1、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
DC電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以分為兩部分：靜止的部分稱為定子，旋轉(zhuǎn)的部分稱為轉(zhuǎn)子(也叫電樞)。圖2-1和圖2-2分別是DC電機(jī)的縱向和橫向示意圖。
圖2-1 DC電機(jī)縱剖面示意圖
圖2-2 DC電機(jī)橫截面示意圖
DC電機(jī)的定子部分包括底座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等。轉(zhuǎn)子包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風(fēng)扇和轉(zhuǎn)軸。
1.主磁極
圖2-3是DC電機(jī)主磁極的示意圖。主磁極用于產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，使電樞表面的氣隙磁通密度沿空間按一定波形分布。主磁極包括主磁極鐵芯和勵(lì)磁繞組。主磁極鐵芯由厚度為1 mm ~ 1.5 mm的低碳鋼片疊壓而成，勵(lì)磁繞組由圓形或矩形純銅絕緣電磁線制成。每個(gè)磁極的勵(lì)磁繞組串聯(lián)成一個(gè)回路，以保證每個(gè)主磁極的勵(lì)磁繞組的電流相等。
大型DC電機(jī)在極靴上開(kāi)槽，補(bǔ)償繞組嵌在槽內(nèi)，與電樞繞組串聯(lián)，抵消極靴內(nèi)電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)，從而減小氣隙磁場(chǎng)畸變，改善換向，增加電機(jī)運(yùn)行可靠性。
1-主磁極鐵芯；二極靴；3-勵(lì)磁繞組；
4繞組絕緣；5-機(jī)器底座；
6-螺絲圖2-3主磁極示意圖
1-換向器芯；雙換向器繞組
圖2-4換向器電極示意圖
2.換向器極
也叫附加極，用于改善DC電機(jī)的換向性能，其工作原理將在2.7節(jié)介紹。換向器由換向器芯和換向器繞組組成。其鐵芯一般由1毫米~ 1.5毫米厚的低碳鋼薄板迭片制成。換向繞組必須與電樞繞組串聯(lián)。因?yàn)橐ㄟ^(guò)的電樞電流很大，所以它通常由較厚的矩形截面導(dǎo)體制成。圖2-4是換向極的示意圖。換向器安裝在兩個(gè)相鄰的主極之間，其數(shù)量一般與主極數(shù)量相等。小功率DC電機(jī)可能不配備換向極。
3.機(jī)器底座
DC電機(jī)的底座用于固定主極、換向極、端蓋等。電機(jī)借助腳固定在底座上。同時(shí)，DC電機(jī)的底座是磁極之間的磁通路徑(稱為磁軛)，所以采用導(dǎo)磁性好、機(jī)械強(qiáng)度高的鑄鋼或厚鋼板，而不是鑄鐵。
4.電樞鐵芯
電樞是用來(lái)傳遞磁通量和嵌入電樞繞組的，電樞繞組是主磁路的一部分。因?yàn)檗D(zhuǎn)子在定子主磁極產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，所以電樞鐵芯中的磁通量是交變的。為了減少渦流和磁滯損耗，通常層壓兩面涂有絕緣漆的0.5毫米硅鋼片。沖片上有均勻分布的槽和軸向通風(fēng)孔，用于嵌入電樞繞組。
5.電樞繞組
電樞繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。較小的DC電機(jī)的電樞繞組用圓形電磁線纏繞，而大多數(shù)DC電機(jī)的電樞繞組用矩形絕緣線纏繞形成異形線圈，然后嵌入電樞鐵芯的槽中，如圖2-5所示。它必須與線圈鐵芯以及上下線圈之間適當(dāng)絕緣。為了防止電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力，繞組在槽內(nèi)的部分用絕緣槽楔固定，而伸出槽外的端子部分用非磁性鋼絲緊固在線圈支架上。
6.整流器
換向器是DC電機(jī)獨(dú)特的關(guān)鍵部件，它將電樞繞組內(nèi)部的交流電勢(shì)轉(zhuǎn)換成電刷之間的DC電勢(shì)。換向器的質(zhì)量將直接影響DC電機(jī)的運(yùn)行可靠性。換向器由許多相互絕緣的銅板組成，稱為換向板，并具有各種結(jié)構(gòu)形式。圖2-6是一個(gè)常見(jiàn)的例子。從圖中可以看出
刷子裝置由刷子、刷柄、刷桿和刷桿座組成，如圖2-7所示。電刷放在刷握上的刷盒內(nèi)，電刷由彈簧壓緊，與換向器表面緊密接觸，保證電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電刷與換向器表面接觸良好。電刷裝置與換向器配合，將旋轉(zhuǎn)的電樞繞組與靜止的外部電路連接起來(lái)。
(a)刷握和刷子
(b)刷裝置圖2-7
刷子裝置示意圖
8.氣隙
定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙是主磁路的一部分，其大小直接影響運(yùn)行性能。由于氣隙磁場(chǎng)是由DC勵(lì)磁產(chǎn)生的，所以DC電機(jī)的氣隙比異步電機(jī)大得多，小型DC電機(jī)為1 ~ 3 mm，大型DC電機(jī)為1~3mm。
2、直流電機(jī)的工作原理
DC電機(jī)的工作原理可以用最簡(jiǎn)單的DC電機(jī)模型來(lái)說(shuō)明，如圖2-8所示。DC電動(dòng)機(jī)可分為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行和發(fā)電機(jī)運(yùn)行。
1.電機(jī)操作
在圖2-8中，N和S是定子主極DC勵(lì)磁產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)。當(dāng)DC電壓U加在電刷A和B之間時(shí)，如果電刷A接電源的“+”極，電刷B接電源的“-”極，則外部電流I將通過(guò)電刷A及其接觸換向器進(jìn)入繞組元件abcd。如果元件中的電流為ia，ia的方向?qū)⑹菑腁刷到A刷，與ia磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力F，其方向根據(jù)左手定則確定，如圖2-8(b)所示。
作用在電樞圓周切線方向的電磁力f會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩TEM，方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?。?dāng)電磁轉(zhuǎn)矩TEM大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2和空載轉(zhuǎn)矩T之和時(shí)，在電磁轉(zhuǎn)矩TEM的作用下，電樞以速度N逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同時(shí)旋轉(zhuǎn)的電樞繞組切割出一個(gè)恒定的磁場(chǎng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，根據(jù)右手定則確定方向，正好與ia相反。
圖2-8 DC電機(jī)的工作模式
轉(zhuǎn)動(dòng)180位置后，電刷A仍通過(guò)換向器與N極下的元件邊緣相連，因此ia的方向在空間上不變。
即從刷a d c b 刷a b，電磁轉(zhuǎn)矩TEM還是逆時(shí)針?lè)较?，所以n不變。但是，ia相對(duì)于abcd改變了方向。因此，當(dāng)DC馬達(dá)作為馬達(dá)運(yùn)行時(shí)。
它具有以下特點(diǎn)：
(1)電刷之間的外加電壓U和外部電流I為DC。通過(guò)換向器和電刷的作用，每個(gè)電樞線圈中流過(guò)的電流ia變成交流電，同時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E為交流電。
(2)元件中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與電流ia方向相反，故E稱為反電動(dòng)勢(shì)。
(3)固定電刷(如電刷A)只在某一極性(N極)下與導(dǎo)體連接。因?yàn)閷?dǎo)體在一定極性下的電動(dòng)勢(shì)和電流的方向是恒定的，電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間上也是固定的。
(4)電磁轉(zhuǎn)矩TEM起驅(qū)動(dòng)作用，即N與TEM同向，所以只要電機(jī)的外接電源持續(xù)供給，電機(jī)就會(huì)有持續(xù)的電磁轉(zhuǎn)矩TEM來(lái)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械或設(shè)備。但是，只有一個(gè)部件的電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的。所以在實(shí)際電機(jī)中，圓周面上均勻分布著許多凹槽，有相當(dāng)多的元件嵌在凹槽中，這樣得到的電磁轉(zhuǎn)矩TEM基本不變。
2.發(fā)電機(jī)運(yùn)行
發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)DC電機(jī)的工作模式如圖2-9所示。圖中DC負(fù)載外接在電刷A和B之間，電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在圖中所示的時(shí)刻，元件側(cè)ab的感應(yīng)電勢(shì)方向是從B到A，元件側(cè)cd的感應(yīng)電勢(shì)方向是從D到C，
元件中電流ia的方向?yàn)锽刷 D C B A A刷，元件的邊緣ab和cd產(chǎn)生電磁力F，電磁力F作用在電樞圓周的切線方向上會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩TEM，該轉(zhuǎn)矩為順時(shí)針?lè)较颍c電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反。轉(zhuǎn)動(dòng)180后，方向
(1)每個(gè)電樞線圈中流過(guò)的電流ia為AC，同時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e為AC。
(2)電刷之間存在DC電勢(shì)，而元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和電流ia方向相同。
(3)電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間上也是固定的。
(4)n與電磁轉(zhuǎn)矩TEM相反，起制動(dòng)作用。
3、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式
勵(lì)磁方式是指在勵(lì)磁繞組中獲得勵(lì)磁電流的方式。分勵(lì)、并聯(lián)勵(lì)、串聯(lián)勵(lì)和復(fù)合勵(lì)，復(fù)合勵(lì)又分為積復(fù)合勵(lì)和差復(fù)合勵(lì)。當(dāng)DC電機(jī)采用不同的勵(lì)磁方式時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行性能差別很大。以電機(jī)為例。
1.他激動(dòng)了
勵(lì)磁繞組和電樞繞組在電路中互不相連，兩個(gè)獨(dú)立的DC電源UF和U分別向勵(lì)磁繞組和電樞繞組供電，如圖2-10(a)所示。永磁體制成的主磁極也可以看作是一種他勵(lì)。
由于勵(lì)磁電流IF的大小與電樞端電壓U和電樞電流IA無(wú)關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁繞組的匝數(shù)大，截面積小，所以IF比IA小很多。
2.并激
勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，由同一個(gè)DC電源U供電，如圖2-10(b)所示。由于勵(lì)磁回路自成一體，一般與其他勵(lì)磁相同，勵(lì)磁電流較小，勵(lì)磁繞組匝數(shù)較多。對(duì)于并聯(lián)DC電機(jī)，電源提供的線電流I=Iaif。
3.串聯(lián)激勵(lì)
勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖2-10(c)所示。因此，當(dāng)DC電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電源提供的線電流I、電樞電流Ia和勵(lì)磁電流IF相等，即I=Ia=If。由于電樞電流大，串聯(lián)繞組的截面積大，匝數(shù)少。
4.復(fù)合激勵(lì)
同時(shí)具有并聯(lián)繞組和串聯(lián)繞組的稱為復(fù)合勵(lì)磁，如圖2-10(d)所示。并聯(lián)繞組和電樞繞組并聯(lián)后與串聯(lián)繞組串聯(lián)，稱為短復(fù)勵(lì)，如圖2-10(d)中虛線所示；串聯(lián)繞組和電樞繞組串聯(lián)后與并聯(lián)繞組并聯(lián)，對(duì)應(yīng)圖2-10(d)中的虛線，稱為長(zhǎng)復(fù)勵(lì)。復(fù)勵(lì)短路時(shí)，流過(guò)串聯(lián)繞組的電流為=I；帶長(zhǎng)復(fù)合勵(lì)磁，IS=Ia。但無(wú)論是短復(fù)合激勵(lì)還是長(zhǎng)復(fù)合激勵(lì)，I=Ia If。
圖2-10 DC電機(jī)的勵(lì)磁方式
根據(jù)產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相互疊加的結(jié)果，復(fù)合勵(lì)磁分為積復(fù)合勵(lì)磁和差復(fù)合勵(lì)磁。例如，Nf匝并聯(lián)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為FF=IFNF，ns匝串聯(lián)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為FS=ISNS。復(fù)合勵(lì)磁時(shí)，fs和ff方向相同，總勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)f=ff fs；
復(fù)合勵(lì)磁時(shí)，fs與ff方向相反，總勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì) f=ff-fs。兩種復(fù)合勵(lì)磁DC電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性有很大不同。DC電機(jī)不采用差動(dòng)復(fù)合勵(lì)磁，而是采用差動(dòng)復(fù)合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)作為DC焊機(jī)。
4、直流電機(jī)的額定值
額定值是電機(jī)制造商根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)定的工作條件(即額定工作條件)下規(guī)定的一些數(shù)值。主要額定值通常標(biāo)在電機(jī)的銘牌上。
DC汽車公司的主要評(píng)級(jí)是：
(1)額定功率PN是指DC電機(jī)的輸出功率，單位為w或kw。
(2)額定電壓UN是指額定狀態(tài)下電機(jī)出口端的電壓，單位為v。
(3)額定電流IN是指額定狀態(tài)下電機(jī)出口處的電流，單位為a。
(4)額定轉(zhuǎn)速nN是指DC電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的速度，單位為轉(zhuǎn)/分。
此外，DC電機(jī)的銘牌上還標(biāo)有電機(jī)型號(hào)、絕緣等級(jí)、額定勵(lì)磁電壓UFN、額定勵(lì)磁電流IFN等描述電機(jī)特性的內(nèi)容。額定效率N、額定轉(zhuǎn)矩TN、額定溫升N等。通常是沒(méi)有標(biāo)記的。
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