直流发电机

结构

　　直流电机的结构可分为静止和转动两部分，静止部分称为定子，旋转部分称为转子（也称电枢）。图1 与图2分别为直流电机的纵剖面示意图和横剖面示意图。

　　直流电机纵剖面示意图

　　直流电机横剖面示意图

　　直流电机定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等；转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇和转轴等。

部件功能

　　1、主磁极

　　主磁极用来产生气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度按一定波形沿空间分布。主磁极包括主磁极铁芯和励磁绕组。主磁极铁芯由１mm～1.5mm 厚的低碳钢薄板冲片叠压而成。励磁绕组用圆形或矩形纯铜绝缘电磁线制成。各磁极的励磁绕组串联连接成一路，以保证各主极励磁绕组的电流相等。

　　大的直流电机在极靴上开槽,  槽内嵌放补偿绕组，与电枢绕组串联，用以抵消极靴范围内的电枢反应磁动势，从而减少气隙磁场的畸变，改善换向，提高电机运行可靠性。

　　2、换向极

　　也称附加极，用于改善直流电机的换向性能。换向极由换向极铁芯和换向极绕组组成。其铁心一般也用１mm～1.5mm厚的低碳钢薄板冲片叠压而成。换向极绕组必须和电枢绕组相串联，由于要通过的电枢电流较大，通常采用较粗的矩形截面导体绕制而成。换向极安装在两相邻主极之间，其数目一般与主极数相等。小功率直流电机可不装换向极。

　　3、机座

　　直流电机的机座用来固定主极、换向极、端盖等，并借助底脚将电机固定在基础上。

　　同时，直流电机的机座是磁极间的磁通路径(称为磁轭)，所以用导磁性好、机械强度较高的铸钢或厚钢板制成，不能采用铸铁。

　　4、电枢铁芯

　　电枢铁心用来通过磁通并嵌放电枢绕组，是主磁路的一部分。由于转子在定子主磁极产生的恒定磁场内旋转，因此电枢铁芯内的磁通是交变的，为减少涡流和磁滞损耗，通常用两面涂绝缘漆的 0.5mm 硅钢片叠压而成。冲片上有均匀分布的嵌放电枢绕组的槽和轴向通风孔。

　　5、电枢绕组

　　电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量转换的关键部件。容量较小的直流电机的电枢绕组用圆形电磁线绕制而成，而大多数直流电机的电枢绕组均用矩形绝缘导线绕制成定形线圈，然后嵌入电枢铁心的槽中，线圈与铁心之间以及上、下层线圈之间都必须妥善绝缘。为了防止电枢旋转时离心力的作用，绕组在槽内部分用绝缘槽楔固定，而伸到槽外的端接部分则用非磁性钢丝扎紧在线圈支架上。

　　6、换向器

　　换向器是直流电机特有的关键部件，将电枢绕组内部的交流电势转换成电刷间的直流电势。换向器的质量好坏将直接影响直流电机的运行可靠性。换向器由许多称为换向片的、彼此互相绝缘的铜片组合而成，有多种结构形式，换12 向器由 V 型套筒、换向片、云母片（换向片间的绝缘）和压紧圈等组成紧密整体。小型换向器用热固性环氧树脂热压成整体。电枢绕组端部嵌放在换向片端部槽内，并焊接在一起。

　　7、电刷装置

　　电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握上的刷盒内，用弹簧将电刷压紧与换向器表面紧密接触，保证电枢转动时电刷与换向器表面有良好的接触。电刷装置与换向器配合将转动的电枢绕组和静止的外电路联通。

　　8、气隙

　　定、转子之间的气隙是主磁路一部分，其大小直接影响运行性能。由于气隙磁场由直流励磁产生，因此直流电机的气隙可比异步电动机大得多，小型直流电机为 1～3 mm，大型直流电机可达 12mm。

工作原理

　　发电机运行时的直流电机工作模型如图所示，图中的电刷Ａ和Ｂ间外接的是直流负载，电机由一原动机拖动以逆时针方向旋转。在图示瞬间，元件边ab的感应电势方向为b端到a端，元件边cd的感应电势方向为d端到c端，元件中的电流ia的方向为B刷→d→c→b→a→Ａ刷，元件边ab、cd产生电磁力f，作用在电枢圆周切线方向的电磁力f将产生电磁转矩Ｔem，方向为顺时针，与电机旋转方向相反。转过 180°的位置后，元件内的电流ia的方向为从Ｂ刷→a→b→c→d→Ａ刷，外电路中的电流I的方向仍不变，产生的电磁转矩Ｔem方向仍为顺时针。

　　直流发电机的工作模型

　　由上面分析可见，直流电机在作发电机运行时，有以下几个特点：

　　（1）在每个电枢线圈内流动的电流ia为交流，同时产生的感应电势e亦为交流。

　　（2）电刷间为直流电势，而元件内的感应电动势e和电流ia的方向相同。

　　（3）由电枢电流所产生的磁场在空间上也是固定不变的。

　　（4）n与电磁转矩Ｔem  反方向，电磁转矩Ｔem  起制动作用。

额定值

　　额定值是电机生产企业按国家标准对电机产品在指定工作条件下（即额定工作条件）所规定的一些量值。主要额定值通常标在电机的铭牌上。直流电动机的主要额定值有：

　　（1）额定功率PN，指直流电动机转轴上输出的机械功率，单位为Ｗ或kＷ。

　　（2）额定电压UN，指额定状态下电机出线端的电压，单位为Ｖ。

　　（3）额定电流IN，指额定状态下电机出线端的电流，单位为Ａ。

　　（4）额定转速nN，指直流电机转轴上的转速，单位为r/min。

　　此外，直流电机铭牌上还标有电机型号，绝缘等级，额定励磁电压ＵfN，额定励磁电流ＩfN 等说明电动机特点的内容。而额定效率ηN、额定转矩ＴN、额定温升θN等通常不标注在铭牌上。直流电机的额定功率对直流电动机而言是指它的轴上的输出机械功率，其表达式为：PN＝UNINηN  ；而对直流发电机则指发电机输出的电功率，其表达式为：PN＝UNIN。