2.1.5 直流電機

電流有交流和直流之分，因此電機也有直流電機和交流電機兩大類。直流電機是最早得到實際應用的電機，它既可做電動機又可做發電機。

法拉第（Faraday）于1821年發現了載流導體在磁場中受力的現象，即電動機的作用原理，并首次使用模型表演了這種把電能轉換為機械能的過程。1831年，他又發現了電磁感應定律。在這一基本定律的指導下，現代直流發電機的雛形很快出現了。1832年，皮克西（Pixii）利用磁鐵和線圈的相對運動，再加上一個換向裝置，制成了一臺原始型旋轉磁極式直流發電機。1833年，楞次（Lenz）證明了電機的可逆原理。1886年霍普金森兄弟（J&E Hopkinson）確立了磁路歐姆定律，1891年阿諾爾德（Arnold）建立了直流電樞繞組理論。到19世紀90年代，直流電機已經具備了現代直流電機的主要結構特點。

直流電動機具有良好的啟動性能，能在寬廣的范圍內平滑、經濟地調速，啟動轉矩大，適合對調速性能和啟動性能要求非常高的場合。例如，對于汽車用啟動電機、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，在電梯、電力機車、內燃機車、工礦機車、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。

但直流電機由于存在換向器，其制造工藝復雜，生產成本高，維護較困難，可靠性差，是一種將逐漸淘汰的電機種類。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。

目前在很多場合直流電機已被交流電機和電力電子裝置取代，但仍然有其應用場合。

1. 直流電機工作原理

直流電機是將直流電能與機械能相互轉換的旋轉電機。直流電機可以作為發電機運行，也可以作為電動機運行，這一原理稱為直流電機的可逆原理。

作為電動機運行時，直流電源向電機輸送直流電能，電機將直流電能轉化為機械能，拖動生產機械運動；作為發電機運行時，電機由原動機（交流電動機、柴油機、汽油機等）拖動，電機將機械能轉化為直流電能，向負載供電。

直流電機在拖動系統中多用做電動機，直流電動機有較高的啟動性能和調速性能，在自動控制系統中多用做測速發電機和伺服電動機。

直流電機的直流勵磁繞組一般設置在定子上，電樞繞組嵌在轉子鐵心槽內，為了引出直流電動勢，旋轉電樞必須裝有換向器，圖2-13（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abcd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，并與外電路相連，這樣電刷接觸的換向片不斷變化。圖2-13（a）中電刷“1”總是與N極面下的導體－換向片接觸，同時電刷“2”總是與S極面下的導體－換向片接觸，根據右手定則，電刷1為“+”，電刷2為“－”，電刷極性保持不變，換向器的作用如同全波整流，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2-13（b）所示，此即直流發電機的基本原理。

若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。

2. 直流電機結構

直流電機由靜止的定子和旋轉的轉子兩大部分及它們之間的氣隙構成，圖2-14是小型直流電機結構示意圖。

（1）定子部分

定子由主磁極、換向極、電刷裝置、機座等組成。

主磁極由鐵心和勵磁繞組組成，鐵心用1～1.5mm的鋼板沖片疊成，外套勵磁繞組。主磁極的作用是建立主磁場，它總是成對出現，N、S極交替排列。大多數直流電機的主磁極是由勵磁繞組通直流電來建立磁場的。

換向極也由鐵心和繞組組成，鐵心一般是由整塊鋼組成，換向極安放在相鄰兩主磁極之間，它的作用是改善電機的換向，使電機運行時不產生火花。

電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、壓緊彈簧等組成，它的作用是連接轉動和靜止之間的電路。

機座作用是固定主磁極等部件，同時也是磁路的一部分。一般是用厚鋼板彎成筒形以后焊成或用鑄鋼件制成，兩端裝有端蓋。

（2）轉子部分

轉子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸等組成，又叫電樞。

電樞鐵心一般用0.5mm涂以絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，作用是嵌放電樞繞組，同時它又是電機主磁路的一部分。

電樞繞組由絕緣導線繞制成的線圈按一定規律連接組成，每個元件兩個有效邊分別嵌放在電樞鐵心表面的槽內，元件的兩個出線端分別與兩個換向片相連。電樞繞組的作用是產生感應電勢和電磁轉矩，是實現機電能量轉換的樞紐。

換向器由許多相互絕緣的換向片組成，作用是將電樞繞組中的交流電整流成刷間的直流電或將刷間的直流電逆變成電樞繞組中的交流電。換向器是直流電機的關鍵部件之一。

（3）氣隙

為了使電機能夠運轉，定子和轉子之間要留有一定大小的間隙，此間隙稱為氣隙，它是主磁路的一部分。

3. 直流電機的勵磁方式

磁極上的線圈通以直流電產生磁通，稱為勵磁。直流電動機一般可分為電磁式和永磁式，電磁式電動機除了必須給電樞繞組外接直流電源外，還要給勵磁繞組通以直流電流用以建立磁場。電樞繞組和勵磁繞組可以用兩個電源單獨供電，也可以由一個公共電源供電。按勵磁方式的不同，直流電動機可以分為他勵、并勵、串勵和復勵等形式，如圖2-15所示。由于勵磁方式不同，它們的特性也不同。

他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個電源供電，由于采用單獨的勵磁電源，設備較復雜。但這種電動機調速范圍很寬，多用于主機拖動中。

并勵電動機的勵磁繞組是和電樞繞組并聯后由同一個直流電源供電，并勵直流電動機的機械特性較好，在負載變化時，轉速變化很小，并且轉速調節方便，調速范圍大，啟動轉矩較大。因此應用廣泛。

串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯之后接直流電源，多于負載在較大范圍內變化的和要求有較大啟動轉矩的設備中。

復勵電動機的主磁極上裝有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯，另一個與電樞繞組并聯，兼有串勵電動機和并勵電動機的特點，所以也被廣泛應用。

在以上4種類型的直流電動機中，以并勵直流電動機和他勵直流電動機應用最為廣泛。

永磁電動機沒有勵磁繞組，直接以永久磁鐵建立磁場來使轉子轉動。這種電動機在許多小型電子產品上得到了廣泛應用。

4. 直流電機的額定值及型號

為了使電機安全可靠地工作，且保持優良的運行性能，電機廠家根據國家標準及電機的設計數據，對每臺電機在運行中的電壓、電流、功率、轉速等規定了保證值，這些保證值稱為電機的額定值。

直流電機的額定值有：額定功率PN，對直流發電機來說，是指電刷端輸出的電功率，對直流電動機來說，是指軸上輸出的機械功率，單位為kW。額定電壓UN，指額定狀態下電機出線端的平均電壓值，單位為V。額定電流IN，在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流，單位為A。額定轉速nN，指額定狀態下運行時轉子的轉速，單位為r/min。直流電機的轉速等級一般在500r/min以上。特殊的直流電機轉速可以做到很低（如：每分鐘幾轉）或很高（每分鐘3000轉以上）。勵磁方式和額定勵磁電流IfN，勵磁方式指直流電機的勵磁線圈與電樞線圈的連接方式。額定勵磁電流指對應于額定電壓、額定電流、額定轉速及額定功率時的勵磁電流，單位為A。

國產電機主要系列有：Z2系列是普通中小型直流電機；ZZJ系列是一種冶金起重輔助傳動直流電動機，適用于軋鋼機、起重機、升降機、電鏟等。其他系列的直流電機型號、技術數據可從產品目錄或相關的手冊中查到。圖2-16給出了若干直流電機示例。