浙江自考《电机学》实验指导书

第一章  直流电动机
 
基础知识
 
一、直流电机的基本工作原理
 
图 1-1是一个直流发电机的工作模型。图中N、S是两个在空间固定不动的磁极，它可以是永久磁铁，也可以是在铁芯上绕上励磁线圈并通入直流电流来建立磁场的电磁铁。abcd是一个装在可以转动的铁磁圆柱体上的线圈（合称为电枢），线圈的首、末端分别连接到与电枢同轴旋转的两个圆弧形的铜片（称为换向片）上。换向片之间及换向片与转轴之间是互相绝缘的，A和B是两个与换向片相接触，但在空间上静止不动的铜片（称为电刷），从电刷引出即可对负载（图中用灯泡表示）供电。
当原动机拖动电枢以转速 n恒速旋转时,导体 ab和 cd切割磁力线而感应电动势，其方向可用右手定则确定。在图 1-1所示的时刻，整个线圈的电势方向是e_dcba，即从 d到 a，此时 a端经换向片接触电刷 A，d端经换向片与电刷 B接触，所以电刷 A为正极性而电刷B为负极性，如果在电刷 AB之间接上负载，则就有电流 i从电刷A经过外电路负载而流向电刷 B。根据电流的连续性，此电流必须通过换向片此电流必须通过换向片及线圈 abcd而构成回路，所以此刻在电枢线圈中电流的方向也是 i_dcba亦从d到a。
当电枢转过180°电角度时，线圈 abcd中感应电动势的方向为
e_abcd即从 a到 d，此时 d端与电刷 A相接触，而 a端与电刷B接触，所以电刷A仍为正
极性，电刷 B仍为负极性，因而流过外部负载的电流方向不变。据电流连续性，此时在电枢线圈中的电流方向为i_abcd，即从a到d。
根据以上两个特定位置的分析"可以得出直流发电机以下几个结论：
（1）在电枢线圈内的感应电动势e_a及电流i_a都是交流电，通过换向片及电刷的整流作用才变成外部两电刷间的直流电动势，使外部电路得到方向不变的直流电流；
（2）发电机电枢线圈中的感应电动势e_a（称为电枢电动势）与其电流 i_a（称为电枢电流）的方向始终一致；
（3）虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看N极与 S极下
的电枢电流的方向不变，因此，由电枢电流所产生的磁场在空间上是一个恒定不变的磁场；
（4）电枢绕组电流与磁场相互作用产生电磁力f。据左手定则可以得出f的方向如图 1-1
所示。此电磁力f使转轴受到一个力矩T= f×R（式中 R为导体对转轴中心的半径），称之为电磁转矩，其方向是与转子转向相反的，是制动性质。因此原动机必须输入机械功率克服电磁转矩的制动作用才能使转子继续恒速旋转，才能继续不断地发出电能输给负载，这就是机械能通过电磁感应作用变成了电能。
将图 1-1的电刷出线端的灯泡改成外施直流电源U，而且将轴上的原动机换成生产机械负载，这样就成了直流电动机的工作模型。
在外施电压U的作用下，有电流 I经过电刷 A及换向片进入电枢绕组 abcd，成为电枢绕组中的电流i_a，然后经换向片及电刷B返回电源负端。电枢电流i_a使电枢线圈受到电磁力f，在此电磁力所产生的电磁转矩 T的驱动下，转子沿T的方向旋转起来。
仿照发电机的分析方法，也可以得出以下结论：
（1）在直流电动机中，虽然外施电压U及电流 I是直流，但在电枢绕组内部电流i_a是交流。这是靠换向片及电刷的逆变作用将外部直流变成内部的交流；
（2）从空间上看，由电枢电流所生的磁场也是一个恒定磁场；
（3）当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势且是交变的，其方向与电枢电流的方向始终相反，称之为反电势；
（4）直流电动机中电磁转矩的方向与转子转向一致，是驱动性质的。
由以上分析可知.同一台直流电机，只要改变外界的条件，既可以当发电机运行，也可以当电动机运行，具有可逆性。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从两电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在两电刷端外施直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。

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