直流电机工作原理、结构、励磁方式、额定值

直流电机的工作原理和结构

直流电机是本课程学习的最后一种机种，在前面讲述变压器、异步电机、同步电机的过程中，我们不断地采用了归纳、类比、找出异同点的讲授方法，是希望大家通过这样的学习，能逐步训练自己掌握一种善于不断归纳、总结；善于采用类比、比较、找出异同点的学习方法，这种分析问题、解决问题的方法不但对学习电机、对学习其他课程、甚至对将来参加工作都是十分有用的，这是一种良好的学习、工作、生活方法和习惯。在学习直流电机过程中，我们继续尝试采用这样的方法。

直流电机分直流发电机和直流电动机，其中：直流发电机是把机械能转变为直流电能、直流电动机是把直流电能转变为机械能。

与前面介绍过的各种电机比较，它们各有异同之处：

1.由于发电机都是把机械能转变为电能，因此机械转矩都是驱动转矩、电磁转矩都是制动转矩，因此直流发电机的转矩平衡方程式将与交流（同步）发电机相同，均为：T 1＝T +T 0；所对应的功率平衡方程式也将相同：P 1＝P M ＋P 0；其中：T 1＝

119550P P n =Ω；T ＝9550M M P P n =Ω； T 0＝009550p p n

=Ω；n 是转子转速，对同步机n ＝n 1。相异的只是P M 的表达式有所不同。 同理，由于电动机都是把电能转变为机械能，因此电磁转矩都是驱动转矩、机械转矩都是制动转矩，因此直流电动机的转矩平衡方程式应与异步电动机、同步电动机相同，均为：T ＝T 2+T 0；其中：T 2＝229550P P n =Ω；T 0＝009550p p n =Ω；n 是转子转速；T ＝119550M M P P n =Ω，n 1是转子旋转磁场的转速，对直流机和同步机也是转子转速，相异的同样是三种机种的P M 表达式各有区别。

比如：已学过的异步机P M ＝''2

223r I s ；隐极同步机P M ＝3 U 1 I 1cos φ＝3；而直流电动

机的将为：P M ＝E a I a 。

2．由于无论任何旋转机种，电磁转矩都是电磁力乘以半径，电磁力就是载流导体在磁场

中所受的力，因此异步机的电磁转矩物理表达式'221cos T m T C I φϕ=ΩM P ＝

与直流机的电磁转矩表达式T m a T C I φ=Ω

M P ＝也是极为相似。相异的只是交流电流只有其有功分量'22cos I ϕ才能产生转矩，而直流电流I a 并无有功、无功分量之分。

3．我们曾提到过异步机和变压器都是属单边励磁的，即只有原边或定子接电源，副边和转子都不接电源，因此它们之间从感应电势表达式到等值电路、方程式、相量图都有很多相似之处。而同步电机和直流电机都是双边励磁的，即定子和转子都接电源，因此它们的磁场也有很相似之处。它们其中一边都是电枢磁场、另一边都是主极磁场，当电机空载时，都只有主极磁场；当电机负载时，除了有主极磁场外还有电枢磁场，电枢磁场对主极磁场的影响都称之为电枢反应，因此同步机有电枢反应，直流机也将有电枢反应。

相异的是：同步机的电枢是交流的，直流机的电枢是直流的，交流磁场与直流磁场的电枢反应性质是不同的。此外，同步机的定子是电枢、转子是主磁极；直流电机刚好相反：定子是主磁极、转子是电枢。

在学习直流电机的过程，提请大家注意上述归纳总结的异同点。

一．直流电机的工作原理

（一）直流发电机工作原理

看如图的电机模型：空间有一对固定不动的磁极，中间有一个旋转的铁磁圆柱体，上 面敷设着一个线圈abcd

发电机是把机械能转变为电能，当原动机拖动铁磁圆柱体旋转时，线圈导体就会切割磁力线感生电势。

若圆柱体旋转的方向为逆时针，当ab边在N极下时，据右手定则，感应电势方向从d →c→b→a；若带上负载电阻R AD，电阻的A端固定接线圈a端，D端固定接线圈d端，则负载电流方向从A→D，如图蓝色箭头方向。

当圆柱体转过1800以后，cd边转到N极下，则据右手定则，感应电势方向从a→b →c→d，由于负载电阻的A端固定接线圈a端，D端固定接线圈d端，则负载电流方向从D→A，如图红色箭头方向。可见，由负载得到的是交流电流而不是直流电流。

ab边在N极下时——线圈电势d→c→b→a——负载电流A→D

cd边在N极下时——线圈电势a→b→c→d——负载电流D→A

原因是：由于磁极的极性没有变、原动机旋转方向没有变，由右手定则可知，N极下的导体电势肯定都是指出来、S极下的电势肯定都是指进去的。因此，在电机旋转过程中，每条线圈边在转过N极和S极时电势都要交变一次，即线圈中的电流其实是交流电流。

故若把电阻负载的两端固定接线圈的两端，负载所得到的自然同样是交流电流。

为了使流经负载的电流为直流，唯有令负载的一端固定接N极下的导体，负载的另一端固定接S极下的导体，即无论哪根导体转到N极下，这根导体就接到负载A端，无论哪根导体转到S极下，这根导体就接到负载的D端。要实现这个目的必须借助电刷和换向器，如图：

线圈a端和d端分别接到两片相互绝缘的铜片上，称之为换向片，所有换向片随电机轴旋转称为换向器。

电刷是固定不动的，令负载电阻的A端固定接电刷A，负载电阻的D端固定接电刷D。

则加上电刷和换向器后，

ab边在N极下时——线圈电势d→c→b→a——负载电流A→D

cd边在N极下时——线圈电势a→b→c→d——负载电流A→D

可见：虽然线圈的电流仍为交流，负载的电流却是直流。

因此，直流发电机的工作原理是：导体切割磁力线感生电势，通过电刷和换向器的作用，使负载的一端固定接N极下的导体，而负载的另一端固定接S极下的导体，从而使电机虽然线圈中的电流是交流，在负载却得到了直流电。

（二）．直流电动机工作原理

仍然是上图的电机模型，电动机是把电能转变为机械能。若直流电源的正极固定接线圈的a端，负极固定接线圈的d端，当ab边在N极下时，线圈通入如蓝色箭头方向的直流电流a→b→c→d，根据载流导体在磁场中受电磁力的作用，方向符合左手定则，则电磁力为逆时针方向；

当线圈逆时针转过1800以后，cd边转到N极下，由于a端固定接正极，d端固定接负极，故线圈的电流方向如红色箭头示a→b→c→d，由左手定则可知，线圈所受的电磁力为顺时针方向；即线圈所受的电磁力方向是交变的，故线圈只能来回晃动，不能单方向旋转。

ab边在N极下时——线圈电流a→b→c→d——电磁力逆时针

cd边在N极下时——线圈电流a→b→c→d——电磁力顺时针

原因是：磁极的极性没有变，要想产生单方向的电磁力，同一极性下导体的电流一定要是单方向的。如今由于线圈a端固定接电源正极、d端固定接负极，则ab边转到N极下时，电流是从N极流进S极流出，但当ab边转到S极下时，电流又变成从S极流进N 极流出，因而产生的电磁力就是交变的了。解决办法也是采用电刷与换向器。