第三章直流電機的原理
本章主要介紹直流電機的結構和基本工作原理、直流電機繞組的構成、直流電機的電樞反應、直流電機繞組的電動勢和電磁轉矩、直流發電機和直流電動機的功率轉矩等內容。本章共有10節課，內容和時間分配如下：
1.掌握直流電機的結構及工作原理。（ 2節）
2.掌握直流電機繞組有關的結構。（2節 ）
3.掌握直流電機繞組的電樞反應。（1節）
4.掌握直流電機的電樞電動勢和電磁轉矩。（1節）
5.掌握直流發電機的基本方程式和執行特性、並勵發電機的條件。( 2.5節)
6.掌握直流電動機的基本方程式和執行特性。( 1.5節)
第一節直流電機的基本工作原理
一直流電機的用途
直流電動機的優點：
1 調速範圍廣，易於平滑調節
2 過載、啟動、制動轉矩大
3 易於控制，可靠性高
4 調速時的能量損耗較小
缺點: 換向困難，容量受到限制，不能做的很大。
應用: 軋鋼機、電車、電氣鐵道牽引、造紙、紡織拖動。
直流發電機用作電解、電鍍、電冶煉、充電、交流發電機勵磁等的直流電源。
二、直流電機的工作原理
原理：任何電機的工作原理都是建立在電磁感應和電磁力這個基礎上。
為了討論直流電機的工作原理，我們把複雜的直流電機結構簡化為工作原理圖。
（一）直流發電機的工作原理
1．工作原理：導體在磁場中運動時，導體中會感應出電勢e 。
e=blv。
b:磁密l：導體長度； v：導體與磁場的相對速度。
正方向：用右手定則判斷。電勢e正方向表示電位公升高的方向，與u相反。如果同一元件上e和u正方向相同時，e= -u。
理解：電磁感應原理的變形（變化的磁通產生感應電動勢）
2 發電機工作過程分析：兩磁極直流發電機的工作原理圖。
（1） 構成：
磁場：圖中 n和 s是一對靜止的磁極，用以產生磁場，其磁感應強度沿圓周為正弦分布。
勵磁繞組—— 容量較小的發電機是用永久磁鐵做磁極的。容量較大的發電機的磁場是由直流電流通過繞在磁極鐵心上的繞組產生的。用來形成n極和s極的繞組稱為勵磁繞組，勵磁繞組中的電流稱為勵磁電流if。
電樞繞組：在n極和 s極之間，有乙個能繞軸旋轉的圓柱形鐵心，其上緊繞著乙個線圈稱為電樞繞組(圖中只畫出一匝線圈)，電樞繞組中的電流稱為電樞電流ia。
換向器：電樞繞組兩端分別接在兩個相互絕緣而和繞組同軸旋轉的半圓形銅片——換向片上，組成乙個換向器。換向器上壓著固定不動的炭質電刷。
電樞：鐵心、電樞繞組和換向器所組成的旋轉部分稱為電樞。
（2）工作過程：
p1：電動勢產生
當電樞被原動機以恆速驅動，按逆時針方向轉動時，用右手定則可以判定，線圈ab和cd邊切割磁力線產生的感應電動勢的方向，則在負載與線圈構成的迴路中產生電流ia，其方向與電動勢方向相同。電流由電刷ａ流出，由電刷ｂ流回。
*電動勢與電流關係：同向
p2：換向
當電樞轉到上圖b所示位置時，ab邊轉到了s極下，cd邊轉到了n極下。這時線圈中感應電動勢的方向發生了改變，但由於換向器隨同一起旋轉，使得電刷 a總是接觸 n極下的導線，而電刷b總是接觸s極下的導線，故電流仍由a流出 b流回，方向不變。
*雖然有換向器的作用，將線圈內的交變電動勢在兩電刷間變換為方向不變的電動勢，但它的大小仍然是脈動的。欲獲得在方向和量值上均為恆定的電動勢，則應把電樞鐵心上的槽數和線圈匝數增多，同時換向器上的換向片數也要相應地增加。
（3） 電磁轉矩與能量轉換分析 ：
電磁轉矩：電樞電流 ia與磁場相互作用而產生的電磁力形成了電磁轉矩 t。
用左手定則可以判定，電磁轉矩 t的方向與電樞旋轉方向相反。因此，在電樞等速旋轉時，原動機的驅動轉矩 t1必須與發電機的電磁轉矩 t和空載損耗轉矩 t0相平衡( t0是發電機軸上的轉矩)，即t1=t+ t0
*電磁轉矩方向與轉速方向關係：反向
能量轉換：
原動機（機械能）->電磁轉矩->發電機負載（電能）
當發電機的負載(即電樞電流)增加時，電磁轉矩和輸出功率也隨之增加，這時原動機的驅動轉矩所供給的機械功率亦必須相應增加，以保持轉矩之間和功率之間的平衡。可見，發電機向負載輸出電功率的同時，原動機卻向發電機輸出機械功率，發電機起著將機械能轉換為電能的作用。
（二）直流電動機的工作原理
1．工作原理：電磁力定律
載流導體在磁場中將會受到力的作用，若磁場與載流導體互相垂直，作用在導體上的電磁力大小為： f = b·l·i
力的方向用左手定則確定
理解：電流產生磁場原理的變形（電流產生磁場）
乙個通電線圈相當於乙個具有ns極的磁體。形成電磁力。
2電動機工作過程分析：直流電動機的工作原理圖。
（1）構成：
磁場：圖中 n和 s是一對靜止的磁極，用以產生磁場，其磁感應強度沿圓周為正弦分布。
勵磁繞組—— 容量較小的發電機是用永久磁鐵做磁極的。容量較大的發電機的磁場是由直流電流通過繞在磁極鐵心上的繞組產生的。用來形成n極和s極的繞組稱為勵磁繞組，勵磁繞組中的電流稱為勵磁電流if。
電樞繞組：在n極和 s極之間，有乙個能繞軸旋轉的圓柱形鐵心，其上緊繞著乙個線圈稱為電樞繞組(圖中只畫出一匝線圈)，電樞繞組中的電流稱為電樞電流ia。
換向器：電樞繞組兩端分別接在兩個相互絕緣而和繞組同軸旋轉的半圓形銅片——換向片上，組成乙個換向器。換向器上壓著固定不動的炭質電刷。
電樞：鐵心、電樞繞組和換向器所組成的旋轉部分稱為電樞。
（2）工作過程：
p1：電磁轉矩產生
電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的旋轉軸與機械負載相聯。電流從電刷 a流入電樞繞組，從電刷b流出。電樞電流ia與磁場相互作用產生電磁力f，其方向可用左手定則判定。
這一對電磁力所形成的電磁轉矩t，使電動機電樞逆時針方向旋轉。
*電磁轉矩與電樞旋轉方向關係：同向
p2：換向
當電樞轉到上圖b所示位置時，ab邊轉到了s極下，cd邊轉到了n極下。這時線圈電磁轉矩的方向發生了改變，但由於換向器隨同一起旋轉，使得電刷 a總是接觸 n極下的導線，而電刷b總是接觸s極下的導線，故電流流動方向發生改變，電磁轉矩方向不變。
（3） 電動勢與能量轉換分析 ：
電動勢：電樞轉動時，割切磁力線而產生感應電動勢，這個電動勢(用右手定則判定)的方向與電樞電流ia和外加電壓u的方向總是相反的，稱為反電動勢ea。
它與發電機的電動勢 e的作用不同。發電機的電動勢是電源電動勢，在外電路產生電流。而ea是反電動勢，電源只有克服這個反電動勢才能向電動機輸入電流。
可見，電動機向負載輸出機械功率的同時，卻向電動機輸入電功率，電動機起著將電能轉換為機械能的作用。
*電動勢方向與電流方向關係：反向
能量轉換：
電源（電能）->電磁轉矩->負載（機械能）
比較：發電機和電動機兩者的電磁轉矩t、電動勢的作用是不同的。
發電機的電磁轉矩是阻轉矩，它與原動機的驅動轉矩t1的方向是相反的。電動機的電磁轉矩是驅動轉矩，它使電樞轉動。電動機的電磁轉矩t必須與機械負載轉矩t2及空載損耗轉矩t0相平衡，即t＝t2十t0。
發電機的電動勢是電源電動勢。電動機的電動勢是反電動勢，電源只有克服這個反電動勢才能向電動機輸入電流。
直流電機作發電機執行和作電動機執行時，雖然都產生電動勢和電磁轉矩，但兩者作用截然相反。
第二節直流電機的結構
目的：了解它們各主要部件的名稱、作用、相互組裝及動作關係。以利正確選用和使用。
電機的結構要求：
1 電磁要求: 產生磁場，感應出電動勢，通過電流，產生電磁轉矩
2機械要求：傳遞轉矩，保持堅固穩定，冷卻的要求，檢修，執行可靠。
從電機的基本工作原理知道，電機的磁極和電樞之間必須有相對運動，因此，任何電機都有固定不動的定子和旋轉的轉子兩部分組成，在這兩部分之間的間隙叫空氣隙。
一、定子
定子的作用是產生磁場和作為電機機械支撐。它由主磁極、換向磁極、電刷、機座、端蓋和軸承等組成。
(一)主磁極——產生主磁通φ。
主磁極鐵心包括極心和極掌兩部分。極心上套有勵磁繞組，各主磁極上的繞組一般都是串聯的。直流電機的磁極如圖所示。極掌的作用是使空氣隙中磁感應強度分布最為合適。
改變勵磁電流if的方向，就可改變主磁極極性，也就改變了磁場方向。
(二)換向磁極——產生附加磁場，改善電機的換向，減小電刷與換向器之間的火花，不致使換向器燒壞。
在兩個相鄰的主磁極之間中性麵內有乙個小磁極，這就是換向磁極。它的構造與主磁極相似，它的勵磁繞組與主磁極的勵磁繞組相串聯。
主磁極中性麵內的磁感應強度本應為零值，但是，由於電樞電流通過電樞繞組時所產生的電樞磁場，使主磁極中性面的磁感應強度不能為零值。於是使轉到中性麵內進行電流換向的繞組產生感應電動勢，使得電刷與換向器之間產生較大的火花。
用換向磁極的附加磁場來抵消電樞磁場，使主磁極中性麵內的磁感應強度接近於零，這樣就改善了電樞繞組的電流換向條件，減小了電刷與換向器之間的火花。
(三)電刷裝置
電刷裝置主要由用碳一石墨製成導電塊的電刷、加壓彈簧和刷盒等組成。固定在機座上(小容量電機裝在端蓋上)不動的電刷，借助於加壓彈簧的壓力和旋轉的換向器保持滑動接觸，使電樞繞組與外電路接通。
電刷數一般等於主磁極數，各同極性的電刷經軟線匯在一起，再引到接線盒內的接線板上，作為電樞繞組的引出端。
(四)機座——用來固定主磁極、換向磁極和端蓋，是電機磁路的一部分。
機座用鑄鋼或鑄鐵製成。機座上的接線盒有勵磁繞組和電樞繞組的接線端，用來對外置線。
(五)端蓋
端蓋由鑄鐵製成，用螺釘固定在底座的兩端，蓋內有軸承用以支撐旋轉的電樞。
二、轉子
轉子又稱電樞，是電機的旋轉部分。它由電樞鐵心、繞組、換向器等組成。如右圖所示。
(一)電樞鐵心
電樞鐵心由矽鋼片沖製迭壓而成，在外圓上有分布均勻的槽用來嵌放繞組。鐵心也作為電機磁路的一部分。
(二)繞組
繞組是產生感應電動勢或電磁轉矩，實現能量轉換的主要部件。它是由許多繞組元件構成，按一定規則嵌放在鐵心槽內和換向片相連，使各組線圈的電動勢相加。繞組端部用鍍鋅鋼絲箍住，防止繞組因離心力而發生徑向位移。
(三)換向器
換向器由許多銅製換向片組成，外形呈圓柱形，片與片之間用雲母絕緣。
三、銘牌和額定值
為了使電機安全而有效地執行，製造廠對電機的工作條件都加以技術規定。按照規定的工作條件進行執行的狀態叫做額定工作狀態。電機在額定工作時的各種技術資料叫做額定值，一般加下標 e表示。
這些額定值都列在電機的銘牌上，使用電機前，應熟悉銘牌。使用中的實際值，一般不應超過銘牌所規定的額定值。
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