直流电机的基本工作原理

主要介绍直流发电机的发电原理，直流电动机的旋转原理。直流发电机的绕组在恒定磁场中旋转，通过电磁感应产生交流电，经过换向装置，将交流电转变成直流电；直流电动机的转子绕组通过换向装置把电源送来的直流电转换成交流电，使绕组在磁场中受到单一方向磁场力的作用而形成一定方向的电磁转矩，使电动机旋转起来。下面分别对直流发电机和直流电动机的工作原理进行具体分析。

1.直流发电机的工作原理

（1）直流发电机工作原理的基础。直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础之上的。电磁感应定律告诉我们，导体切割恒定磁场的磁力线，产生感应电动势。若磁力线、导体和运动方向三者相互垂直，则感应电动势的大小为e=Blv，其方向由右手定则确定。

（2）直流发电机的工作原理。如图5.1是一个简单的发电机模型的工作原理图，由固定不动的定子部分和旋转的转子部分组成。

图5.1　直流发电机的工作原理图

N、S为一对固定的磁极（一般是电磁铁，也可以是永久磁铁），属于定子部分；两个磁极间装着一个可以转动的铁质材料的圆柱体，其表面上嵌放着一个线圈，属于转子部分。转子线圈的两个边分别为ab、cd。我们把这个嵌放着线圈的圆柱体叫做电枢。如果a、d端是开路状态，用原动机拖动电枢，使之以恒速n沿逆时针方向旋转。由电磁感应定律可知每根导体中感应的电动势

式中：l为导体的有效长度；v为电枢的线速度；B为导体所在位置处的磁通密度。

在图5.1的（a）图所示瞬间，ab导体处于N极下，根据右手定则可以判定其电动势的方向由b→a，而cd导体处于S极下，电动势的方向由d→c。整个线圈的电动势为2e，方向由d→a。如果线圈转过180°，如图5.1（b）所示，ab导体处于S极下，根据右手定则可以判定其电动势的方向由a→b，而cd导体处于N极下，电动势的方向由c→d。整个线圈的电动势的方向变为由a→d，可见线圈电动势的方向是变化的，电动势的大小随时间按正弦规律变化。所以说，当线圈的a、d端是开路状态时，发电机是交流发电机。那么怎样才能使此交流发电机输出直流电动势呢？

我们把a、d两端分别接到两片彼此绝缘的圆弧形换向片上。换向片固定在转轴上，换向片构成的整体称为换向器，它固定在轴上，与轴一起旋转。为了把电枢线圈和外电路接通，在换向片上放置了在空间位置固定不动的电刷A和B，电刷引出线接负载，如图5.1所示。电刷A只能和转到上面的一片换向片相接触，而电刷B只能和转到下面的一片换向片相接触。装了这种换向器以后，在电刷A、B之间得到的电动势就是单向的了。为什么呢？我们来分析一下：当ab导体处在N极下的时候，由右手定则可知，电动势的方向为b→a→A，电刷A的极性为“+”。cd导体处在S极下，电动势的方向为B→d→c，电刷B的极性为“-”，负载（接于电刷A、B上）上的电流方向是由A流向B。当电枢转过180°时，元件的两个有效边的位置互相调换，此时电刷A通过换向片与处于N极下的cd导体相连，cd导体的电动势反向变为c→d→A，电刷A的极性为“+”。电刷B通过换向片与处于S极下的ab导体相连，ab导体的电动势反向变为B→a→b，电刷B的极性为“-”。

可见，通过换向器的作用，使电刷A始终与N极下的线圈边相连，极性始终为“+”；使电刷B始终与S极下的线圈边相连，极性始终为“-”。所以当电枢在磁场中旋转时，线圈中的电动势虽然是交变的，但电刷之间的电动势却是一个方向不变的脉振电动势。由于两个电刷间的电动势波动太大，不能用作直流电源。实际的直流发电机的电枢上嵌放着连接在一起的多个线圈，电动势的脉动程度会很小，近似为直流电动势，相应的发电机是直流发电机。(www.xing528.com)

2.直流电动机的工作原理

（1）直流电动机工作原理的基础。直流电机的工作原理是建立在电磁力定律的基础之上。根据实验可知，若磁场与载流导体互相垂直，则作用在导体上的电磁力应为

式中：B为磁场的磁感应强度，Wb/m2；i为导体中的电流，A；l为导体的有效长度，m；f的单位是牛。电磁力的方向用左手定则判断。

图5.2　电磁装置的简单模型

（2）直流电动机的工作原理。电动机要作连续的旋转运动，载流导体在磁场中所受到的电磁力就需形成一种方向不变的转矩。我们看一下图5.2，它是一种简单的电磁装置，它能否使导体所受的电磁力形成一种转矩呢？

图5.2中两个磁极间装着一个电枢，N极和S极形成的磁力线。当线圈中流过直流电流（由a边流入，x边流出）时，两个线圈边均受到电磁力，力的方向由左手定则判断如图5.2所示。两个力形成一个逆时针方向的电磁转矩。线圈在此力矩的作用下开始转动。当线圈转过180°，a边转到S极下，x边转到N极下时，由于两边中的电流方向不变，但电流所处的磁场的方向相反了，那么电枢所受的力矩变成顺时针。可见电枢受到的力矩的方向是交变的。这种电磁转矩只能使电枢来回摆动，达不到连续转动的目的。怎样保持电枢的连续转动呢？

我们可以不断改变磁场的方向，也可以改变电枢电流的方向。但改变磁场的方向需要和电枢的转动同步，实现起来比较困难。因此通常要改变电枢电流的方向，也就是当线圈边在不同极性磁极下，及时改变电枢电流的方向，即进行所谓的“换向”。实现换向的装置叫做换向器，它和发电机中的换向器是一样的，如图5.3（a）、（b）所示。同样，电刷A只能和转到上面的一片换向片相接触，而电刷B只能和转到下面的一片换向片相接触。装了这种换向器以后，如将直流电压加在电刷两端，使电流从正极性电刷A流入，经线圈abcd或dcba从负极性电刷B流出。由于电流总是经N极下的导体流进去而从S极下的导体流出来，根据电磁力定律可知，上下两根导体受电磁力作用而形成的电磁转矩始终是逆时针方向，带动轴上的负载按逆时针方向旋转。这样就解决了图5.2中电枢受到的力矩是交变的问题。需要注意的是此种情况下直流电动机电枢线圈中的电流的方向是交变的，但产生的电磁转矩却是单方向的，这正是由于有换向器的原因。自从直流电机问世以来，人们一直从理论和实践两方面进行研究，企图从一个无换向装置的电枢线圈回路中直接引出直流电，结果所有的尝试都失败了。事实上，这里和“永动机”的问题一样，是不可能实现的。

图5.3　直流电动机的工作原理图

从以上分析可以看出，用原动机拖动直流电机的电枢，使之以一定的速度旋转，两电刷端就可以输出直流电动势，接上负载就能输出电能，电机把机械能变换成电能，成为发电机；如果在直流电机的两电刷上，接上直流电源，使电枢流过电流，电枢在磁场中受到电磁转矩而旋转，拖动生产机械，电机把电能转换成机械能，成为电动机。这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。