直流电动机工作原理与结构
直流电动机工作原理与结构
图1 直流电动机模型
图1是一个最简单的直流电动机模型。在一对静止的磁极N和S之间，装设一个可以绕Z-Z'轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈abcd。这个转动的部分通常叫做电枢。线圈的两端a和d分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环1和2上。换向片1和2之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。A和B是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。
图2 换向器在直流电机中的作用
当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷A流入，而从电刷B流出。这时线圈中的电流方向是从a流向b，再从c流向d。我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。当电枢在图7-5（a）所示的位置时，线圈ab边的电流从a流向b，用表示，cd边的电流从c流向d，用⊙表示。根据左手定则可以判断出，ab边受力的方向是从右向左，而cd
边受力的方向是从
左向右。这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。
当电枢转到使线圈的ab边从N极下面进入S极，而cd边从S极下面进入N极时，与线圈a端联接的换向片1跟电刷B接触，而与线圈d端联接的换向片2跟电刷A接触，如图2（b）所示。这样，线圈内的电流方向变为从d流向c，再从b流向a，从而保持在N极下面的导体中的电流方向不变。因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。
图1所示的直流电动机，只有一匝线圈，它所受到的电磁力是很小的，而且有较大的脉动。如果由直流电源流入线圈的电流大小不变，磁极磁密在垂直于导体运动方向的空间按正弦规律分布，电枢为匀速转动时，此电机有电流和磁场产生的电磁转矩随时间变化的波形，如图3所示。由图可以看出，转矩是变化的，除了平均转矩外，还包含着交变转矩。为了克服这些缺点，实际的电动机都是由很多匝线圈组成，并且按照一定的联接方法分布在整个电枢表面上，通常称为电枢绕组。随着线圈数目的增加，换向片的数目也相应地增多，由许多换向片组合起来的整体叫做换向器。
图3 平均电磁转矩的产生
由上可知，直流电动机工作时，首先需要建立一个磁场，它可以由永久磁铁或由直流励磁的励磁绕组来产生。由永久磁铁构成磁场的电动机叫永磁直流电动机。对由励磁绕组来产生磁场的直流电动机，根据励磁绕组和电枢绕组的联接方式的不同，分为他励电动机、并励电动机、串励电动机、复励电动机。他励电动机是电枢与励磁绕组分别用不同的电源供电，如图4（a）所示，永磁直流电动机也属于这一类。并励电动机是指由同一电源供电给并联着的电枢和励磁绕组，如图4（b）所示。串励电动机的励磁绕组和电枢绕组相串联，串励绕组中通过的电流和电枢绕组的电流大小相等，如图4（c）所示。复励电动机是既有并励绕组又有串励绕组，并励绕组和串励绕组的磁势可以相加，也可以相减，前者称为积复励，后者称为差复励，如图4（d）所示。
图4 直流电动机按励磁分类接线图
（a）他励 （b）并励 （c）串励 （d）复励
直流电动机工作原理与结构
近几十年来，随着永磁材料的发展，尤其是稀土永磁的相继问世，其磁性能有了很大提高。与电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，重量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。
本节主要叙述串励式双转直流电动机。
1-前支承 2－磁系统线圈 3－后支承 4－电枢 5－轴承
图5 电动机原理结构
1-转子轴承 2－滑环 3－换向器电刷 4－磁系统 5－电枢 6－磁系统轴承 7－外轴
8－内轴 9－磁绕组 10－壳体 11－换向器 12－滑环电刷
图6 电动机结构简图
图5所示。电动机装在支承座或壳体内，电动机在其上转动。而电动机通过支承座（或壳体）固定
.
电动机本体由磁系统、转子（电枢）、换向器、电刷等组成。图4是有外壳的串励式电动机剖面简图。 磁系统是用以产生磁场的，当电枢的磁通在此磁场内相互作用时，产生作用力矩及反作用力矩，使电枢和磁系统转动，并且二者转动方向相反。磁系统由铁心和激磁绕组组成。磁系统有主磁极和辅助磁极两部分。主磁极的作用是产生磁场，磁极的磁通即由绕在其上的绕组线圈所产生。辅助磁极的功用是产生补充磁通，以改善换向性能。因为当电枢绕组中的线圈电流在换向时，与线圈相联的换向片同电刷之间会产生火花。为了减少火花，改善换向性能，通常在两主极之间均装有一辅助磁极，也可称换向磁极。 电枢也是用来产生磁通的，它由电枢铁心和绕组线圈组成。电枢铁心作为磁的通路及嵌放电枢绕组之用。当电枢在磁场中旋转时，铁心中的磁通方向不断变化，因而也会产生涡流及磁滞损耗，为了减少涡流损耗，电枢铁心一般用0.5或0.35mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片迭压而成。电枢绕组是由许多个完全相同的绕组元件按一定的规律联接起来所组成。绕组元件一般就是一个线圈，它的两个线端分别接到换向器的两个换向片上，各元件是在换向片上相互联接起来的。
换向器是电动机的整流部分，它是用来向旋转电枢供电和向各段绕组分配电流的。电枢绕组内流过的是交变电流，而外电路是直流电，换向器即是将电源提供的直流电转换为电枢绕组中的交变电流，使电动机工作时始终按一个方向连续旋转。
电刷是用以将转动的磁系统和电枢与外线路过程回路系统。鱼雷双转电动机有两组电刷。一组与滑环接触，滑环与磁系统一起转动，而电刷固定不动。另一组电刷装在磁系统上，与随同电枢轴一起转动的换向器接触。
图7 电动机的线路图
图5是电动机的线路图，由电源出来的电流所经过的途径是：
蓄电池正极—正极接线柱—滑环电刷—后滑环—换向器正极电刷—电枢绕组—换向器的负极电刷—
磁极
绕组—前滑环—滑环电刷—负极接线柱—蓄电池负极。
当电流流过电枢及励磁绕组时，二者形成相互作用的磁场，导致磁系统和电枢作相对的旋转。而磁系统与外轴联接，电枢与内轴联接，因此电动机形成两个旋转方向相反的输出轴.
直流电动机工作原理与结构
直流电动机工作原理与结构
图1 直流电动机模型
图1是一个最简单的直流电动机模型。在一对静止的磁极N和S之间，装设一个可以绕Z-Z'轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈abcd。这个转动的部分通常叫做电枢。线圈的两端a和d分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环1和2上。换向片1和2之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。A和B是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。
图2 换向器在直流电机中的作用
当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷A流入，而从电刷B流出。这时线圈中的电流方向是从a流向b，再从c流向d。我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。当电枢在图7-5（a）所示的位置时，线圈ab边的电流从a流向b，用表示，cd边的电流从c流向d，用⊙表示。根据左手定则可以判断出，ab边受力的方向是从右向左，而cd
边受力的方向是从
左向右。这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。
当电枢转到使线圈的ab边从N极下面进入S极，而cd边从S极下面进入N极时，与线圈a端联接的换向片1跟电刷B接触，而与线圈d端联接的换向片2跟电刷A接触，如图2（b）所示。这样，线圈内的电流方向变为从d流向c，再从b流向a，从而保持在N极下面的导体中的电流方向不变。因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。
图1所示的直流电动机，只有一匝线圈，它所受到的电磁力是很小的，而且有较大的脉动。如果由直流电源流入线圈的电流大小不变，磁极磁密在垂直于导体运动方向的空间按正弦规律分布，电枢为匀速转动时，此电机有电流和磁场产生的电磁转矩随时间变化的波形，如图3所示。由图可以看出，转矩是变化的，除了平均转矩外，还包含着交变转矩。为了克服这些缺点，实际的电动机都是由很多匝线圈组成，并且按照一定的联接方法分布在整个电枢表面上，通常称为电枢绕组。随着线圈数目的增加，换向片的数目也相应地增多，由许多换向片组合起来的整体叫做换向器。
图3 平均电磁转矩的产生
由上可知，直流电动机工作时，首先需要建立一个磁场，它可以由永久磁铁或由直流励磁的励磁绕组来产生。由永久磁铁构成磁场的电动机叫永磁直流电动机。对由励磁绕组来产生磁场的直流电动机，根据励磁绕组和电枢绕组的联接方式的不同，分为他励电动机、并励电动机、串励电动机、复励电动机。他励电动机是电枢与励磁绕组分别用不同的电源供电，如图4（a）所示，永磁直流电动机也属于这一类。并励电动机是指由同一电源供电给并联着的电枢和励磁绕组，如图4（b）所示。串励电动机的励磁绕组和电枢绕组相串联，串励绕组中通过的电流和电枢绕组的电流大小相等，如图4（c）所示。复励电动机是既有并励绕组又有串励绕组，并励绕组和串励绕组的磁势可以相加，也可以相减，前者称为积复励，后者称为差复励，如图4（d）所示。
图4 直流电动机按励磁分类接线图
（a）他励 （b）并励 （c）串励 （d）复励
直流电动机工作原理与结构
近几十年来，随着永磁材料的发展，尤其是稀土永磁的相继问世，其磁性能有了很大提高。与电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，重量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。
本节主要叙述串励式双转直流电动机。
1-前支承 2－磁系统线圈 3－后支承 4－电枢 5－轴承
图5 电动机原理结构
1-转子轴承 2－滑环 3－换向器电刷 4－磁系统 5－电枢 6－磁系统轴承 7－外轴
8－内轴 9－磁绕组 10－壳体 11－换向器 12－滑环电刷
图6 电动机结构简图
图5所示。电动机装在支承座或壳体内，电动机在其上转动。而电动机通过支承座（或壳体）固定
.
电动机本体由磁系统、转子（电枢）、换向器、电刷等组成。图4是有外壳的串励式电动机剖面简图。 磁系统是用以产生磁场的，当电枢的磁通在此磁场内相互作用时，产生作用力矩及反作用力矩，使电枢和磁系统转动，并且二者转动方向相反。磁系统由铁心和激磁绕组组成。磁系统有主磁极和辅助磁极两部分。主磁极的作用是产生磁场，磁极的磁通即由绕在其上的绕组线圈所产生。辅助磁极的功用是产生补充磁通，以改善换向性能。因为当电枢绕组中的线圈电流在换向时，与线圈相联的换向片同电刷之间会产生火花。为了减少火花，改善换向性能，通常在两主极之间均装有一辅助磁极，也可称换向磁极。 电枢也是用来产生磁通的，它由电枢铁心和绕组线圈组成。电枢铁心作为磁的通路及嵌放电枢绕组之用。当电枢在磁场中旋转时，铁心中的磁通方向不断变化，因而也会产生涡流及磁滞损耗，为了减少涡流损耗，电枢铁心一般用0.5或0.35mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片迭压而成。电枢绕组是由许多个完全相同的绕组元件按一定的规律联接起来所组成。绕组元件一般就是一个线圈，它的两个线端分别接到换向器的两个换向片上，各元件是在换向片上相互联接起来的。
换向器是电动机的整流部分，它是用来向旋转电枢供电和向各段绕组分配电流的。电枢绕组内流过的是交变电流，而外电路是直流电，换向器即是将电源提供的直流电转换为电枢绕组中的交变电流，使电动机工作时始终按一个方向连续旋转。
电刷是用以将转动的磁系统和电枢与外线路过程回路系统。鱼雷双转电动机有两组电刷。一组与滑环接触，滑环与磁系统一起转动，而电刷固定不动。另一组电刷装在磁系统上，与随同电枢轴一起转动的换向器接触。
图7 电动机的线路图
图5是电动机的线路图，由电源出来的电流所经过的途径是：
蓄电池正极—正极接线柱—滑环电刷—后滑环—换向器正极电刷—电枢绕组—换向器的负极电刷—
磁极
绕组—前滑环—滑环电刷—负极接线柱—蓄电池负极。
当电流流过电枢及励磁绕组时，二者形成相互作用的磁场，导致磁系统和电枢作相对的旋转。而磁系统与外轴联接，电枢与内轴联接，因此电动机形成两个旋转方向相反的输出轴.