直流電機的工作原理

一.直流電機的物理模型圖解釋

　　這是分析直流電機的物理模型圖。
　　其中，固定部分有磁鐵，這里稱作主磁極；固定部分還有電刷。轉動部分有環形鐵心和繞在環形鐵心上的繞組。(其中2個小圓圈是為了方便表示該位置上的導體電勢或電流的方向而設置的)
　　上圖表示一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的固定部分（定子）上，裝設了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉部分（轉子）上裝設電樞鐵心。定子與轉子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構成的整體稱為換向器。換向器固定在轉軸上，換向片與轉軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。

二.直流發電機的工作原理

直流發電機的原理圖

       直流發電機是機械能轉換為直流電能的電氣設備。
       如何轉換？分以下步驟說明：
       設原動機拖動轉子以每分轉n轉轉動；
       電機內部的固定部分要有磁場。這個磁場可以是如圖示的磁鐵也可以是磁極鐵心上繞套線圈，再通過直流電產生磁場。其中 If 稱之為勵磁電流。這種線圈每個磁極上有一個，也就是，電機有幾個磁極就有幾個勵磁線圈，這幾個線圈串聯（或并聯）起來就構成了勵磁繞組。這里要注意各線圈通過電流的方向不可出錯。在以上條件下環外導體將感應電勢，其大小與磁通密度 B 、導體的有效長度 l 和導體切割磁場速度 v 三者的乘積成正比，其方向用右手定則判斷。
     但是要注意某一根轉子導體的電勢性質是交流電。而經電刷輸出的電動勢確是直流電了。這便是直流發電機的工作原理。如下動畫演示：

三.直流電動機的工作原理

　　直流電動機的原理圖
　　對上一頁所示的直流電機，如果去掉原動機，并給兩個電刷加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經過線圈abcd，從電刷 B 流出，根據電磁力定律，載流導體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導體受到的力形成了一個轉矩，使得轉子逆時針轉動。如果轉子轉到如上圖（b）所示的位置，電刷 A 和換向片2接觸，電刷 B 和換向片1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷 B 流出。
　　此時載流導體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產生的轉矩仍然使得轉子逆時針轉動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產生的轉矩的方向卻是不變的。

　　 實用中的直流電動機轉子上的繞組也不是由一個線圈構成，同樣是由多個線圈連接而成，以減少電動機電磁轉矩的波動，繞組形式同發電機。如下動畫演示：

將直流電動機的工作原理歸結如下：

　　將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導體有電流流過。
　　電機內部有磁場存在。
　　載流的轉子（即電樞）導體將受到電磁力 f 的作用 f="Blia" （左手定則）
　　所有導體產生的電磁力作用于轉子，使轉子以n(轉/分)旋轉，以便拖動機械負載。

§1.2直流電機的結構

　　這是一臺國產直流電機的結構裝配圖和結構剖面圖。旋轉電機都是由定子和轉子兩大部分組成，每一部分也都由電磁部分和機械部分組成，以便滿足電磁作用的條件。換向極用來改善換向。

　　旋轉電機 包括 定子(電磁部分,機械部分)和轉子(機械部分,電磁部分 )

　　定子：       
　　◇ 主磁極（勵磁繞組 主極鐵心）    
　　◇ 換向極（繞組和鐵心）   
　　◇ 機座    
　　◇ 端蓋  
　　◇ 電刷裝置   
　　轉子：     
　　◇ 電樞繞組
　　◇ 電樞鐵心
　　◇ 換向器
　　◇ 轉軸、風扇

　　●定子的主要部件包括：直流電機的定子由主磁極、機座、換向極、端蓋和電刷裝置等部件組成。

　　主磁極 主磁極的作用是建立主磁場。絕大多數直流電機的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構成。主磁極鐵心靠近轉子一端的擴大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，并使勵磁繞組容易固定。為了減少轉子轉動時由于齒槽移動引起的鐵耗，主磁極鐵心采用1～1.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成。主磁極上裝有勵磁繞組，整個主磁極用螺桿固定在機座上。主磁極的個數一定是偶數，勵磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按 N，S 極交替出現。
　　機座 ——機座有兩個作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機的結構框架。 機座中作為磁通通路疊部分稱為磁軛。機座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件（小型機座用鑄鐵件）制成。機座的兩端裝有端蓋。

　　換向極 ——換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極，它的作用是改善直流電機的換向情況，使電機運行時不產生有害的火花。換向極結構和主磁極類似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構成，并用螺桿固定在機座上。換向極的個數一般與主磁極的極數相等，在功率很小的直流電機中，也有不裝換向極的。換向極繞組在使用中是和電樞繞組相串聯的，要流過較大的電流，因此和主磁極的串勵繞組一樣，導線有較大的截面。

　　端蓋 —— 端蓋裝在機座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉子，將定轉子連為一體。同時端蓋對電機內部還起防護作用。

　　電刷裝置——電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置，它由電刷，刷握，刷桿和連線等部分組成，右圖所示，電刷是石墨或金屬石墨組成的導電塊，放在刷握內用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉時與換向器表面形成滑動接觸。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。每一刷桿上的一排電刷組成一個電刷組，同極性的各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。刷桿裝在可移動的刷桿座上，以便調整電刷的位置。
　　●轉子的主要部件包括：

       直流電機的轉動部分稱為轉子，又稱電樞。轉子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸、軸承、風扇等。

　　電樞鐵心 —— 電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內。為減少電樞鐵心內的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽的型號為DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成，如左圖所示。小型電機的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大型電機的電樞鐵心沖片先壓裝在轉子支架上，然后再將支架固定在軸上。為改善通風，沖片可沿軸向分成幾段，以構成徑向通風道。

　　電樞繞組——電樞繞組由一定數目的電樞線圈按一定的規律連接組成，他是直流電機的電路部分，也是感生電動勢，產生電磁轉矩進行機電能量轉換的部分。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣（右圖），并用槽楔壓緊。大型電機電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上。

　　換向器——前面已經指出，在直流發電機中，換向器起整流作用，在直流電動機中，換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機的關鍵部件之一。換向器由許多具有鴿尾形的換向片排成一個圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個V形環夾緊而構成，如圖3－10所示。每個電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊入相應換向片的升高片內。小型電機常用塑料換向器，這種換向器用換向片排成圓筒，再用塑料通過熱壓制成。