德国人怎么学电机——浅谈电机模型(二)：直流(一)机械构造和基本原理

  一般地，大部分旋转式电机都由三个主要部分所组成，即定子，转子和控制电路。定子固定不动，一般由底座固定在地上，转子接着一根电机轴，通过两端轴承置于定子中央，一般要保证对齐定子和转子的轴线。直流电机和同步电机，定子和转子一般都要接上励磁电路，但是若使用了永磁体就能不用接励磁电路。常见的电机根据通入电流性质可分为直流电机和交流电机而交流电机又因为转子转速和通入交流电产生的旋转磁场转速同步与否，分为同步电机和异步电机。电机又因为其设计需求，工况需求，在不同场合会有各种各样的专门化的应用。

  注2：由于我个人知识储备有限，再加上很多名词有限时间内搜索不到比较准确的翻译，我就斗胆通过你自己的理解自行翻译了，这样的词会在后面标上记号“[?]”，希望知道对应的准确中文名称的读者不吝赐教，评论或者可以联系我，我将持续更新和修订文章内容。

  直流电机(Gleichstrommaschine)是一种常见的电机，其通入电流为恒定直流电，故而得名。直流电机一般作直流电动机(Gleichstrommotor)，因为其只需要直流电，可以用电池直接驱动，再加上结构相对比较简单，体积很小，造价低廉，在许多小型电器中大范围的应用，比如遥控玩具车，航模等等，这样一个时间段往往被叫做马达(motor)。除了传统的有刷电机，现代应用还有发展出来的无刷电机等，本文只讨论传统有刷直流电机，如不做特殊说明，后文所有的直流电机都只涉及有刷直流电机。

  直流电机的定子(Stator)包括电机底座，磁极和外壳等所有直接相连固定在地面不动的部件。直流电机的定子上一般是励磁极，用钢铸成极芯，极芯会缠绕上通入恒流直流电的励磁绕组(Erregerwicklung)。一个极一段突出的U型环面叫做极靴(Polschuh)，它是用来增大磁通面积，减小主磁场以外的漏磁，在极靴和转子之间有一个很窄的缝隙，叫做气隙(Luftspalt)，它一般在0.3mm-10mm左右。定子剩下的部分称为机座轭(Joch)，它可拿来传导励磁磁场，使磁路主要留在电机内部。

  直流电机的转子(Rotor)上一般会缠绕很多线圈并通电，所以往往又叫做电枢(Anker),电枢的线圈绕组即电枢绕组(Ankerwicklung)，电枢中心是用很多涂层过的硅钢片叠在一起，这样就能够尽可能的防止在励磁场中旋转时出现的较大涡流。硅钢片上有很多绕线用的槽(Nuten)，当硅钢片叠成一个完整叠片铁芯，就可以把电枢线圈均匀绕在上面了。所有电机的线圈绕组上的导线一般都是铜线，且做过表面绝缘处理，防止相互短路。

  电枢通过两端的轴承固定在定子底座上，它的一端连接着转轴，用以输出转矩，另一侧则会连着换向器(Kommutator)。它由两部分所组成，电刷以及导电环。定子上的导电刷(比如碳刷)被弹簧压在转子上所有接出线圈导线端的导电环，两部分是完全独立分离的，仅在旋转时相互摩擦接触，用以构成回路，给电枢通电。体积较大，功率也很大的直流电机上会装上风扇，一般也是从定子回路中直接引线出来供电。

  刚开始电枢不通电，定子励磁绕组通励磁电流I_{f}以后就会在电机内部形成一条从励磁极N_{f}到轭，到另一极，再到气隙，到电枢，再通过气隙返回N_{f}的磁路。

  直流电机的基本运行原理能够理解为日常生活中的磁铁的同性相斥，异性相吸。一段线圈绕组通电后自然在铁芯上产生一个磁极，这个磁极和外部磁场作用，就有了吸引力和排斥力，所以除了电枢绕组产生的等效电磁铁还必须要在外部有一个恒定磁场。这个恒定磁场一般都由定子的励磁绕组通电产生磁场来提供。也就是定子励磁产生的电磁铁和转子通电产生的电磁铁相互作用，施加作用力，推动转子不停运动。如果用永磁体，也能够达到同样的励磁效果，所以原理上励磁绕组可以用永磁体等效替代。

  为了更加细致考察直流电机的运作方式，将会从直流电机的数学模型上入手。主要的入手方面有励磁磁场，转矩，感应电压，换向器，极对数，电枢绕组布线方式等。由于篇幅限制，本文只先讨论一些概括性内容，用以对直流电机的机械结构产生更加深刻的印象。

  在上述假设下，磁通只在一个确定的磁路里运行(见图2.5)，磁场线只会从极靴和气隙垂直方向进出。气隙里则是由一个磁通密度恒定，完全的中心辐散场主导。并且在极靴没覆盖到的地方，极缺口(Pollücke)是可以认为无场的。

  先不考虑换向器，应用在第一篇物理基础文中的式(1.4)，计算一条磁场线上的磁动势，此时由于上述假设，有效磁路只包含两段气隙长度。

  图2.6描述在图2.5里从参考线开始增大角度，在整个截面上分布的气隙磁通密度的大小和不同位置角度的关系。b_{p}是极宽(Polbreite)，\tau_{p}是划分一段极的距离(Polteilung)，即极距。在给定了各种假设的理想情况是红色虚线，真实的情况黑色实线，可见除了边缘处，基本符合，可见这个假设是很合理的。

  现在在图2.5中，在转子圆周表面加一根电枢线圈上的一段通电导体，电流的大小为I_{L}，这段被考察的电枢导体和起始线夹角为\alpha，因为导体总在气隙中和磁通密度垂直，那么在这个在电枢半径为r的导体上应当受到安培力F_{L}和转矩M\left(\alpha \right)

  在其他参数恒定情况下，因为转矩现在跟角度位置有关，显然，转矩和角度的关系与磁通密度和角度的关系只是倍数关系，从而可知，在为B_{\delta}\text{}0的地方转矩为正；B_{\delta}\text{=}0的地方(极缺口)，亦为零；B_{\delta}\text{}0的地方，转矩也为负。如此电枢在旋转的时候就会出现周期逆转的转矩，无法持续稳定运动。

  当电枢在电机中是匀速转动的时候，其角速度为\omega，电枢转子最大半径上的线\pi n=\frac{v}{r}

  如图2.11，线圈的导线端都被做成了一束，分在四个端上，黑色的电刷通入电枢电流

  ，从换向片1经由标红导线由另一个换向片流出。标黑的导线表示没有接通电流，但还被串联在一起。这种结构相当于，两电刷刷到换向片才会被通电，其他的换向片都是断路的。而如果一个线圈上使用多匝数而不只是一匝，那么就能够得到更大的转矩和更高的感应电压。

  D为电机定子直径。如果引入p对极，那么转子机械运动一圈，定子上的极对就要变化p

  (f=p\cdot n)会有更大的能量损耗在铁芯上，即所谓的铁损(Eisenverluste)。>

  图2.12 两极直流电机和四极直流电机的截面

  线圈边(Spulenseiten)会均匀在电枢外沿圆周上放入槽中，并且离气隙很近。每个线圈的线圈边会相互相隔差不多一个极距。

  线圈边会在在电枢铁芯外通过绕组头相连，另一端的线圈边会通过弯钩状的端连接钩(Stirnverbinder)连接上换向片(Kommutatorstege)

  转矩生成的力，总作用在槽齿上(Nutzähnen)并且相比在导体上的总是更小，这就是接触面力(Grenzflächenkräfte)

  常用的槽有开槽(offene Nuten)和半闭槽(halbgeschlossene Nuten)。使用开槽，可以让线圈先在电枢外绕起来，然后作为一个整件装入；使用半开槽，线圈必须直接在电枢上绕起来，不过半开槽能带来更高的磁导能力，同时也会强化漏磁。

  棒形绕法[?](Stabwicklung)，每个线圈只来由一个棒构成，这在某种程度上预示着匝数为1

  双层绕组(Zweischichtwicklung)是一种常见的布置方式，每个槽里面有两个线圈边重叠放置，线圈边的一端叠在一个槽上层，另一端叠在相隔差不多一个极距的槽下层。双层绕组有两种布置方式，一种是直径绕组[?](Durchmesserwicklung)，另一种是弦绕组[?](gesehnte Wicklung)。前者一个线圈俩线圈边之间宽度

  小于极宽，所以这个方式就能做出交流电机的短距绕组。直观来看，直径绕组的上下两层布线正好让一槽内两个线圈边通同向的电流，而弦绕组的布线是错开的，这会让槽数极数和线束的比例不为整数，会出现分数槽绕组(Bruchlochwicklung)。

  绕线的目的是为了让一组通电绕组在圆周上能够成功经过一对磁极，这样才可以产生力和转矩。对于多极对极数的直流电机来说，有不同的方式来实现换向片和线圈的闭合回路接线，这体现在：多束线圈绕组要如何整齐有序地放在槽里？#注：为便于理解，下面绕线简图中基本按照双层绕组。

  内直接相邻的换向片上，这在某种程度上预示着每个线圈都每每在输出极上终止。下图红色实线虚线围成的环就是一个线圈，它会与另一个线圈在换向片上并联，这样电流就能够最终靠换向片进入另一个线左边的是线圈边不交叉的方式，右边的是线圈边交叉的方式。

  见下图2.20，在一个单道未交叉的叠绕绕组(Q=K=20,u=1,2p=4)上通入电流，那么这四个电刷中会导通的电枢支路和电流流向为

  #值得注意的是：换向片8，9和13，14和3，4和18，19正好两两被短路了，此时8，9和13，14和3，4和18，19线圈边内没有电流！

  是一个串联绕线法，线圈边会每每在间隔约莫两个极宽的间距接上换向片，每个线圈会在下一个同极性的极上终止，接连接完一整圈的极对后，串联后的线圈会再度达到原初的极。>

  叠绕绕组法，一对电刷通电只能遍历一对极，p对极就需要p对电刷对。电刷都是同极性并联而接，在大型电机上使用大电流小电压，会有极数一样多的并联电枢支路，故每个支路通入电流强度为I_{zw}=\frac{I_{a}}{2p}。

  图2.25 西门子的直流电机1GG5(左),四极，已补偿，1GG6(右),四极，未补偿

  直流电机的基本机械结构已经在这一篇中做了概括性的介绍，原本计划此篇直接讲完直流电机，后来发现工程量浩大，为减少篇幅并且划分工作量，我只好再度把它拆成若干部分，继续分章节梳理。

  由于时间仓促，免不了很多纰漏，请读者积极指出，我将十分感谢，如果对本文内容有所疑问，也请多提问，我将抽空讨论。接下来预告下一期，会涉及直流电机上的电压转矩和功率的计算。

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