关于直流电机的结构和工作原理分析

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摘要：直流电机是实现直流电能与机械能相互转换的一种旋转电机，它包括直流发电机和直流电动机。将机械能转化为电能的是直流发电机，将电能转化为机械能的是直流电动机。与交流电机相比，直流电机结构复杂、成本高、维护麻烦，但直流电动机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等优点，广泛应用于轧钢机、电力机车、大型机床拖动系统中。首先阐释了直流电机的结构，进而详细分析了直流电机的工作原理，对直流电动机有更加深入的了解。

关键词：直流电动机　工作原理　结构分析

中图分类号：TM3　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)006-034-02

1　直流电：机的基本结构

1.1　定子

定子的左右就是产生磁场和作为电机的机械支撑。主要包括主磁极、换向级、电刷装置和机座四个主要部分。

首先，主磁极。主磁极铁心一般采用了0.5―1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成。靠近气隙的较宽部分称为极靴，它既可以使气隙分布均匀，又便于固定励磁绕组：套励磁绕组的那部分铁心称为极身。励磁绕组采用绝缘铜线绕制而成，再经绝缘处理，然后套装在主磁极铁心上，最后将整个主磁极用螺钉均匀地固定在机座的内圆上。励磁绕组一般串联起来，通过直流励磁电流L，从而能够保证主磁极N，S交替分布。主磁极的作用就是产生主磁通，这个磁场就称之为主磁场。

其次，换向极。换向极铁心一般采用整块钢或厚钢板叠成。换向极绕组采用较粗绝缘铜线绕成，匝数较少，且与电枢绕组串联。换向极安装在两主磁极之间的中心线上，且用螺钉固定于机座内圆上，其作用是改善换向。换向极绕组一般是用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目和主磁极就会相等。

再次，电刷装置。电刷装置的作用是使旋转的电枢绕组与固定不动的外电路相连接，引入或弓出直流电流。电刷装置由电刷、刷握、刷杆座组成。

最后，机座。机座既是电机磁路的一部分，又可用来固定主磁极、换向极、端盖等零部件，所以要求它有良好的导磁性能和机械强度，一般采用低碳钢浇注或钢板焊接而成。

1.2　转子

(1)电枢铁心。电枢铁心是磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组。电枢铁心一般采用0.35mm或者0.5mm厚的有齿、槽的硅钢片，且两面涂有绝缘漆叠压而成。电枢铁心上有轴向通风孔，利于设备在运行过程中进行通风，提高设备寿命。

(2)电枢绕组。电枢绕组是电路的一部分，由绝缘铜线绕制而成的许多个线圈，嵌放在电枢铁心槽内，按一定规律经换向片连接成整体。电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩，从而实现能量转换，是电机的重要组成部分。

(3)换向器。换向器是直流电机的关键部件。它是由许多楔形铜片(间隙0.4――1.0mm的云母片)绝缘组装而成的圆柱体。每片换向片的一端有高出的部分，上面铣有线槽供线圈引出端焊接用。换向片的下部做成燕尾形，然后用钢制的v形套筒和V形云母环固定，称为金属换向器。

2　直流电机的工作原理

2.1　直流发电机的工作原理

我们可以把一台两极直流发电机的原理图作为示例分析对象。图中N、S是静止的磁极，它产生磁通。能够在两磁极之间转动的铁心和线圈a、b、c、d称为转子。线圈的两个端头接在相互绝缘的两只铜质半圆环1和2上。半圆环1和2称为换向片，它们固定于转轴上且与转轴绝缘。在空间静止的电刷A和B与换向片滑动接触，使旋转的线圈与外面静止的电路相连。

当原动机拖动发电机以恒定转速转动的时候，线圈的两条边a、b和c、d切割磁力线，根据电磁感应定律可知，在其中产生感应电动势，其方向可以凭借右手定则来判定。如图所示：一根导体中感应电动势的大小为：e=BxLv，其中Bx指的是导体所在处的磁通密度(Wb／m2)；Lv指的是导体切割磁力线的有效长度(m)；v指的是导体线速度(m／s)。

如果电枢逆时针方向旋转，当导线a、b在N极下时，根据感应电动势的方向可知，此时A刷为正电位，B刷为负电位。外电路中的电流由A刷经负载流向B刷。当电枢旋转180。时，导线c、d转到N极下，感应电动势方向改变了。但a端所接的换向片1转至与B刷相接触，d端所接的换向片2转到与A刷相接触。这时，A刷仍具有正电位，B刷仍具有负电位。外电路中的电流仍是由A刷经负载流向B刷。当电枢旋转时，线圈中产生交变电动势，只要电枢转向不变，由于换向片和电刷即换向装置的作用，电刷A和B始终具有固定的极性，这就是直流发电机的基本工作原理。

2.2　直流电动机的工作原理

图3是直流电动机的工作原理图。直流电动机工作时接于直流电源上，如A刷接电源正极，B刷接电源负极，则电流从A刷流入，经线圈a、b、c、d，至B刷流出。图示3所示瞬间，在N极下的导线曲中电流方向由a到b；在S极下的导线c、d中电流方向由c到d。根据电磁力定律知道，载流导体在磁场中要受力，其方向可由左手定则判定，其大小可以表示为：仁BxLv，其指的是导体所在处得刺痛密度(Wb／m2)，L指的是导体切割磁力线的有效长度(m)；i指的是导体中流过的电流(A)。

导线ab的受力方向向左，导线cd的受力方向向右。两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩为逆时针方向，电磁转矩使电枢逆时针方向旋转。当线圈转过180°时，换向片2转至与A刷接触，换向片1转至与B刷接触。电流由正极经换向片2流入，导线dc中电流由d流向c，导线沈中电流由b流向a，由换向片1经B刷流回负极。导线中的电流方向改变了，导线所在磁场的极性也改变了，电磁力及电磁力对转轴所形成的电磁转矩的方向未变，仍为逆时针方向，这样可使电动机沿一个方向连续旋转下去。通过换向装置，使每一极面下的导体中的电流方向始终不变，因而产生单方向的电磁转矩，电枢向一个方向旋转，这就是直流电动机的基本工作原理。

3　结论

不论是直流发电机还是直流电动机，电刷之间的外部电压都是直流的，而线圈内部的电流却是交变的，所以换向器是直流电机中的关键部件。直流电机具有可逆性，原则上既可作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是外部条件不同而已。

参考文献：

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