直流电机工作原理-新能源汽车定位

（一）直流发电机的工作原理

直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。

如图3-7所示为一台交流发电机的原理模型。图中，N、S为一对固定的磁极（一般是电磁铁，也可以是永久磁铁），abcd是装在可以转动的圆柱体表面上的一个线圈，把线圈的两端分别接到两个圆环（称为滑环）上（这个可以转动的装有线圈的圆柱体称为电枢）。在滑环上分别放上两个固定不动的由石墨制成的电刷A和B。通过电刷A和B把旋转着的电路与外部电路相连接。

当原动机拖动电枢以恒速n逆时针方向转动时，根据电磁感应定律可知，在线圈边（即导体）ab和cd中有感应电动势产生。感应电动势e的大小用式（3-1）确定。

图3-7　交流发电机原理模型

1—磁极；2—电枢；3—滑环；4—电刷

式中　B——导体所在处的磁密，Wb/m2；

　　　l——导体ab或cd的长度，m；

　　　υ——导体ab或cd与B之间的相对线速度，m/s。

感应电动势的方向用右手定则确定。在图3-7所示瞬间，导体ab、cd的感应电动势方向分别由b指向a和由d指向c。这时电刷A呈高电位，电刷B呈低电位。当图3-7中电枢逆时针方向转过180°时，导体ab与cd互换了位置，用右手定则判断，此时导体ab、cd中的感应电动势方向都与图3-7所示瞬间的相反。这时电刷A呈低电位，电刷B呈高电位。如果电枢继续逆时针方向旋转180°，导体ab、cd又转到图3-7所示位置，则电刷A又呈高电位，电刷B呈低电位。由此可知，图3-7中电枢每转一周，线圈abcd中感应电动势方向交变一次。线圈内的感应电动势是一种交变电动势，这是最简单的交流发电机的原理。

如果想要得到直流电动势，必须把上述线圈abcd感应的电动势进行整流，实现整流的装置称为换向器。如图3-8所示为直流发电机的原理模型，它由两个铜质换向片代替图3-7中的两个滑环。换向片之间用绝缘材料隔开，线圈abcd出线端分别与两个换向片相连，电刷A、B与换向片相接触并固定不动，这就是最简单的换向器。有了换向器，在电刷A、B之间感应电动势就和图3-7中电刷A、B之间的电动势大不一样了。例如，在图3-8所示瞬间，线圈abcd中感应电动势的方向如图中所示，这时电刷A呈正极性，电刷B呈负极性。当线圈逆时针方向旋转180°时，这时导体cd位于N极下，导体ab位于S极下，各导体中电动势都分别改变了方向。但是，由于换向片随着线圈一同旋转，本来与电刷B相接触的那个换向片，现在却与电刷A接触了；与电刷A相接触的换向片与电刷B接触了，显然这时电刷A仍呈正极性，电刷B呈负极性。从图3-8看出，和电刷A接触的导体永远位于N极下，同样，和电刷B接触的导体永远位于S极下。电刷A始终有正极性，电刷B始终有负极性，电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。同时，也说明了直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。

（二）直流电机的工作原理(www.xing528.com)

图3-8　直流发电机的原理模型

如图3-9所示为直流电机的原理模型，与图3-8不同的是：线圈不被原动机拖动；电刷A、B接上直流电源。在线圈abcd中有电流流过，电流的方向如图3-9所示。根据电磁力定律可知，载流导体ab、cd上受到的电磁力f为

式中　B——导体所在处的气隙磁密，Wb/m2；

　　　l——导体ab或cd的长度，m；

　　　i——导体中的电流，A。

图3-9　直流电机的原理模型

1—磁极；2—电枢；3—换向器；4—电刷

导体受力的方向用左手定则确定，导体ab的受力方向是从右向左，导体cd的受力方向是从左向右，如图3-9所示。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（如由摩擦引起的阻转矩及其他负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下，直流电源供给的电流方向不变，电流仍从电刷A流入，经导体cd、ab后，从电刷B流出。这时导体cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。电枢一经转动，换向器配合电刷对电流起换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边处于N极下，其中，通过电流的方向总是从电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电机的工作原理。

从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可以作为发电机运行，也可以作为电机运行，只是其输入输出的条件不同而已。如用原动机拖动直流电机的电枢将机械能从电机轴上输入，而电刷上不加直流电压，则从电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机；如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机。这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行的原理，在电机学理论中称为电机的可逆原理。