圖解直流電機(jī)的工作原理

一.直流電機(jī)的物理模型圖解釋。這是分析直流電機(jī)的物理模型圖。其中，固定部分有磁鐵，這里稱(chēng)作主磁極;固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動(dòng)部分有環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組。(其中2個(gè)小圓圈是為了方便表示該位置上的導(dǎo)體電勢(shì)或電流的方向而設(shè)置的)

上圖表示一臺(tái)最簡(jiǎn)單的兩極直流電機(jī)模型，它的固定部分(定子)上，裝設(shè)了一對(duì)直流勵(lì)磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱(chēng)為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱(chēng)為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷B1和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過(guò)換向片和電刷與外電路接通。

二.直流發(fā)電機(jī)的工作原理

直流發(fā)電機(jī)的原理圖

直流發(fā)電機(jī)是機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能的電氣設(shè)備。

如何轉(zhuǎn)換?分以下步驟說(shuō)明：

設(shè)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以每分轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng);

電機(jī)內(nèi)部的固定部分要有磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)可以是如圖示的磁鐵也可以是磁極鐵心上繞套線圈，再通過(guò)直流電產(chǎn)生磁場(chǎng)。其中 If 稱(chēng)之為勵(lì)磁電流。這種線圈每個(gè)磁極上有一個(gè)，也就是，電機(jī)有幾個(gè)磁極就有幾個(gè)勵(lì)磁線圈，這幾個(gè)線圈串聯(lián)(或并聯(lián))起來(lái)就構(gòu)成了勵(lì)磁繞組。這里要注意各線圈通過(guò)電流的方向不可出錯(cuò)。在以上條件下環(huán)外導(dǎo)體將感應(yīng)電勢(shì)，其大小與磁通密度 B 、導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度 l 和導(dǎo)體切割磁場(chǎng)速度 v 三者的乘積成正比，其方向用右手定則判斷。

但是要注意某一根轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電勢(shì)性質(zhì)是交流電。而經(jīng)電刷輸出的電動(dòng)勢(shì)確是直流電了。這便是直流發(fā)電機(jī)的工作原理。如下動(dòng)畫(huà)演示：

三.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

直流電動(dòng)機(jī)的原理圖

對(duì)上一頁(yè)所示的直流電機(jī)，如果去掉原動(dòng)機(jī)，并給兩個(gè)電刷加上直流電源，如上圖(a)所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過(guò)線圈abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖(b)所示的位置，電刷 A 和換向片2接觸，電刷 B 和換向片1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動(dòng)方向是dcba，從電刷 B 流出。

此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過(guò)的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。

實(shí)用中的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個(gè)線圈構(gòu)成，同樣是由多個(gè)線圈連接而成，以減少電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，繞組形式同發(fā)電機(jī)。如下動(dòng)畫(huà)演示：

將直流電動(dòng)機(jī)的工作原理歸結(jié)如下：

將直流電源通過(guò)電刷接通電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流流過(guò)。

電機(jī)內(nèi)部有磁場(chǎng)存在。

載流的轉(zhuǎn)子(即電樞)導(dǎo)體將受到電磁力 f 的作用 f=Blia (左手定則)

所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以n(轉(zhuǎn)/分)旋轉(zhuǎn)，以便拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載。

§1.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

這是一臺(tái)國(guó)產(chǎn)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)裝配圖和結(jié)構(gòu)剖面圖。旋轉(zhuǎn)電機(jī)都是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，每一部分也都由電磁部分和機(jī)械部分組成，以便滿(mǎn)足電磁作用的條件。換向極用來(lái)改善換向。

旋轉(zhuǎn)電機(jī) 包括 定子(電磁部分,機(jī)械部分)和轉(zhuǎn)子(機(jī)械部分,電磁部分 )

定子：

◇ 主磁極(勵(lì)磁繞組 主極鐵心)

◇ 換向極(繞組和鐵心)

◇ 機(jī)座

◇ 端蓋

◇ 電刷裝置

轉(zhuǎn)子：

◇ 電樞繞組

◇ 電樞鐵心

◇ 換向器

◇ 轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇

●定子的主要部件包括：直流電機(jī)的定子由主磁極、機(jī)座、換向極、端蓋和電刷裝置等部件組成。

主磁極 主磁極的作用是建立主磁場(chǎng)。絕大多數(shù)直流電機(jī)的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵(lì)磁繞組通以直流電流來(lái)建立磁場(chǎng)。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組構(gòu)成。主磁極鐵心靠近轉(zhuǎn)子一端的擴(kuò)大的部分稱(chēng)為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場(chǎng)分布，并使勵(lì)磁繞組容易固定。為了減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于齒槽移動(dòng)引起的鐵耗，主磁極鐵心采用1～1.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成。主磁極上裝有勵(lì)磁繞組，整個(gè)主磁極用螺桿固定在機(jī)座上。主磁極的個(gè)數(shù)一定是偶數(shù)，勵(lì)磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按 N，S 極交替出現(xiàn)。

機(jī)座 ——機(jī)座有兩個(gè)作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。 機(jī)座中作為磁通通路疊部分稱(chēng)為磁軛。機(jī)座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件(小型機(jī)座用鑄鐵件)制成。機(jī)座的兩端裝有端蓋。

換向極 ——換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個(gè)小磁極，它的作用是改善直流電機(jī)的換向情況，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生有害的火花。換向極結(jié)構(gòu)和主磁極類(lèi)似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構(gòu)成，并用螺桿固定在機(jī)座上。換向極的個(gè)數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等，在功率很小的直流電機(jī)中，也有不裝換向極的。換向極繞組在使用中是和電樞繞組相串聯(lián)的，要流過(guò)較大的電流，因此和主磁極的串勵(lì)繞組一樣，導(dǎo)線有較大的截面。

端蓋 —— 端蓋裝在機(jī)座兩端并通過(guò)端蓋中的軸承支撐轉(zhuǎn)子，將定轉(zhuǎn)子連為一體。同時(shí)端蓋對(duì)電機(jī)內(nèi)部還起防護(hù)作用。

電刷裝置——電刷裝置是電樞電路的引出(或引入)裝置，它由電刷，刷握，刷桿和連線等部分組成，右圖所示，電刷是石墨或金屬石墨組成的導(dǎo)電塊，放在刷握內(nèi)用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉(zhuǎn)時(shí)與換向器表面形成滑動(dòng)接觸。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。每一刷桿上的一排電刷組成一個(gè)電刷組，同極性的各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。刷桿裝在可移動(dòng)的刷桿座上，以便調(diào)整電刷的位置。

●轉(zhuǎn)子的主要部件包括：

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱(chēng)為轉(zhuǎn)子，又稱(chēng)電樞。轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、軸承、風(fēng)扇等。

電樞鐵心 —— 電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組支撐部分;電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽的型號(hào)為DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成，如左圖所示。小型電機(jī)的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大型電機(jī)的電樞鐵心沖片先壓裝在轉(zhuǎn)子支架上，然后再將支架固定在軸上。為改善通風(fēng)，沖片可沿軸向分成幾段，以構(gòu)成徑向通風(fēng)道。

電樞繞組——電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成，他是直流電機(jī)的電路部分，也是感生電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部分。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣(右圖)，并用槽楔壓緊。大型電機(jī)電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上。

換向器——前面已經(jīng)指出，在直流發(fā)電機(jī)中，換向器起整流作用，在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機(jī)的關(guān)鍵部件之一。換向器由許多具有鴿尾形的換向片排成一個(gè)圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個(gè)V形環(huán)夾緊而構(gòu)成，如圖3-10所示。每個(gè)電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊入相應(yīng)換向片的升高片內(nèi)。小型電機(jī)常用塑料換向器，這種換向器用換向片排成圓筒，再用塑料通過(guò)熱壓制成。