3.2.2 直流电机的工作原理

直流电机是将直流电能转换为机械能的电机，其模型如图3-9所示。在一对静止的磁极N和S之间，装设一个可以绕中心横轴转动的圆柱形铁心（这个转动的部分通常称为电枢），在它上面装有矩形线圈abcd。线圈的末端a和d分别接到称为换向片的两个半圆形铜环上。换向片之间彼此绝缘，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，它们和换向片之间滑动接触，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中。

1.直流电机的工作原理

电机接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极性。电流从正电刷A经线圈ab→cd，到负电刷B流出。根据电磁力定律，在载流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用，电磁力的方向可用左手定则判断。在换向器与静止电刷的相互配合作用下，线圈不论转到何处，电刷A始终与运动到N极下的线圈边相接触，而电刷B始终与运动到S极下的线圈边相接触，这就保证了电流总是由电刷A经N极下的导体流入，再沿S极下的导体经电刷B流出。因而，电磁力和电磁转矩的方向始终保持不变，使电机能沿逆时针方向连续转动。

2.直流电机的励磁方式

通过对直流电机的原理分析可知，直流电机工作时，首先需要建立一个磁场，该磁场由定子结构中的主磁极产生，主磁极可以是永磁体或励磁绕组。由永磁体形成磁场的电机叫永磁直流电机；由励磁绕组形成磁场的直流电机，根据励磁绕组和电枢绕组连接方式的不同，直流电机可分为他励式直流电机、并励式直流电机、串励式直流电机和复励式直流电机，如图3-10所示。

（1）他励式直流电机

他励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组的电源没有连接关系（见图3-10a），而由其他直流电源对励磁绕组供电，因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响，永磁直流电机也可以看作是这一类。

他励式直流电机在运行过程中励磁磁场稳定而且容易控制，易于实现电动汽车的再生制动要求。当采用永磁励磁时，虽然电机效率高，质量和体积小，但由于励磁磁场恒定不变，电机的机械特性不理想，难以满足电动汽车起动和加速时的大转矩要求。

（2）并励式直流电机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联，如图3-10b所示。其特点是励磁电流I_f不仅与励磁回路电阻有关，还受电枢端电压U_a的影响。

（3）串励式直流电机

励磁绕组和电枢绕组串联在同一电源上，如图3-10c所示。励磁绕组通过的电流和电枢绕组的电流大小相等，电机的磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组不产生较大的损耗，励磁绕组的电阻越小越好，所以串励式直流电机通常用较粗的导线绕成匝数较少的绕组。

串励式直流电机在低速运行时，能给电动汽车提供足够大的转矩；在高速运行时，电机电枢绕组中的反电动势增大，与之串联的励磁绕组中的励磁电流减小，电机高速运行时的弱磁调速功能易于实现，因此串励式直流电机驱动系统能较好地满足电动汽车的运行特性需求。但串励式直流电机由低速到高速运行时弱磁调速特性不理想，随着行驶速度的提高，电机输出转矩快速减小，不能满足电动汽车高速行驶时为克服风阻所需要较大输出转矩的要求。

（4）复励式直流电机

复励式直流电机的励磁绕组既有并联绕组，又有串联绕组，串励绕组和并励绕组共同接在主磁极上。如图3-10d所示，并励匝数较多，串励匝数较少，所以具有串励和并励直流电机的特点。若串、并励磁动势方向相同，则为积复励；若串、并励磁动势方向相反，则为差复励。

3.直流电机的铭牌数据

表征电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机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它是合理选用电机的依据。直流电机的额定数据主要有以下几种。

（1）额定电压U_N（V）

在额定情况下，电刷两端输出（发电机）或输入（电动机）的电压称为额定电压U_N。

（2）额定电流I_N（A）

在额定情况下，允许电机长期流出或流入的电流称为额定电流I_N。

（3）额定功率（额定容量）P_N（kW）

电机在额定情况下允许输出的功率称为额定功率P_N。对于发电机，额定功率是指向负载输出的电功率，即P_N=U_NI_N；对于电动机，额定功率是指电机轴上输出的功率，即P_N=U_NI_Nη_N。

（4）额定转速n_N（r/min）

在额定功率、额定电压、额定电流时电机的转速称为额定转速n_N。

（5）额定效率η_N

输出功率与输入功率之比，称为电机的额定效率，即

电机在工作时，由于负载的变化，并不能一直保持在额定状态下运行。电机在接近额定的状态下运行，才是较经济的。