直流电动机的基本原理：

一、直流电动机的基本原理：

下面电机原理部分的内容主要摘自谢明琛教授编著的《电机学》：

图示为一个最简单的直流电机模型，定子上有固定的永久磁铁做磁极，转子为圆柱型的铁芯，上面嵌有线圈（图中导体ab和cd连成一个线圈），线圈的首末端分别连接在两片彼此绝缘的圆弧型换向片上，换向片固定在转轴上，换向片构成的整体称为换向器，整个转动部分成为电枢，为了把电枢和外电路接通，在换向片上放置了两件空间位置固定的电刷A和B，当电枢转动时，电刷A只能与转到上面的换向片接触，电刷B只能与转到下面的换向片接触。

当这个原理样机作为直流发电机运行时，用原动机拖动电枢，使之以恒速n沿逆时针方向旋转，若导体的有效长度为l ,线速度为v,导体所在位置的磁通密度为

，则在每根导体中感应出电势为

=

v l

e..

B

δ

导体感应电势的方向用右手定则确定，在图示的瞬间，ab导体处在N极下，其电动势的方向由b—a，而导体cd处·在S极下，其电动势方向由d—c,整个线圈的电动势为2e，方向由d—a,如果线圈转过180度，则ab导体和cd导体的电动势方向均发生改变，故线圈电动势为交变电动势。

但通过测量，我们却发现在电刷A/B间的电动势却是单向的，这是为什么呢？这是因为电刷A只与N极下的导体接触，当ab导体在N极下时，电动势方向为b—a—A，电刷A的极性为+，在另一个时刻，导体cd转到N极下时，电动势的方向为c—d—A,电刷A的极性仍为+，可见电刷A的极性永远为+，同理，电刷B的极性就永远为-，故电刷A/B间的电动势为直流电动势。

若把上述电机模型用做电动机运行，在电刷A/B间施加直流电压，使电流从正极电刷A流入，通过线圈abcd，经负极电刷B流出，由于电流始终从N极下的导体流入，S极下的导体流出，根据电磁力定律可知，上下两根导体受到的电磁力方向始终为逆时针方向，它们产生的电磁力矩的方向也始终是逆时针方向，使电机按逆时针方向旋转，从上面的分析可以看出，在直流电机的绕组里，电枢线圈里的电流方向是交变的，但产生的电磁转距的方向却是单向的，这也是由于有换向器的原因。

以上是直流电机运行的基本原理，而对直流电机的基本结构，相信大家已经非常熟悉，我就不再浪费大家的时间，下面，就首先从电动机的额定参数的定义开始给大家开始介绍电机的运行方程及特点。

二、直流电动机的额定参数

我们在公司制造的各种电机上，都可以看到额定电压，额定功率等参数，他们的具体含义如下：

额定电压：对电动机来说，是指在标准的供电的系统中，施加在电动机接线端上的直流电压，具体到我们公司的产品，基本上是使用在汽车上，目前汽车行业采用的供电体系主要有12V和24V两种，所以，我们的电机额定电压也都是12V或24V，这里要引起注意的是，额定电压并不是对该产品进行评价时的测试电压，随着使用环境的不同，我们对产品的测试电压的规定是变化的，比方在进行基本性能测试时，采用的是12V，但进行耐久试验时，为了减少测试时间，往往采用13.5V的测试电压。对起动机来说，这就更加明显，额定电压12V的起动电机，在使用过程中，是有蓄电池供电的，考虑到电池的内阻和容量限值，额定负载点的测试电压往往只有8-9V。

额定电流：在电机接线端施加额定电压，输出轴上施加额定力矩时，通过电枢绕组的电流。

额定转速：电机在额定电压和额定电流下，输出的转速。

额定功率：电机在额定电压、额定电流下，轴端输出的功率。对发电机来说，是指电机的出线端子输出的额定功率。

三、电动机的输出特性和电机拖动系统稳定运行条件：

电动机的运行是将电能转换为机械能，表征它的输出机械功率的参数主要是转速和转距，因此直流电机的工作特性是指输入电压、励磁电压（对我们公司生产的永磁直流电机来说，励磁电压始终为恒定

值，这里可以不考虑）等于常数，电枢回路无附加电阻的情况下，电机的转速，转距，效率等和输出功率间的特性曲线，即

)(,,2P f M n em =η

在实际工作中，因电枢电流Ia 容易测量，往往把上式写为

)(,,a em I f M n =η

下图是个风扇电机输出特性的例子：

从图中，我们可以清晰的看到，电机的测试条件是输入电压为12V 时，以电机的输出力矩为横坐标，得到的电流、转速、效率、输出功率等的曲线，如果我们从用户规定的负载力矩点顺纵坐标方向画一根直线，这根直线与各条曲线的交点坐标就是该电机在额定负载时的各项指标性能，我们评价这台电机的好坏也基本可以从这几点的数据来判断，例如上图中，该电机ZD1685风扇电机的规定负载是0.28N.m ，我们从图中找出对应的效率为

61.9％，输出功率为61.95W ，转速2113 r/min ，效率和输出功率均处在对应的曲线的最大点附近，输出转速也符合技术条件的要求，我们可以认为该电机的设计参数是合理的，能够满足用户的要求，反之，如果我们发现在预期的工作点上，电机的效率和输出功率均处在一个较低（相对于该曲线的最大值），我们就需要调整电机的设计参数了。

现在我们已经了解了电机的输出特性曲线，其中最关键的是要知道我们的电机到底工作在曲线上的那一点，很多时候用户是不给你这个具体数据的，比方风扇电机，用户只给你风扇总成的要求，如输出流量，压力等，这时候我们怎么处理呢？

现在，我们需要考虑负载和电机组成的系统的机械特性，我们在同一个坐标系里，通过测试，得到驱动规定负载时，转速和力矩对应的曲线，然后从图上找出它与电机的转速－力矩曲线的交点，这个交点对应的坐标就是电机的工作点。如下图所示：

-200

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

N

T

关于如何来作出负载的特性曲线，我们以后结合具体的电机测试再详

细分析。从图中，我们再进一步思考一下，由电机和扇叶负载构成的系统是否能稳定运行呢？也就是说，如果由于某种外加的干扰，使扇叶的转速发生变化后，整个系统是否仍能回到原来的工作点继续稳定运行？

我们在下图中绘出电机的机械特性曲线)(em M f n =和负载的机械特性曲线)(o M f n =

图中A 点表示这个拖动系统已经达到平衡状态，即em M ＝o M ，假设出现某种扰动使系统的转速突然升高，变为n n ?+，然后扰动消失，这时候，从电机的机械特性曲线上，可以看到，电机的输出转距相应变为e 点的转距em M ，而此时的负载转距相应变为d 点的转距，显然，此时的d 点的转距大于e 点的转距，整个系统减速运行，直到两个转距平衡的A 点，反之，如果干扰使系统减速，然后扰动消失，我们同样可以分析出，系统将升速运行直到A 点重新平衡，这样，我们就得到了电机拖动系统的稳定运行的条件：

dn dM dn dM o em ?

如图b 中所示的情况，因电机具有向上的机械特性，dn dM dn dM o em

我们假设依然出现某种扰动，使系统的转速升高，然后扰动消失，按与上面同样的方法进行分析，我们可以看到，系统将无法回到A 点稳定运行，而是转速继续升高，甚至有可能造成整个系统损坏。

这种情况在我们生产的电机里，在某些特殊情况下是很可能发生的，比方电机的工作点设计不当，电机运行时使磁钢产生了不可逆的退磁现象，在外加的扰动情况下，随着电机电流的增大，去磁效应进一步加大，励磁磁势继续降低，这时候电机的机械特性就呈现图b 所示的情况，电机将有可能加速运行，严重的极端情况下，完全有可能造成电机整体破坏。

四、电机的绕组

这部分内容主要摘自王毓东教授编写的《电机学》，并参考了部分东南大学王鄂教授编写的《电机学》。

我们知道，电机的绕组是进行机电能量转换的关键元件，从原理上对其构成和功能进行了解是十分必要的，下面，我们就针对目前最常用的两种绕组结构进行讨论，首先，介绍几个基本概念。

元件：指分别与换向片两端连接的单匝或多匝线圈。如下图示：

元件边：元件放在转子槽内，切割磁力线感应电动势的部分。

虚槽：为了改善电机的性能，通常电机的绕组需要用较多的元件构成，但因为工艺限值，转子上不能开足够的槽，因此，会出现一个槽内放置几个元件边的情况，这时，我们把一个槽内同一个上下元件边所占的上下层位置称为一个虚槽，如下图所示：

设每个实槽包含u 个虚槽，电机的实槽数为Z ，虚槽数Zi 元件数S 之间的关系如下：

Zi ＝S Z =μ

由于每个换向片都要连接到属于不同元件的元件边上，所以，元件数始终等于换向片数。

绕组在槽内的分布型式如下图所示，在图a 中，三个元件的上下元件边都处在一个槽内，这种元件称为同槽式元件，图b 、c 表示的是上下元件边不在同一个槽内的情况，这种元件称为异槽式元件。

显然，异槽式元件加工复杂，但它在改善电机换向方面，有特殊的作用， 有时还是会被采用，而我们通常使用的元件基本是同槽式的。

τ：电机每个极下对应的虚槽数

极距

τ＝Zi/2P P为电机的极对数

对我们的研究对象，公司目前生产的各种电机，转子上的每个实槽内都只有一个虚槽，因此Zi＝Z，下面的论述中，我们都不再考虑虚槽的影响。

绕组的节距：

第一节距1y：每一元件的元件边在电枢上所跨过的槽数。如下图：

为了使元件中感应的电势最大，各种绕组的1y都应等于或接近极距，显然，1y肯定为一个整数，而极距τ＝Zi/2P却不一定是整数，因此，第一节距的表达式应为：

y＝Zi/2Pε＝整数ε为小于1的真分数

1

ε＝0时，元件称为整距元件

当

ε＜0时，元件称为短距元件

ε＞0时，元件称为长距元件

第二节距2y ：同一换向片所串连的两个元件中，前一元件的下元件边与后

一元件的上元件边在电枢表面相隔的虚槽数。 合成节距

y ：同一换向片所串连的两个元件中，对应的元件边在电枢表面相隔的虚槽数。

y ＝1y +2y 换向器节距

k y :每一元件所连接的两个换向片之间在换向器表面所跨的换向片数， k y ＝y

单叠绕组

单叠绕组的特点是：k y ＝y ＝1 ，具体来说，就是这种绕组任何相邻的两个元件都是后一元件紧叠在前一元件上，每嵌完一个元件就在电枢表面移动一个槽，直到最后一个元件与第一个元件首尾相连而构成一个闭合的绕组。这种绕组使用在基本上所有的风扇、雨刮电机上，下面，就结合一个4极电机有16个槽的整距转子绕组来进行简单说明。

该电机的转子Zi ＝S=K=16,2P=4,有四个电刷，按图示方向连接，在不考虑电枢反映的情况下，正负极电刷间通12V 电压，在图示的瞬间，我们把电

枢绕组剖开，画成图示的展开图，绕组内的电流方向如图所示。

注意：图中的电刷我们应该把它看成电源的输入端，正极为电流输入，负极为电流输出。简单的说，与正极电刷接触的换向片所连接的元件边里电流的方向一定是向上，与负极电刷接触的换向片所连接的元件边里的电流的方向一定是向下。

图中，每个槽内都有两个元件边，实线部分表示上层边，虚线部分表示下层边，每个线圈我们都只用上层边的槽号来代表，如1号线圈就指的是上层边在1号槽内的线圈，显然，1号槽内虚线边代表的线圈是13号线圈。

四个磁极和电刷的相对位置是相对固定的，但绕组却是在不停的移动，我们现在分析图示瞬间电枢绕组内的电流分布情况，可以看到，在每个磁极下，三个槽内的电流方向都是一致的，磁极间的四个槽1、5、9、13内，上下元件边的电流方向相反，槽内的合成电流为0，其余各槽内的元件边受力方

其余线圈都是每个极下的线圈串连后，再如图所示并联起来，电机的电枢电流等于四个支路的电流和。

显然，对单叠绕组，电枢绕组的并联支路数就等于主极的极数，电枢电流为各支路电流之和。故有时候我们也把叠绕组称为并联绕组。

在这里，大家也许会提出疑问，图中电刷的摆放是否有规律呢？换句话说，我们应该按什么原则来布置电刷？

对电动机来说，通过正负极电刷引入的电势的元件，应该使其在主极下被串连起来的线圈所产生的电磁力矩最大，这就是布置电刷的最基本的原则，当然，为了改善电机的换向性能，有时候，我们会采取移动电刷的方式，这个问题在以后的章节我们单独讨论。

我们把上面的电枢绕组展开图中，相邻主极间的中心线我们称为电枢的几何中心线，从图中，我们可以发现，在几何中心线下的元件边的合成电流为0，同时，只有在相邻的两个几何中心线下的元件边上布置电刷，才能够使

电刷短路的线圈是那几个（如图中红线表示），然后再画出等效电路图，如下：

可见，这时候，线圈4、8、12、16被电刷短路后，再分别与三组线圈串连后并联起来，以N极下线圈举例，可以看到，这时，在主极下的三个线圈中，4号被电刷短路了，为电枢提供电磁力矩的线圈数量只有2个了，另个没有被短路的线圈1因为没有在主极下面，虽然有电流通过，但却无法产生电磁力矩，所以，这就相当于电机的匝数被减少的情况，电机性能将发生变化。

因此，我们可以知道，电刷应该放置在连接在元件边在几何中心线上的元件的换向片上，对整距绕组来说，这时元件的中心线与主极的轴线重合，对短距或长距绕组，也有同样的情况，而该元件连接的两个换向片的中心线此时应该与主极轴线重合，因此，上面的表述我们可以换种说法，对于端接线对称的绕组电刷应该放置在主极的轴线下。短距绕组或长距绕组，情况也是一样的，但如果端接线不对称，该怎么放置呢？（自己思考？）

单波绕组：

相对于单波绕组，在电机的槽数和元件数一定时，为了取得更大的电动

速便会降低，因此，只需和叠绕组比较少一半的匝数便会产生相同的输出力矩，但这样对电机的设计和使用有什么实际意义呢？我们换个角度来考虑这

个问题，对我们设计的微型电动机来说，在同样的设计功率下，电机的额定电流都是近似的，如果采用单叠绕组，因并联支路数多，在上述例子的情况下，电枢绕组内的电流是电机输入电流的1/4，但如果选用单波绕组，电枢绕组内的电流就会增大一倍，这样，就必须选择更粗的导线，增大了绕组的制造难度。但在制造需要大力矩输出的电机，如起动电机的时候，我们希望能用较少的匝数产生较大的输出力矩，采用单波绕组就比单叠绕组更有优势，具体的分析我们将在以后的电机特性方程分析中讨论。这样的串连方式我们把它称为单波绕组，下图是它的基本连接方式（4极、槽数19），：

其特点是，绕组的第一节距要近似于极距，合成节距要近似于2τ，但不能等于它，设某个元件从某个换向片出发，串连了P 个元件而沿电枢表面走了一周后，应该回到与出发点的换向片相邻的一个换向片上，亦即应使

P k y ＝1±K

然后按此规律绕制，直到绕组回到第一个换向片，从而构成一个完整的绕组。

电刷的布置

我们可以按照分析单叠绕组的方法来分析在采用单波绕组时的电刷布置方法，显然，对端接对称的绕组，电刷也应放置在主极的几何中心线下，由于绕组仅有一对并联支路，理论上对多极电机来说，只需要一对电刷便可以满足需要，但出于减少电刷的电流密度，改善换向等原因，我们通常仍选用与极数相同的电刷数量，称为全额电刷配置。

思考：一个四极电机，采用单叠绕组，如果一对相邻的电刷被去掉，对电机的性能有什么影响？（提示：可以采用例子中的方法，画出每个极下槽内的电流方向，观察参加提供电磁力矩的元件数量的变化，或通过等效电路分析）绕组的质量标准：

在了解了电机的这两种绕组结构后，我们需要进一步了解制造方法及制造绕组的零件和成品的质量判定方法，在评价一个产品好坏之前，我们首先要了解这种产品的使用范围及用户对它的期望，然后才可以制定一个可以接受的标准，并通过试验验证来确定各个零件及成品的要求。

我们把问题具体到风扇电机的转子线圈来讨论，它一般采用单叠绕组，它放置在汽车发动机仓的水箱前面，这种电机一般没有采用全密封结构，因此，会接触到发动机仓内的酸性气体和汽油蒸汽，还会接触到洗车时飞溅的水等液体，环境温度为-40度80度，用户的期望有效寿命为2000小时以上，同时，转子为旋转部件，用户期望其振动量应该在2g.cm以下，针对上述要求，我们就可以初步总结出对转子线圈的要求：

1、耐温性能：通过测试，我们了解到风扇电机转子内部的温升一般

为80度左右，加上环境温度，转子必须能长期在180的环境温

度下工作，因此，应该选择耐温等级在180度的漆包线。

2、要保证达到用户对耐久性的期望，对转子来说，就应充分考虑线

圈上的针孔造成的局部短路现象对转子可靠性的影响，再结合绕

线机绕制转子时，为了保证绕制后线圈的形状必须施加的拉力，

就要对漆包线的延展性进行分析，防止绕线后漆包线出现破损。

3、大家在相关的转子产品图上，一般可以看到，对转子要进行施加

电压为500V的正弦交流电，历时1分钟的试验，我们生产的电

机不是12V或24V的么？为什么要施加这么高的电压来进行试验

呢？同样的要求也出现在相关的国家标准和行业标准里，其实，

如果我们回过头来看看转子的负载性质就能直到答案，电机的转

子是个感性负载，在外加电源突然通断的情况下，由于电流无法

突变，会在绕组和地间产生一个瞬时的高压，如果电机绕组的绝

缘出现局部不良，但在12V下能够正常工作，那么，在由于外加

电源通断所产生的瞬时高压反复作用下，绕组的绝缘结构很快就

会被破坏，使电机在运行中出现短路等不良。

下面要讨论电机转子里的另一个主要部件：铁芯，首先，分析它的主要功能,有以下几点：

1、电机磁路的重要组成部分

2、支撑转子线圈，并保持和线圈的良好绝缘

3、传递绕组受到的电磁力矩。

作为电机磁路的组成部分，我们希望它的磁阻尽可能小，同时，希望由磁场交变产生的涡流损失也要尽可能小，从理论上说，我们需要选择

磁导率高，电阻率也较高的的硅钢片，但这种材料价格较普通冷扎钢板贵很多，从降低成本的方面考虑，我们一般还是选用普通的冷扎钢板来做铁芯的材料，通过分析，我们知道，电机用的铜线和铁芯是构成电机成本的两个重要因素，在保证产品性能的前提下，我们应该尽可能减少铁和铜的使用量。

铁芯是将绕组受到的电磁力传递给输出轴的零件，这是铁芯和轴之间通过筋或者直纹产生的过盈配合来实现的，因此，有必要通过试验来确认合适的过盈量，太小，力矩传递不可靠，太大，在压轴时，铁芯的变形量将变大，影响转子的平衡。

为了防止铁芯冲压时产生的毛刺对绝缘涂覆层的影响，我们要规定铁芯片冲压时的毛刺大小和方向，同时，要选择能稳定工作在预计温度下的绝缘涂覆材料或槽绝缘零件，尤其要关注在槽和端面折弯处的圆角处理，这里，是槽绝缘最容易出现问题的地方。

五、直流电动机的磁场与磁路

下图是一台永磁直流电动机在运行中的磁场分布图