少鐵心損耗，通常用0.35mm或0.5mm厚、涂有絕緣漆的硅鋼片疊裝而成。為加強冷卻，小容量電機的電樞鐵芯上有軸向通風孔，大容量電機還有徑向通風溝。

2）繞組

電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應電動勢和電磁轉矩，從而把電能轉換成機械能。電樞繞組是用絕緣銅線制成，然后嵌放在電樞鐵芯槽內(nèi)，繞組的引線端頭按一定的規(guī)律與換向片連接，繞組的槽部用絕緣的槽楔壓緊，端部用玻璃絲帶綁扎。

3）換向器

換向器是直流電機的關鍵部件，它將電樞繞組內(nèi)部的交流電動勢轉換為電刷間的直流電動勢，換向器由彼此絕緣的換向片構成，外表呈圓形。換向片用硬質(zhì)電解銅制成，換相片間墊以0.4～1.0 mm厚的云母絕緣，整個圓筒的端部用V形壓環(huán)夾緊，換相片與Ⅴ形壓環(huán)之間也用云母絕緣，每片換向片的端部都有凸出的升高片，用來與繞組引線端頭連接。

三、直流電動機的基本原理

直流電動機是根據(jù)通電導體在磁場中會受到電磁力作用的原理來工作的。定子繞組通入直流勵磁電流，產(chǎn)生勵磁磁場；主電路引入直流電源，經(jīng)電刷傳給換向器，再經(jīng)換向器將此直流電轉化為交變電流通入電樞繞組，產(chǎn)生電樞磁場，電樞磁場與勵磁磁場合成氣隙磁場，電樞繞組切割合成的氣隙磁場，產(chǎn)生電磁轉矩促使轉子旋轉。這就是直流電動機的基本工作原理。