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直流電機(jī)的工作原理

2019-06-05
        直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子上有磁極（繞組式或永磁式），轉(zhuǎn)子有繞組。通電后，轉(zhuǎn)子上形成磁場(chǎng)（磁極），定子和轉(zhuǎn)子的磁極之間有一個(gè)夾角，在定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)（N極和S極之間）的相互吸引下，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。改變電刷的位子，就可以改變定轉(zhuǎn)子磁極夾角（假設(shè)以定子的磁極為夾角起始邊，轉(zhuǎn)子的磁極為另一邊，由轉(zhuǎn)子的磁極指向定子的磁極的方向就是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向）的方向，從而改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向.
        直流勵(lì)磁的磁路在電工設(shè)備中的應(yīng)用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應(yīng)用在直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)、蓄電池的充電機(jī)等，都是直流發(fā)電機(jī)；鍋爐給粉機(jī)的原動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)。另外在許多工業(yè)部門，例如大型軋鋼設(shè)備、大型精密機(jī)床、礦井卷揚(yáng)機(jī)、市內(nèi)電車、電纜設(shè)備要求嚴(yán)格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)工作機(jī)械的。直流發(fā)電機(jī)通常作為直流電源，向負(fù)載輸出電能；直流電動(dòng)機(jī)則是作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械工作，向負(fù)載輸出機(jī)械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)還有其它的用途，例如測(cè)速電機(jī)、伺服電機(jī)等。雖然直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的用途各不同，但是它們的結(jié)構(gòu)基本上一樣，都是利用電和磁的相互作用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。 
        直流電機(jī)的弱點(diǎn)就是有電流的換向問題，消耗有色金屬較多，成本高，運(yùn)行中的維護(hù)檢修也比較麻煩。因此，電機(jī)制造業(yè)中正在努力改善交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能，并且大量代替直流電動(dòng)機(jī)。不過，近年來在利用可控硅整流裝置代替直流發(fā)電機(jī)方面，已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。包括直流電機(jī)在內(nèi)的一切旋轉(zhuǎn)電機(jī)，實(shí)際上都是依據(jù)我們所知道的兩條基本原則制造的。一條是：導(dǎo)線切割磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；另一條是：載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用。因此，從結(jié)構(gòu)上來看，任何電機(jī)都包括磁場(chǎng)和電路部分。從上述原理可見，任何電機(jī)都體現(xiàn)著電和磁的相互作用，是電、磁這兩個(gè)矛盾著的對(duì)立面的統(tǒng)一。我們?cè)谶@一章里討論直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，就是討論直流電機(jī)中的“磁”和“電”如何相互作用，相互制約，以及體現(xiàn)兩者之間相互關(guān)系的物理量和現(xiàn)象（電樞電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩、電磁功率、電樞反應(yīng)等）。 
一、直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理 
       直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)具有相同的結(jié)構(gòu)，只是直流發(fā)電機(jī)是由原動(dòng)機(jī)（一般是交流電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)而發(fā)電。可見，它是把機(jī)械能變?yōu)殡娔艿脑O(shè)備。直流電動(dòng)機(jī)則接在直流電源上，拖動(dòng)各種工作機(jī)械（機(jī)床、泵、電車、電纜設(shè)備等）工作，它是把電能變?yōu)闄C(jī)械能的設(shè)備。但是，當(dāng)前已經(jīng)有可控硅整流裝置替代了直流發(fā)電機(jī)，為了能使大家更好的理解直流電動(dòng)機(jī)，有必要同時(shí)講述一下直流發(fā)電機(jī)的原理。 
我們首先來觀察直流發(fā)電機(jī)是怎樣工作的。 
       如圖1所示，電刷A、B分別與兩個(gè)半園環(huán)接觸，這時(shí)A、B兩電刷之間輸出的是直流電。我們?cè)賮砜纯催@時(shí)線圈在磁極之間運(yùn)動(dòng)的情況。從圖1（a）可以看出，當(dāng)線圈的ab邊在N極范圍內(nèi)按逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)用發(fā)電機(jī)右手定則，這時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)是從b指向a。這時(shí)線圈的cd邊則是在S極范圍內(nèi)按逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，依據(jù)發(fā)電機(jī)右手定則可以判斷，cd邊中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向是從d指向c。從整個(gè)線圈來看，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向是d-c-b-a。因此，和線圈a端連接的銅片1和電刷A是處于正電位；而和線圈的d端連接的銅片2和電刷B是處于負(fù)電位。如果接通外電路，那么電流就從電刷A經(jīng)負(fù)載流入電刷B，與線圈一起構(gòu)成閉合的電流通路。 
當(dāng)線圈的ab邊轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)時(shí)，cd邊就轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)（圖1，b），用右手定則判斷可以知道，這時(shí)線圈cd邊中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向是從c到d，而ab邊轉(zhuǎn)到了S極范圍內(nèi)，其中電動(dòng)勢(shì)的方向則是有a到b。由于電刷在空間是不動(dòng)的，因此和線圈d端連接的銅片2和電刷A接觸，它的電位仍然是正。而與線圈a端連接的銅片1則和電刷B接觸，它的電位仍然是負(fù)。接通外電路時(shí)，電流仍然是從電刷A經(jīng)負(fù)載流入電刷B，與線圈一起構(gòu)成閉合的電流通路。不過，要注意到這時(shí)線圈內(nèi)的電流已經(jīng)反向了。 
由此可知，當(dāng)線圈不停地旋轉(zhuǎn)時(shí)，雖然與兩個(gè)電刷接觸的線圈邊不停的變化，但是，電刷A始終是正電位，電刷B始終是負(fù)電位。因此，有兩電刷引出的是具有恒定方向的電動(dòng)勢(shì)，負(fù)載上得到的是恒定方向的電壓和電流。也就是說，盡管線圈abcd中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向不斷交變，但是電刷A總是和處在N極范圍內(nèi)的線圈邊接觸，電刷B總是和處在S極范圍內(nèi)的線圈邊相接觸，它們的極性始終不變。于是，線圈中的交流電經(jīng)過銅片和電刷整流后，便成為外電路中的直流電了。這兩個(gè)半圓形的銅片就叫做換向片，它們合在一起叫做換向器。 
二、直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理 
      上面已經(jīng)討論了直流發(fā)電機(jī)的工作原理，現(xiàn)在再來討論直流電動(dòng)機(jī)是怎樣工作的。 
      如果直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子不用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，而把它的電刷A、B接在電壓為U的直流電源上（如圖2所示），那么會(huì)發(fā)生什么樣的情況呢？從圖上可以看出，電刷A是正電位，B是負(fù)電位，在N極范圍內(nèi)的導(dǎo)體ab中的電流是從a流向b，在S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體cd中的電流是從c流向d。前面已經(jīng)說過，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到電磁力的作用，因此，ab和cd兩導(dǎo)體都要受到電磁力Fde的作用。根據(jù)磁場(chǎng)方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動(dòng)機(jī)左手定則判斷，ab邊受力的方向是向左，而cd邊則是向右。由于磁場(chǎng)是均勻的，導(dǎo)體中流過的又是相同的電流，所以，ab邊和cd邊所受電磁力的大小相等。這樣，線圈上就受到了電磁力的作用而按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)了。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面上時(shí)，線圈中的電流等于零，電磁力等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈轉(zhuǎn)過半州之后，雖然ab與cd的位置調(diào)換了，ab邊轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)，cd邊轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，但是，由于換向片和電刷的作用，轉(zhuǎn)到N極下的cd邊中電流方向也變了，是從d流向c，在S極下的ab邊中的電流則是從b流向a。因此，電磁力Fdc的方向仍然不變，線圈仍然受力按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢?，分別處在N、S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個(gè)邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停的旋轉(zhuǎn)了，通過齒輪或皮帶等機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，便可以帶動(dòng)其它工作機(jī)械。 
從以上的分析可以看到，要使線圈按照一定的方向旋轉(zhuǎn)，關(guān)鍵問題是當(dāng)導(dǎo)體從一個(gè)磁極范圍內(nèi)轉(zhuǎn)到另一個(gè)異性磁極范圍內(nèi)時(shí)（也就是導(dǎo)體經(jīng)過中性面后），導(dǎo)體中電流的方向也要同時(shí)改變。換向器和電刷就是完成這個(gè)任務(wù)的裝置。在直流發(fā)電機(jī)中，換向器和電刷的任務(wù)是把線圈中的交流電變?yōu)橹绷麟娤蛲廨敵觯欢谥绷麟妱?dòng)機(jī)中，則用換向器和電刷把輸入的直流電變?yōu)榫€圈中的交流電。可見，換向器和電刷是直流電機(jī)中不可缺少的關(guān)鍵性部件。 
        當(dāng)然，在實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)中，也不只有一個(gè)線圈，而是有許多個(gè)線圈牢固地嵌在轉(zhuǎn)子鐵芯槽中，當(dāng)導(dǎo)體中通過電流、在磁場(chǎng)中因受力而轉(zhuǎn)動(dòng)，就帶動(dòng)整個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。 
比較直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的工作原理可以看出，它們的輸入和輸出的能量形式不同的。正如前面已經(jīng)說過，直流發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，輸入的是機(jī)械能，輸出的是電能；直流電動(dòng)機(jī)則是由直流電源供電，輸入的是電能，輸出的是機(jī)械能。
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