直流发电机的工作原理
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直流发电机的原理及应用
• 发电机：直流发电机、交流发电机、同步 发电机、异步发电机。
• 虽然发动机的总类很多，但其工作原理都 是基于电磁感应定律和电磁力定律。因此 其一般的原则是，用适当的导磁和导电材 料构成互相进行电磁感应的磁路和电路， 以产生电磁功率，达到能量转换的目的。
一、直流发电机的工作原理
如图1所示，在2个固 定的磁极N、S之间， 放着一个可以旋转的 圆柱形铁芯，铁芯上 固定着线罔abcd，线 圈a、d两端分别接在 2个与铁芯一起旋转 且互相绝缘的半铜环 上，经过2个固定不 变的电刷A、B与电
路相连。
当原动机拖动圆柱形铁芯在磁场中旋转时，线圈 便随着铁芯在磁场罩转动，线圈中就会产生交变 的感应电动势，经过2个互相绝缘的半圆铜环和 电刷的作用后，便成为外电路中的直流电。这种 能在磁场中转动的线圈是实现机电能量变换的枢 纽，所以直流电机转子又称为电枢。2个半网形 的铜环(铜片)就叫换向片，它们合在一起叫做换 向器。
二、直流发电机的结构
1、定子部分
(1)主磁极的作用是产生励磁磁场。它由主磁极铁芯和励磁绕 组2个部分组成。
(2)换向极的作用是改善换向，减小电刷与换向器产生的换向 火花，一般装在两相邻的主磁极之间。
(3)机座。电机定子的外壳称为机座，作用有2个：一是用来 固定磁极；二是机座本身也是磁路的一部分。机座一为铸 钢件或钢板焊接而成。
1、单叠绕组四级直流电机电枢电路
• 从图2可看出，4个电刷将20个串联成一个闭 合回路的元件划分成4个支路，每个支路中的 元件电动势相加，得到支路最大电动势，也 就是电枢电动势，将同极性的电刷连接起来， 靠电刷、换向器引出外电路来，就形成向外 电路供电的2个极A(+)和B(一)。从图2中还可 以看到有4个元件被电刷短路，各支路中不包 括它们的电动势。被短路的元件正处在磁极 的中性面上，不产生感应电动势，所以不会 影响支路总电动势的数值，每条支路的最大 电动势是一个极下面的各元件感应电动势的 总和。虽然当电枢旋转时，一个极下的元件 不断变化，但是电刷的位置却是固定的，所 以组成一条支路的元件数目不变，总电动势 的数值不变。
图1中感应电动势的方向按右手定则确定，由 于电枢连续旋转，线圈边ab和cd交替地切割 N极和s极下的磁力线。每个线圈边和整个线 圈中的感应电势的方向是交变的，线圈内的感 应电势是交流电势，而在电刷A、B端的电势 却为直流电势(确切来说，是方向不变的脉振 电势)，因为在电枢转动过程中，无论电枢转 到什么位置，在换向器的换向作用下，电刷A 通过换向片所引出的电势始终是切割N极磁力 线的线圈边中的电势，因此电刷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的，但大小变化的脉振电
势。如果每极下的线圈数目愈多，电势的脉振 就愈小。
实践和分析表明，当每个磁极范围内的导体数 目大于8时，电势的脉振程度就小于l％。实际 上直流发电机线圈数是很多的，换向片数也很 多，换向后得到的电势脉振程度很小，完全可 以认为是恒定的直流电动势。以上说明了直流 发电机的工作原理。同时也说明了直流发电机 实际上是带有换向器的交流发电机。
(4)电刷装置。电刷装置的作用是用来引出直流电压或电流的。
2、转动部分（电枢）
(1)电枢铁芯。电枢铁芯是主磁路的主要部分，同时 用以嵌放电枢绕组。
(2)电枢绕组。在直流发电机中，电枢绕组的作用是 产生感应电动势，同时它是进行能量变换的关键 部件，所以叫电枢。
(3)换向器。在直流发电机中，换向器配合电刷，能 将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正负 电成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。
• (4)复励直流电机。复励直流电机有并励和串励2个绕组， 若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方 向相同称为积复励、若两2个磁通方向相反，则称为差 复励。不同励磁方式的直流电机有着不同的特性，一 般直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和复 励式。
四、流发电机运行原理
• 以电路、力学、能量守恒的基本定律为基础，建立直流电 • 机电压、转矩、功率3个平衡方程(稳态)。 • 电压平衡方程：EI=U+I凡，IR含绕组内阻和电刷压 • 降。 • 转矩平衡方程：T。=To+7k，T，、T0、，II绷分别为输入机械 • 转矩、阻转矩和电磁转矩。 • 功率平衡方程：①机械功率平衡方程：Pl-P。+Po，P，为 • 输入机械功率，P0、P0分别为电枢电功率和空载损耗功率。 • ②电功率平衡方程：P0=P2+P删，P2为输出功率。P瞰为电枢 • 铜损。③功率流程如图6所示。
⑷转轴。转轴起转子旋转的支撑作用，需要有一定 的机械强度和刚度。一般用圆钢加工而成。
三、直流发电机的电路和磁路
• 直流发电机的电路包括电枢电路和励磁支路。 直流电机电枢绕组的基本形式有2种，一种叫单 叠绕组；另一种叫单波绕组。
• 本文仅以单叠绕组为例。单叠绕组连接的特点 是元件2个出线端连接于相邻的2个换向片上， 所有相邻元件依次串联，即后一元件的首端与 前一元件的末端联在一起，并接在一换向片上。 最后一个元件的末端与第一个元件的首端连在 一起，形成一个闭合回路。这样，这种绕组的 任何2个紧相串联的后一个元件的端接部分紧叠 在前一个元件的端接部分上，同时元件2个出线 端所联的换向片之间的距离等于—个换向片的 宽度，所以这种绕组称为单叠绕组。
2、直流发电机的励磁支路
• ⑴他励直流电机。励磁绕组与电枢绕组无连接关系， 而由其他直流电源对励磁绕组供电的电机称为他励直 流电机，永磁直流电机可看作他励直流电机。
• (2)并励直流电机。并励直流电机的励磁绕组与电枢绕 组机并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来 的端电压为励磁绕组供电。
• (3)串励直流电机。串励直流电机的励磁绕组与电枢绕 组串联后，再接于直流电源，这种直流电机的励磁电 流就是电枢电流。
五、直流发电机的应用
• 发电机：直流发电机、交流发电机、同步 发电机、异步发电机。
• 虽然发动机的总类很多，但其工作原理都 是基于电磁感应定律和电磁力定律。因此 其一般的原则是，用适当的导磁和导电材 料构成互相进行电磁感应的磁路和电路， 以产生电磁功率，达到能量转换的目的。
一、直流发电机的工作原理
如图1所示，在2个固 定的磁极N、S之间， 放着一个可以旋转的 圆柱形铁芯，铁芯上 固定着线罔abcd，线 圈a、d两端分别接在 2个与铁芯一起旋转 且互相绝缘的半铜环 上，经过2个固定不 变的电刷A、B与电
路相连。
当原动机拖动圆柱形铁芯在磁场中旋转时，线圈 便随着铁芯在磁场罩转动，线圈中就会产生交变 的感应电动势，经过2个互相绝缘的半圆铜环和 电刷的作用后，便成为外电路中的直流电。这种 能在磁场中转动的线圈是实现机电能量变换的枢 纽，所以直流电机转子又称为电枢。2个半网形 的铜环(铜片)就叫换向片，它们合在一起叫做换 向器。
二、直流发电机的结构
1、定子部分
(1)主磁极的作用是产生励磁磁场。它由主磁极铁芯和励磁绕 组2个部分组成。
(2)换向极的作用是改善换向，减小电刷与换向器产生的换向 火花，一般装在两相邻的主磁极之间。
(3)机座。电机定子的外壳称为机座，作用有2个：一是用来 固定磁极；二是机座本身也是磁路的一部分。机座一为铸 钢件或钢板焊接而成。
1、单叠绕组四级直流电机电枢电路
• 从图2可看出，4个电刷将20个串联成一个闭 合回路的元件划分成4个支路，每个支路中的 元件电动势相加，得到支路最大电动势，也 就是电枢电动势，将同极性的电刷连接起来， 靠电刷、换向器引出外电路来，就形成向外 电路供电的2个极A(+)和B(一)。从图2中还可 以看到有4个元件被电刷短路，各支路中不包 括它们的电动势。被短路的元件正处在磁极 的中性面上，不产生感应电动势，所以不会 影响支路总电动势的数值，每条支路的最大 电动势是一个极下面的各元件感应电动势的 总和。虽然当电枢旋转时，一个极下的元件 不断变化，但是电刷的位置却是固定的，所 以组成一条支路的元件数目不变，总电动势 的数值不变。
图1中感应电动势的方向按右手定则确定，由 于电枢连续旋转，线圈边ab和cd交替地切割 N极和s极下的磁力线。每个线圈边和整个线 圈中的感应电势的方向是交变的，线圈内的感 应电势是交流电势，而在电刷A、B端的电势 却为直流电势(确切来说，是方向不变的脉振 电势)，因为在电枢转动过程中，无论电枢转 到什么位置，在换向器的换向作用下，电刷A 通过换向片所引出的电势始终是切割N极磁力 线的线圈边中的电势，因此电刷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的，但大小变化的脉振电
势。如果每极下的线圈数目愈多，电势的脉振 就愈小。
实践和分析表明，当每个磁极范围内的导体数 目大于8时，电势的脉振程度就小于l％。实际 上直流发电机线圈数是很多的，换向片数也很 多，换向后得到的电势脉振程度很小，完全可 以认为是恒定的直流电动势。以上说明了直流 发电机的工作原理。同时也说明了直流发电机 实际上是带有换向器的交流发电机。
(4)电刷装置。电刷装置的作用是用来引出直流电压或电流的。
2、转动部分（电枢）
(1)电枢铁芯。电枢铁芯是主磁路的主要部分，同时 用以嵌放电枢绕组。
(2)电枢绕组。在直流发电机中，电枢绕组的作用是 产生感应电动势，同时它是进行能量变换的关键 部件，所以叫电枢。
(3)换向器。在直流发电机中，换向器配合电刷，能 将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正负 电成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。
• (4)复励直流电机。复励直流电机有并励和串励2个绕组， 若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方 向相同称为积复励、若两2个磁通方向相反，则称为差 复励。不同励磁方式的直流电机有着不同的特性，一 般直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和复 励式。
四、流发电机运行原理
• 以电路、力学、能量守恒的基本定律为基础，建立直流电 • 机电压、转矩、功率3个平衡方程(稳态)。 • 电压平衡方程：EI=U+I凡，IR含绕组内阻和电刷压 • 降。 • 转矩平衡方程：T。=To+7k，T，、T0、，II绷分别为输入机械 • 转矩、阻转矩和电磁转矩。 • 功率平衡方程：①机械功率平衡方程：Pl-P。+Po，P，为 • 输入机械功率，P0、P0分别为电枢电功率和空载损耗功率。 • ②电功率平衡方程：P0=P2+P删，P2为输出功率。P瞰为电枢 • 铜损。③功率流程如图6所示。
⑷转轴。转轴起转子旋转的支撑作用，需要有一定 的机械强度和刚度。一般用圆钢加工而成。
三、直流发电机的电路和磁路
• 直流发电机的电路包括电枢电路和励磁支路。 直流电机电枢绕组的基本形式有2种，一种叫单 叠绕组；另一种叫单波绕组。
• 本文仅以单叠绕组为例。单叠绕组连接的特点 是元件2个出线端连接于相邻的2个换向片上， 所有相邻元件依次串联，即后一元件的首端与 前一元件的末端联在一起，并接在一换向片上。 最后一个元件的末端与第一个元件的首端连在 一起，形成一个闭合回路。这样，这种绕组的 任何2个紧相串联的后一个元件的端接部分紧叠 在前一个元件的端接部分上，同时元件2个出线 端所联的换向片之间的距离等于—个换向片的 宽度，所以这种绕组称为单叠绕组。
2、直流发电机的励磁支路
• ⑴他励直流电机。励磁绕组与电枢绕组无连接关系， 而由其他直流电源对励磁绕组供电的电机称为他励直 流电机，永磁直流电机可看作他励直流电机。
• (2)并励直流电机。并励直流电机的励磁绕组与电枢绕 组机并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来 的端电压为励磁绕组供电。
• (3)串励直流电机。串励直流电机的励磁绕组与电枢绕 组串联后，再接于直流电源，这种直流电机的励磁电 流就是电枢电流。
五、直流发电机的应用