2.1 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1.1 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，但總體上由定子（靜止部分）和轉(zhuǎn)子（運(yùn)動(dòng)部分）兩大部分組成。定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。轉(zhuǎn)子的主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。裝配后的電機(jī)如圖2-1所示。

1.定子

1）主磁極。

主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。主磁極由主磁極鐵心和勵(lì)磁繞組兩部分組成。為降低電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中磁場(chǎng)變化可能導(dǎo)致的渦流損耗，主磁極鐵心一般用1mm～1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓而成。勵(lì)磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個(gè)主磁極用螺釘固定在機(jī)座上，如圖2-2所示。

2）換向極。

換向極的作用是改善換向。它裝在兩個(gè)主磁極之間，也是由鐵心和繞組構(gòu)成。換向極鐵心一般用整塊鋼或鋼板加工而成，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖2-3所示。

3）機(jī)座。

常用鑄鋼或厚鋼板焊接而成，它是電機(jī)的機(jī)械支撐，用來(lái)固定主磁極、換向極和端蓋，同時(shí)也是電機(jī)磁路的一部分。在磁路中機(jī)座部分的磁路常稱為磁軛。

4）電刷裝置。

電刷的作用之一是把轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞與外電路相連接，使電流經(jīng)電刷進(jìn)入或離開電樞；其二是與換向器配合作用而獲得直流電壓，如圖2-4所示。

2.轉(zhuǎn)子（電樞）

1）電樞鐵心。

電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時(shí)用以嵌放電樞繞組。一般電樞鐵心采用由0.5mm厚的硅鋼沖片疊壓而成（沖片的形狀如圖2-5a所示），以降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。

2）電樞繞組。

由許多線圈按一定規(guī)律連接而成，用以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和通過(guò)電流，是直流電機(jī)電路的主要部分。

3）換向器。

在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機(jī)中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為正、負(fù)電刷上引出的直流電動(dòng)勢(shì)。換向器結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。

4）轉(zhuǎn)軸。

轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的支撐作用，需有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，一般用圓鋼加工而成。

2.1.2 直流電機(jī)的基本工作原理與銘牌數(shù)據(jù)

1.直流電機(jī)的基本工作原理

1）直流電動(dòng)機(jī)工作原理。

直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖2-7所示。N和S是一對(duì)固定的磁極，磁極之間有一個(gè)電樞線圈abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個(gè)半圓形銅片（換向片）上，它們的組合在一起稱為換向器，在每個(gè)半圓形銅片上又分別放置一個(gè)固定不動(dòng)而與之滑動(dòng)接觸的電刷A和B，線圈abcd通過(guò)換向器和電刷接通外電路。

將外部直流電源加于電刷A（正極）和B（負(fù)極）上，則線圈abcd中流過(guò)電流，在導(dǎo)體ab中，電流由a指向b，在導(dǎo)體cd中，電流由c指向d。導(dǎo)體ab和cd分別處于N、S極磁場(chǎng)中，受到電磁力的作用。用左手定則可知導(dǎo)體ab和cd均受到電磁力的作用，且形成的轉(zhuǎn)矩方向一致，這個(gè)轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩，為逆時(shí)針方向。這樣，電樞就順著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，如圖2-7a所示。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)180°，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，ab轉(zhuǎn)到S極下，如圖2-7b所示；由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流變?yōu)橛蒬流向c，而ab中的電流由b流向a，從電刷B流出，用左手定則判別可知，電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍是逆時(shí)針方向。

由此可見，加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動(dòng)機(jī)電樞線圈中流過(guò)電流的方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。

實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)中，電樞圓周上均勻地嵌放許多線圈，相應(yīng)地?fù)Q向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。

2）直流發(fā)電機(jī)工作原理。

直流發(fā)電機(jī)的模型與直流電動(dòng)機(jī)模型相同，不同的是用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞朝某一方向（例如逆時(shí)針方向）旋轉(zhuǎn)，如圖2-8a所示。這時(shí)導(dǎo)體ab和cd分別切割N極和S極下的磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則確定；可知導(dǎo)體ab中電動(dòng)勢(shì)的方向由b指向a，導(dǎo)體cd中電動(dòng)勢(shì)的方向由d指向c，兩種電動(dòng)勢(shì)在一個(gè)串聯(lián)回路中相互疊加，形成電刷A為電源正極，電刷B為電源負(fù)極。電樞轉(zhuǎn)過(guò)180°后，導(dǎo)體cd與導(dǎo)體ab交換位置，但電刷的正負(fù)極性不變，如圖2-8b所示。可見，同直流電動(dòng)機(jī)一樣，直流發(fā)電機(jī)電樞線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向也是交變的，而通過(guò)換向器和電刷的整流作用，在電刷A、B上輸出的電動(dòng)勢(shì)是極性不變的直流電動(dòng)勢(shì)。在電刷A、B之間接上負(fù)載，發(fā)電機(jī)就能向負(fù)載供給直流電能。這就是直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理。

從以上分析可以看出：一臺(tái)直流電機(jī)既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，這取決于外界不同的條件。將直流電源加于電刷，輸入電能，電機(jī)能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，此時(shí)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械能，電機(jī)能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，從電刷上引出直流電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。同一臺(tái)電機(jī)，既能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，又能作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，被稱為電機(jī)的可逆原理。

2.直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)

直流電機(jī)的機(jī)座上有一個(gè)銘牌，上面標(biāo)注著額定數(shù)據(jù)和使用條件。額定數(shù)據(jù)是電機(jī)制造廠按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)而規(guī)定的每臺(tái)電機(jī)的主要性能指標(biāo)。直流電機(jī)的額定值主要有下列幾項(xiàng)。

1）額定功率P_N。

額定功率是指電機(jī)在額定條件下運(yùn)行時(shí)的輸出功率。對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，額定功率是指轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率；對(duì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，額定功率是指電刷間輸出的額定電功率，單位為kW。

2）額定電壓U_N。

指電機(jī)在額定條件下運(yùn)行時(shí)，直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓或直流電動(dòng)機(jī)的輸入電壓，單位為V。

3）額定電流I_N。

指在額定電壓和額定負(fù)載時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行所允許的電流，單位為A。

4）額定轉(zhuǎn)速n_N。

額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min。

額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌上，又稱為銘牌數(shù)據(jù)。還有一些額定值，例如額定轉(zhuǎn)矩T_N、額定效率η_N等，不一定標(biāo)在銘牌上，可查產(chǎn)品況明書或由銘牌上的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果各個(gè)物理量均為額定值，就稱電機(jī)工作在額定運(yùn)行狀態(tài)，亦稱為滿載運(yùn)行。在額定運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)利用充分，運(yùn)行可靠，并具有良好的性能。如果電機(jī)的電樞電流小于額定電流，稱為欠載運(yùn)行；電機(jī)的電樞電流大于額定電流，稱為過(guò)載運(yùn)行。欠載運(yùn)行時(shí)電機(jī)利用得不充分，效率低；過(guò)載運(yùn)行時(shí)易引起電機(jī)過(guò)熱而損壞。