1、直流发电机的工作原理与结构直流发电机的工作原理与结构 电机的可逆运行原理两个定理与两个定则1、电磁感应定理 在磁场中运动的导体将会感应电势，若磁场、导体和导体的运动方向三者互相垂直，则作用导体中感应的电势大小为： e = Blv 符号 物理量 单位 B 磁场的磁感应强度 Wb/m2 v 导体运动速度 米/秒 l 导体有效长度 m e 感应电势 V电势的方向用右手定则 2.电磁力定律 载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直 (见下图)，作用在导体上的电磁力大小为：f = Bli 符号 物理量 单位 i 导体中的电流 A l 导体有效长度 m f 电磁力 N 力的方向用左手定则
2、（一）直流发电机的工作原理1.直流发电机的原理模型2.发电机工作原理 a、直流电势产生 用电动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈边 a b 和 c d 分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应产生电动势直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，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因为电刷 A 通过换向片所引出的电动势始终是切割N 极磁力线的线圈边中的电动势。所以电刷 A 始终有正极性，同样道理，电刷 B 始终有负极性。所以电刷端能引出方向不变但大小变化的脉动电动势 b、结论线圈的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷 A B 端的电动势却是直流电动势。直流
3、发电机浏览次数：约145次直流发电机是一种把机械能转换为直流电输出的电机，流电动机具有良好的起动性能和调速性能，因此广泛应用于要求调速平滑，调速围广等对调速要求较高的电气传动系统中，如电力机车、无轨电车、轧钢机起重设备等。 直流发电机的结构直流发电机的部件功能直流发电机的工作原理直流发电机的额定值直流发电机的结构直流电机的结构可分为静止和转动两部分，静止部分称为定子，旋转部分称为转子（也称电枢）。图1 与图2分别为直流电机的纵剖面示意图和横剖面示意图。直流电机纵剖面示意图直流电机横剖面示意图直流电机定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等；转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器
4、、风扇和转轴等。直流发电机的部件功能1、主磁极主磁极用来产生气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度按一定波形沿空间分布。主磁极包括主磁极铁芯和励磁绕组。主磁极铁芯由mm1.5mm 厚的低碳钢薄板冲片叠压而成。励磁绕组用圆形或矩形纯铜绝缘电磁线制成。各磁极的励磁绕组串联连接成一路，以保证各主极励磁绕组的电流相等。大的直流电机在极靴上开槽, 槽嵌放补偿绕组，与电枢绕组串联，用以抵消极靴围的电枢反应磁动势，从而减少气隙磁场的畸变，改善换向，提高电机运行可靠性。2、换向极也称附加极，用于改善直流电机的换向性能。换向极由换向极铁芯和换向极绕组组成。其铁心一般也用mm1.5mm厚的低碳钢薄板冲片叠压而成。换
5、向极绕组必须和电枢绕组相串联，由于要通过的电枢电流较大，通常采用较粗的矩形截面导体绕制而成。换向极安装在两相邻主极之间，其数目一般与主极数相等。小功率直流电机可不装换向极。3、机座直流电机的机座用来固定主极、换向极、端盖等，并借助底脚将电机固定在基础上。同时，直流电机的机座是磁极间的磁通路径(称为磁轭)，所以用导磁性好、机械强度较高的铸钢或厚钢板制成，不能采用铸铁。4、电枢铁芯电枢铁心用来通过磁通并嵌放电枢绕组，是主磁路的一部分。由于转子在定子主磁极产生的恒定磁场旋转，因此电枢铁芯的磁通是交变的，为减少涡流和磁滞损耗，通常用两面涂绝缘漆的 0.5mm 硅钢片叠压而成。冲片上有均匀分布的嵌放电枢
6、绕组的槽和轴向通风孔。5、电枢绕组电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量转换的关键部件。容量较小的直流电机的电枢绕组用圆形电磁线绕制而成，而大多数直流电机的电枢绕组均用矩形绝缘导线绕制成定形线圈，然后嵌入电枢铁心的槽中，线圈与铁心之间以与上、下层线圈之间都必须妥善绝缘。为了防止电枢旋转时离心力的作用，绕组在槽部分用绝缘槽楔固定，而伸到槽外的端接部分则用非磁性钢丝扎紧在线圈支架上。6、换向器换向器是直流电机特有的关键部件，将电枢绕组部的交流电势转换成电刷间的直流电势。换向器的质量好坏将直接影响直流电机的运行可靠性。换向器由许多称为换向片的、彼此互相绝缘的铜片组合而成，有多种结构形式，换
7、12 向器由 V 型套筒、换向片、云母片（换向片间的绝缘）和压紧圈等组成紧密整体。小型换向器用热固性环氧树脂热压成整体。电枢绕组端部嵌放在换向片端部槽，并焊接在一起。7、电刷装置电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握上的刷盒，用弹簧将电刷压紧与换向器表面紧密接触，保证电枢转动时电刷与换向器表面有良好的接触。电刷装置与换向器配合将转动的电枢绕组和静止的外电路联通。8、气隙定、转子之间的气隙是主磁路一部分，其大小直接影响运行性能。由于气隙磁场由直流励磁产生，因此直流电机的气隙可比异步电动机大得多，小型直流电机为 13 mm，大型直流电机可达 12mm。直流发电机的工作原理发电机运行
8、时的直流电机工作模型如图所示，图中的电刷和间外接的是直流负载，电机由一原动机拖动以逆时针方向旋转。在图示瞬间，元件边ab的感应电势方向为b端到a端，元件边cd的感应电势方向为d端到c端，元件中的电流ia的方向为B刷dcba刷，元件边ab、cd产生电磁力f，作用在电枢圆周切线方向的电磁力f将产生电磁转矩em，方向为顺时针，与电机旋转方向相反。转过 180的位置后，元件的电流ia的方向为从刷abcd刷，外电路中的电流I的方向仍不变，产生的电磁转矩em方向仍为顺时针。直流发电机的工作模型由上面分析可见，直流电机在作发电机运行时，有以下几个特点：（1）在每个电枢线圈流动的电流ia为交流，同时产生的感应
9、电势e亦为交流。（2）电刷间为直流电势，而元件的感应电动势e和电流ia的方向一样。（3）由电枢电流所产生的磁场在空间上也是固定不变的。（4）n与电磁转矩em 反方向，电磁转矩em 起制动作用。直流发电机的额定值额定值是电机生产企业按国家标准对电机产品在指定工作条件下（即额定工作条件）所规定的一些量值。主要额定值通常标在电机的铭牌上。直流电动机的主要额定值有：直流电机有电动机和发电机两种状态，分别对这两种状态的原理进行分析。一、直流电动机的工作原理图2-1-1-1 直流电动机模型 直流电动机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的。图2-1-1-2 一对主磁极下气隙磁场的分布 在图2-1-1-1 a
10、）中，当在线圈上加上直流电压，就有直流电流通过，上圈边中电流由ab，根据左手定则，ab线圈受到电磁力 f=Bli 的作用，方向向左，下圈边中电流由cd，同样受到电磁力的作用，方向向右，这样作用在线圈上的电磁转矩为 T=bliD ，其中D为圆柱体直径。在该电磁转矩作用下，电枢将逆时针旋转。但是当线圈旋转过几何中性线之后，到达如图b）所在位置时，此时由于线圈电流方向未变，但所处磁场方向发生改变，因此根据左手定则，ab线圈所受电磁力方向变为向右，cd线圈所受电磁力方向变为向左，此时作用在线圈上的电磁转矩和图a)中相反，电枢将顺时针旋转。从图a)和图b）两种不同状态的分析中可知，由于线圈中电流保持不变
11、，在不同磁极下磁密b的方向正负交替，因此线圈所受电磁转矩为交变的，电枢无法持续旋转。为了让电枢持续旋转，就必须维持电磁转矩和电磁力方向 图2-1-1-3 一对主磁极下气隙磁场的分布 不变，这就需要在线圈转过几何中性线后，同时改变线圈的电流。为此，在原有的基础上，增加电刷和换向器装置，外加电压并非直接加在线圈上，而是通过电刷A、B和换向器再加到线圈上，电刷是固定不动的，而换向器是随线圈旋转的，如图2-1-1-3所示。有了这样的装置，电流i总是从正极性电刷A流入，经过处在N极下的圈边，再从处在S极下的圈边，由负极性电刷B流出；固当圈边轮流交替处于N极和S极下时，圈边中的电流随其所处磁极极性的改变而
12、改变其方向，从而使电磁转矩的方向一致保持不变，使电动机连续旋转。 此时的换向器起到将外电路的直流电流改变为线圈的交变电流的“逆变”的作用。二、直流发电机的工作原理图2-1-1-4 直流发电机模型 直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的。如图2-1-1-4(a)，电枢由原动机带动下以转速n恒速逆时针旋转，由电磁感应定律，上下圈边感应电动势的瞬时值为 e= B lv ， B 为导体所处位置的气隙磁通密度；l为导体的有效长度，即导体切割磁力线部分的长度；v为导体切割磁力线的线速度，故e正比于 B ，即导体感应电动势随时间的变化规律与气隙磁场沿气隙的分布规律一样，直流电机线圈中的感应电动势是
13、交变的。为了产生直流电动势，我们在图2-1-1-4(a)的基础上，也增加电刷和换向器，如图 (b)。由于电刷与磁极保持相对静止，即电刷A只与处于N极下的导体相接触，则当导体ab在N极下时，电动势方向由b到a引到A,电刷A的极性为“+”；乃至导体cd转至N极下，电刷A与导体cd接触，电动势改由c到d引到A，A的极性依然为“+”。由此可见，电刷A的极性永远为“+”。同理，电刷B的极性永远为“-”。故得电刷A、B间的电动势为直流电动势。直流电机电枢绕组所感应的电动势是极性交替变化的交流电动势，只是由于换向器配合电刷的作用才把交流电动势“换向”成为极性恒定的直流电动势。正因为如此，通常把这种类型的电机
14、称之为换向器式直流电机。此时的换向器起到将电枢的交流电动势改变为外电路直流电动势的“整流”的作用。图2-1-1-5 每极多线圈串联时电刷电动势波形 对于上图所示简单模型，因为只有一个线圈，其供电电压和电流波形的脉动都会比较大一些。为使电刷端电动势的脉动程度降低，实际电机中的电枢上就不只是敷设一个线圈，而是由合理设计的多个线圈均匀分布，并按一定规律连接起来组成电枢绕组。当每个磁极下均匀分布的导体数为3时，电动势波形将如图2-1-1-5所示。直流电机总体上由定子（静止部分）和转子（运动部分）两大部分组成。直流电机的定子用于安放磁极和电刷，并作为机械支撑，它包括主磁极、换向极、电刷装置、机座等。转子
15、一般称为电枢，主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。图2-1-2-1 直流电机结构图 一、直流电机定子1. 主磁极主磁极简称主极，用于产生气隙磁场。绝大部分直流电机的主极都不用永久磁铁，而是采用电磁铁，采用主极铁心外套励磁绕组，励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主极铁心一般用1mm1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成。为了使主磁通在气隙中分布更合理，同时也使励磁绕组固定更牢固，极靴要比极身宽些。电机中各主磁极要以N极和S极交替极性方式沿机座圆均匀排列。图2-1-2-2 主磁极 图2-1-2-3 多边形机座 2. 换向极换向极也叫间极或附加极，专用于改善电机换向。换向极也由铁心和套在上面的绕组构成，
16、铁心一般采用钢片叠压或整块钢制成。换向极装在两相邻主极之间，其数目一般与主极数相等，小功率直流电机换向极数可为主极数的一半，也可不装。换向极绕组一般与电枢绕组串联。3. 机座机座一般用铸钢或用薄钢板焊接而成，形状有圆型或多边形。机座起固定作用，可固定主极、换向器和端盖，机座底脚部分与基础固定，另外机座是电机磁路的一部分，称为磁轭。4. 电刷电刷的作用之一是把转动的电枢与外电路相连接，使电流经电刷进入或离开电枢；其二是与换向器配合作用而获得直流电压。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和汇流条等零件构成。图2-1-2-4 电刷和电刷装置 二、直流电机转子1. 电枢铁心电枢铁心是用来构成磁通路径并嵌放电枢绕
17、组的。 为了减少涡流损耗，电枢铁心一般用厚0.35mm0.5mm的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。嵌放绕组的槽型通常有矩形和梨形两种。对于小容量电机，铁心叠片(也叫冲片)尽可能采用整形圆片；而大容量电机则可能要多片拼接，并且还要沿轴向方向分段，段与段之间再设置径向通风道，以加强冷却。2. 电枢绕组图2-1-2-5 电枢绕组在槽中的绝缘情况 电枢绕组是用来感应电动势、通过电流并产生电磁力或电磁转矩，使电机能够实现机电能量转换的核心构件。电枢绕组由多个用绝缘导线绕制的线圈连接而成。小型电机的线圈用圆铜线绕制，较大容量时用矩形截面铜材绕制，各线圈以一定规律与换向器焊连。导体与导体之间，线圈与线圈之间以与
18、线圈与铁心之间都要求可靠绝缘。为防止电机转动时线圈受离心力作用而甩出，槽口要加槽楔固定。唯一例外的是无槽电机，此时电枢绕组均匀敷设在电枢表面，但依然需要牢固绑扎，并且只可能在小容量直流电机中采用。3. 换向器图2-1-2-6 换向器 换向器的作用是把电枢绕组的交流电动势用机械换接的方法转换为电刷间的直流电动势。换向器由多片彼此绝缘的换向片构成。额定值是电机制造厂根据国家标准要求，对电机额定运行工况的物理量进行规定的数据。直流电机的额定值主要有以下几项：1. 额定功率（容量） P N (W或kW) ；2. 额定电压 U N (V) ； 3. 额定电流 I N (A) ； 4. 额定转速 n N
19、(r/min) ； 5. 励磁方式和额定励磁电压 U fN (V) ，额定励磁电流 I fN (A) 。额定值一般标记在电机的铭牌或产品说明书上，但不一定同时都标在一台电机的铭牌上。关于额定功率(也叫额定容量)，定义为电机的额定输出功率。对发电机来说它就是电端口所输出的电功率，即P N = U N I N 而对电动机而言，则是指转轴上(机械端口)输出的机械功率，因而有P N = U N I N N 式中 N 是直流电动机的额定效率，它是直流电动机额定运行时输出机械功率与电源输入电功率之比。电动机轴上输出的额定转矩TN，其大小是额定功率除以转子角速度的额定值，即T N = T 2N = P N N = P N 2 n N 60 =9.55 P N n N 式中 P N 的单位为 W ， n N 的单位为 r/min， T N 的单位为 Nm 。如果 P N 的单位用 ，则系数9.55应该为9550。应此式不仅适用于直流电机，交流电动机也同样适用。
