2.1.5 直流电机

电流有交流和直流之分，因此电机也有直流电机和交流电机两大类。直流电机是最早得到实际应用的电机，它既可做电动机又可做发电机。

法拉第（Faraday）于1821年发现了载流导体在磁场中受力的现象，即电动机的作用原理，并首次使用模型表演了这种把电能转换为机械能的过程。1831年，他又发现了电磁感应定律。在这一基本定律的指导下，现代直流发电机的雏形很快出现了。1832年，皮克西（Pixii）利用磁铁和线圈的相对运动，再加上一个换向装置，制成了一台原始型旋转磁极式直流发电机。1833年，楞次（Lenz）证明了电机的可逆原理。1886年霍普金森兄弟（J&E Hopkinson）确立了磁路欧姆定律，1891年阿诺尔德（Arnold）建立了直流电枢绕组理论。到19世纪90年代，直流电机已经具备了现代直流电机的主要结构特点。

直流电动机具有良好的启动性能，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，启动转矩大，适合对调速性能和启动性能要求非常高的场合。例如，对于汽车用启动电机、挡风玻璃擦拭电动机、吹风机电动机，以及电动窗用电动机等，都是直流电动机在工业自动控制中最为经济的选择。在大功率的驱动设备的运用中，例如，在电梯、电力机车、内燃机车、工矿机车、城市轨道交通、钢厂轧钢机、挖掘设备、大型起重机等驱动系统中，直流电动机有着广泛的应用空间。

但直流电机由于存在换向器，其制造工艺复杂，生产成本高，维护较困难，可靠性差，是一种将逐渐淘汰的电机种类。随着电力电子技术和控制技术的发展，目前，直流发电机已基本上被静止整流装置替代。在电力传动领域，先进的异步电动机控制理论和新型大功率电力电子器件的结合，使得交流异步电动机的驱动系统正成为电气传动的发展趋势。

目前在很多场合直流电机已被交流电机和电力电子装置取代，但仍然有其应用场合。

1. 直流电机工作原理

直流电机是将直流电能与机械能相互转换的旋转电机。直流电机可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，这一原理称为直流电机的可逆原理。

作为电动机运行时，直流电源向电机输送直流电能，电机将直流电能转化为机械能，拖动生产机械运动；作为发电机运行时，电机由原动机（交流电动机、柴油机、汽油机等）拖动，电机将机械能转化为直流电能，向负载供电。

直流电机在拖动系统中多用做电动机，直流电动机有较高的启动性能和调速性能，在自动控制系统中多用做测速发电机和伺服电动机。

直流电机的直流励磁绕组一般设置在定子上，电枢绕组嵌在转子铁心槽内，为了引出直流电动势，旋转电枢必须装有换向器，图2-13（a）为直流电机的模型示意图。

当励磁绕组流入直流电流，电机主磁极产生恒定磁场，由原动机带动转子旋转，电枢导体切割主磁场产生感应电动势，它随时间的变化规律与气隙磁场空间分布规律一致，因此线圈abcd内是交流电动势，线圈电动势随时间规律性变化，其波形与气隙磁通密度分布相同，通常为平顶波，然而线圈电动势不是直接引出，而要通过换向器。电枢导体与换向片固定连接，换向片之间由绝缘体隔开，换向器随电枢旋转，而电刷是静止不动的，并与外电路相连，这样电刷接触的换向片不断变化。图2-13（a）中电刷“1”总是与N极面下的导体－换向片接触，同时电刷“2”总是与S极面下的导体－换向片接触，根据右手定则，电刷1为“+”，电刷2为“－”，电刷极性保持不变，换向器的作用如同全波整流，电刷1、2之间的电动势经换向后为一有较大脉动分量的直流电动势，如图2-13（b）所示，此即直流发电机的基本原理。

若电刷两端接入直流电压，转子电枢绕组中就有电流流过，定子励磁绕组有直流电流励磁，则带电电枢导体在磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩，使电枢旋转，电磁转矩的方向与电机转向一致。由于电刷与换向器的作用使所有导体受力方向一致，此时直流电机作电动机运行。

2. 直流电机结构

直流电机由静止的定子和旋转的转子两大部分及它们之间的气隙构成，图2-14是小型直流电机结构示意图。

（1）定子部分

定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。

主磁极由铁心和励磁绕组组成，铁心用1～1.5mm的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是建立主磁场，它总是成对出现，N、S极交替排列。大多数直流电机的主磁极是由励磁绕组通直流电来建立磁场的。

换向极也由铁心和绕组组成，铁心一般是由整块钢组成，换向极安放在相邻两主磁极之间，它的作用是改善电机的换向，使电机运行时不产生火花。

电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成，它的作用是连接转动和静止之间的电路。

机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。一般是用厚钢板弯成筒形以后焊成或用铸钢件制成，两端装有端盖。

（2）转子部分

转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等组成，又叫电枢。

电枢铁心一般用0.5mm涂以绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时它又是电机主磁路的一部分。

电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈按一定规律连接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁心表面的槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。

换向器由许多相互绝缘的换向片组成，作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。换向器是直流电机的关键部件之一。

（3）气隙

为了使电机能够运转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，它是主磁路的一部分。

3. 直流电机的励磁方式

磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。直流电动机一般可分为电磁式和永磁式，电磁式电动机除了必须给电枢绕组外接直流电源外，还要给励磁绕组通以直流电流用以建立磁场。电枢绕组和励磁绕组可以用两个电源单独供电，也可以由一个公共电源供电。按励磁方式的不同，直流电动机可以分为他励、并励、串励和复励等形式，如图2-15所示。由于励磁方式不同，它们的特性也不同。

他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电，由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。但这种电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中。

并励电动机的励磁绕组是和电枢绕组并联后由同一个直流电源供电，并励直流电动机的机械特性较好，在负载变化时，转速变化很小，并且转速调节方便，调速范围大，启动转矩较大。因此应用广泛。

串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联之后接直流电源，多于负载在较大范围内变化的和要求有较大启动转矩的设备中。

复励电动机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，另一个与电枢绕组并联，兼有串励电动机和并励电动机的特点，所以也被广泛应用。

在以上4种类型的直流电动机中，以并励直流电动机和他励直流电动机应用最为广泛。

永磁电动机没有励磁绕组，直接以永久磁铁建立磁场来使转子转动。这种电动机在许多小型电子产品上得到了广泛应用。

4. 直流电机的额定值及型号

为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，这些保证值称为电机的额定值。

直流电机的额定值有：额定功率PN，对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率，单位为kW。额定电压UN，指额定状态下电机出线端的平均电压值，单位为V。额定电流IN，在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流，单位为A。额定转速nN，指额定状态下运行时转子的转速，单位为r/min。直流电机的转速等级一般在500r/min以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。励磁方式和额定励磁电流IfN，励磁方式指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式。额定励磁电流指对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流，单位为A。

国产电机主要系列有：Z2系列是普通中小型直流电机；ZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机，适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手册中查到。图2-16给出了若干直流电机示例。