一、实验目的

（1）理解直流电动机的工作原理。

（2）了解直流电动机的结构及分类。

二、实验仪器

实验仪器如表9-1所示。

表9-1　实验仪器

三、知识学习及操作步骤

通过学习，了解直流电动机，掌握直流电动机工作原理与特点。

1.直流电动机的工作原理

图9.1所示是一台最简单的直流电动机的模型。图中N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁芯。铁芯表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个弧形铜片E和F上，铜片称为换向片，它们的组合体称为换向器。换向器固定在转轴上且与转轴绝缘。在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷A和B。线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。

直流电动机工作时接于直流电源上，如A刷接电源负极，B刷接电源正极，则电流从B刷流入，流经线圈abcd，由A刷流出。图9.1所示的直流电动机，在S极下的导体ab中的电流是由a到b；在N极下的导体cd中的电流的方向是由c到d。由电磁力定律可知，载流导体所受的磁场力，其方向可由左手定则判定。导体ab受力的方向向上，导体cd受力的方向向下。两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩为顺时针方向，电磁转矩使电枢按顺时针方向旋转。

当线圈转过180°，换向片E转至与A刷接触时，换向片F转至与B刷接触。电流由正极经换向片F流入，导体cd中电流由d流向c，导体ab中电流由b流向a，由换向片E经A流回负极。用左手定则判定，电磁转矩仍为顺时针方向，这样电动机就沿一个方向连续地旋转下去。

图9.1　直流电动机的工作原理图

由此可知，给励磁绕组通入直流电产生恒定的磁场，给电枢绕组加上直流电，根据左手定则电枢中会产生电磁力，从而产生转矩开始转动。由于电枢绕组通过换向器和电刷相连，电枢绕组在转动的过程中能保证电枢绕组中流过的电流方向是交变的，而每一极性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，使电枢始终向一个方向旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。

一台直流电动机在原则上既可作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是外界条件不同而已。在直流电动机的电刷上加直流电源，将电能转换成机械能，是作为电动机运行；若用原动机拖动直流电动机的电枢旋转，将机械能变换成电能，从电刷引出直流电动势，则作为发电机运行。同一台电动机，既可作为电动机运行又可作为发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。但在实际应用中，一般只作一个方面使用。

2.直流电动机的结构

从直流电动机的基本工作原理可知，直流电动机的磁极和电枢之间必须有相对运动，因此，任何电动机都由固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，这两部分之间的间隙称为气隙。直流电动机的结构如图9.2、图9.3和图9.4所示。图9.3是直流电动机的轴向剖面图，图9.4是直流电动机的径向剖面图。

下面分别介绍直流电动机各部分的构成。

直流电动机的结构由定子和转子两大部分组成。

直流电动机运行时静止不动的部分称为定子，其主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

图9.2　直流电动机的结构拆解图

直流电动机运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩或感应电动势，是直流电动机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

图9.3　直流电动机的轴向剖面图

图9.4　直流电动机的正剖面图

1）定子

定子的作用是产生磁场和作为电动机的机械支撑，它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等，如图9.5所示。

图9.5　直流电动机的定子

（1）机座。机座一般由铸钢或厚钢板焊接而成。它用来固定主磁极、换向极及端盖，借助底脚将电动机固定在机座上。机座还是磁路的一部分，用以通过磁通的部分称为磁轭。

（2）主磁极。主磁极的作用是产生主磁通。除个别小型直流电动机采用永久磁铁外，一般直流机的主磁极由主磁极铁芯和励磁绕组组成。主磁极铁芯一般由1～1.5 mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。为了改善气隙磁通量的密度，主磁极靠近电枢表面的极靴较极身宽，磁绕组由绝缘铜线绕制而成。直流电动机中的主磁极总是成对存在的，相邻主磁极的极性按N极和S极交替排列。改变励磁电流的方向，就可改变主磁极的极性，也就改变了磁场方向。

（3）换向极。在两个相邻的主磁极之间的中性面内有一个小磁极，这就是换向极。它的构造与主磁极相似，由铁芯和绕组构成。中小容量直流电动机的换向极铁芯是用整块钢制成的，大容量直流电动机和换向要求高的电动机的换向极铁芯用薄钢片叠成。因通过的电流大、导线截面较大、匝数较少，换向极绕组要与电枢绕组串联。换向极的作用是产生附加磁场，改善电动机的换向，减少电刷与换向器之间的火花。

（4）电刷装置。电刷装置由电刷、刷握、压紧弹簧和刷杆座等组成，如图9.6所示。电刷是用碳、石墨等制成的导电块，电刷装在刷握的刷盒内，用压紧弹簧把它压紧在换向器表面。压紧弹簧的压力可以调整，保证电刷与换向器表面有良好的滑动接触。刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷杆座上，彼此之间都绝缘。刷杆座装在端盖或轴承盖上，位置可以移动，用以调整电刷位置。电刷数一般等于主磁极数，各同极性的电刷经软线汇在一起，再引接到接线盒的接线板上。电刷的作用是使外电路与电刷绕组接通。

图9.6　电刷装置结构

2）转子

转子又称电枢，是用来产生感应电动势，实现能量转换的关键部分。它包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等，结构如图9.7所示。

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图9.7　直流电动机的电枢

（1）电枢铁芯。电枢铁芯一般用0.5mm厚的涂有绝缘层的硅钢片冲叠而成，这样铁芯在主磁场中运动时可以减少磁滞和涡流损耗。铁芯表面有均匀分布的齿和槽，槽中嵌放电枢绕组。电枢铁芯也是磁的通路，固定在转子支架或转轴上。

（2）电枢绕组。电枢绕组是用绝缘铜线绕制而成的线圈（也称元件），按一定规律嵌放到电枢铁芯槽中，并与换向器作相应的连接。电枢绕组是电动机的核心部件，电动机工作时，在其中产生感应电动势和电磁转矩，实现能量的转换。

（3）换向器。它是由许多带有燕尾的楔形铜片组成的一个圆筒，铜片之间放置云母片绝缘，用套筒、V形环和螺母紧固成一个整体。电枢绕组中不同线圈上的两个端头接在一个换向片上。金属套筒式换向器如图9.8所示。换向器的作用是与电刷一起转换电枢电流方向，使每一个磁极下导体电流的方向一致。

图9.8　金属套筒式换向器剖面图

3.直流电动机的分类

根据上述结构特点，以直流电动机为例，按励磁绕组在电路中的连接方式可分为（即励磁方式）他励、并励、串励和复励四种。直流电动机按励磁分类的接线图如图9.9所示。

图9.9　直流电动机按励磁分类的接线图

（1）他励电动机：励磁绕组和电枢绕组分别由不同的直流电源供电，如图9.9（a）所示。

（2）并励电动机：励磁绕组和电枢绕组并联，由同一直流电源供电，如图9.9（b）所示。由图可知，并励电动机从电源输入的电流I等于电枢电流Ia与励磁电流If之和，即I=Ia+If。

（3）串励电动机：励磁绕组和电枢绕组串联后接于直流电源，如图9.9（c）所示。由图可知，串励电动机从电源输入的电流与电枢电流和励磁电流是同一电流，即I=Ia=If。

（4）复励电动机：有并励和串励两个绕组，它们分别与电枢绕组并联和串联，如图9.9（d）所示。

直流电动机励磁方式的不同，使得它们的特性有很大差异，因而能满足不同生产机械的要求。

直流发电机的分类与此类同，只是在示意图中要注意各项参数的方向，可自行分析。

4.直流电动机的名牌数据

凡表征电动机额定运行情况的各种数据称为额定值。额定值一般都标注在电动机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它是正确合理使用电动机的依据。

直流电动机的额定数据主要有：

额定电压UN（V）：在额定情况下，电刷两端输出（发电机）或输入（电动机）的电压。

额定电流IN（A）：在额定情况下，允许电机长期流出或流入的电流。

额定功率（额定容量）PN（kW）：电动机在额定情况下，允许输出的功率。对于发电机，是指向负载输出的电功率，即

对于电动机，是指电动机轴上输出的机械功率，即

额定转速ηN（r/min）：在额定功率、额定电压、额定电流时电动机的转速。

额定效率ηN：输出功率与输入功率之比，称为电机的额定效率，即

电动机在实际运行时，由于负载的变化，往往不总是在额定状态下运行的。电动机在接近额定的状态下运行，才是经济的。

四、实验内容及要求

（1）在实验前预习要用到的内容，在实验时能够更好地理解。

（2）在观察实验器材时，注意轻拿轻放，防止仪器损坏。

（3）注意区分变压器各组成部分，认清它们的用途。

（4）在学习变压器的工作原理时，要结合图、公式、理论一起理解才能更透彻。

（5）在计算前，先理清计算思路，再进行计算。

五、思考题

生活中有哪些地方运用到了直流电动机？举例说明。

六、实验报告要求

（1）根据要求画出原理接线图。

（2）标明实验电路所用的器件型号。

（3）记录实验中发现的问题、错误、故障及解决方法。