由于换向片和电刷的作用,转到N极下的cd边中电流方向也 变了,电磁力的方向仍然不变,线圈仍按逆时针方向转动。 从以上的分析可以看到要使线圈按照一定的方向旋转,关 键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内 时(也就是导体经过中性面后),导体中电流的方向也要同时改 变、换向器和电刷就是完成这个任务的装置。在直流发电机中 换向器和电刷的任务是把线圈中的交流电变为直流电向外输 出;而在直流电动机中,则用换向器和电刷输入的直流电变为 线圈中的交流电。可见,换向器和电刷是直流电机中不可缺少 的关键部件。 在实际的直流电动机中,有许多个线圈牢固地嵌在电枢铁 心槽中,当导体中通过电流在磁场中因受力前转动时,带动整 个电枢旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。 2.直流电机的电枢绕组 直流电机绕组有励磁绕组(并励、串励)、电枢绕组、换向 极绕组和补偿绕组。 电枢绕组是直流电机重要的部件。感应电势和电磁转矩均 在电枢绕组中产生,它是由许许多多的电枢元件连接起来组成 的,电枢元件是一个一匝或者多匝的线圈,它们的形状如图2 9所示每个元件有两个直线边放在电枢铁心的槽内(图2-10) 这一部分用以切割磁力线,产生感应电动势,叫做有效边,元 件在槽外的部分则处在电机气隙磁场之外,只起连接作用,叫 做端接部分。 当绕组元件的一个有效边处于N极范围內,另一个有效边 处于S极范围内时,两条有效边中产生的感应电动势相加起来 最大。在电枢铁心表面上,相邻异性磁极的中心线之间的距离, 叫做极距,用字母r表示。绕组元件的两条有效边之间的距离应
a)单匝叠绕线圜(b)多匝叠绕线團(c)波绕线圈 图2-9绕组元件 该等于极距,才能使元件得到 最大的感应电动势(电枢绕组 的导体是放在槽里的,而每一 极距内的槽数。5z是电枢上 的总槽数,P是极对数,它不 定是整数。如果是整数,元 图2-10绕组元件在电 件有效边之间的距离恰好等于 抠铁心掉内的放置 极距,这种元件叫做“整距”元 件。在有些情况下,2F不等于整数,元件有效边之间的距离就 大于或小于极距。大于一个极距的叫做“长距”元件,小于 个极距的叫做“短距”元件 直流电机电枢绕组元件在电枢铁心槽内部分成上下两层, 元件的一个有效边放在一个槽内,占着槽的上层,叫做元件的 “土层边”;另一个有效边放在另一槽的下层,叫做元件的“下 层边”。相邻的槽内放着另一个绕组元件,如图2-11所示。这个 图是从电机轴的方向来看绕组的,图此只能看到放在槽中的元 件上层边和下层边的截面,画在电枢外面的连接线是绕组元件 的端接部分,实线是上层边的端接部分,虚线是下层边的端接 15
16O 图211绕组元件在电枢上的排列方式 部分。显然,绕组元件的端接部分实际上是在电枢的背面。从 图21还可以看出,同一个绕组元件的两个有效边分别放在异 性磁极的对应位置上(-个在上层,一个在下层),它们之间刚 好相距一个极距。所有的绕组按照上面所说的方法依次排列下 去,直到填满所有铁心槽。一般情况下,绕组元件数和电枢铁 心槽数相同。 台电机内有很多个绕组元件,依次放在电枢铁心槽内,这 些绕组元件是怎样连接起来的呢?绕组的连接方式很多,这里 只简单介绍单叠绕组图2-9(a)和(b)是这种绕组元件的形 状 单叠绕组的连接方法是把第一个元件的下层边与第二个元 件的上层边通过换向片连接在一起,并且第二个元件就在第一 个元件相邻的槽内,如图2-11所示,槽内导体与换向片之间实 线表示绕组元件上层边与换向片之间的连接线,虚线表示元件
下层边与换向片的连接线。按照这个次序连接下去,最后一个 元件的下层边与第一个元件的上层边通过最后一个换向片连接 成闭合回路。可见每个换向片上都接着两个元件的端头,即 个元件的始端和另一个元件的末端。因此,绕组元件的数目和 换向片的数目相等。 直流电动杋的电枢电动势 直流电机作为发电机运行时,由原动机拖动电枢在主磁场 中旋转,电枢中产生感应电动势,向外电路输出电能。也就是 说,直流发电机是一个直流电源,这时的电枢电动势是电源电 动势,与负载接通时,就有电枢电流L流过电枢绕组和负载。 当直流电机作为电动机运行时,转动的电枢也是在主磁场 中运动,因此,电枢绕组中也要产生感应电动势。 图2-12是直流电动机的工作原理图,外电源电压U的极 性如图所示,此时电枢导体中的电流方向是从电刷A流入,沿 N 一电动势方向 电流方向 图2-12直流电动机电枢绕组中的反电动势 17
a→b→c→d方向从电刷B流出。用电动机左手定则判断,电枢 导体按逆时针方向在主磁场中运动,导体中也要产生感应电动 势。根据发电机右手定则判断,电动势Ea的方向与电枢导体中 电流L的方向相反,所以叫做反电动势。电源要向电枢输入电 流,就必须克服反电动势的作用。 虽然发电机的电源电动势和电动机的反电动势意义不同, 但它们的物理本质却相同,都是根据电磁感应原理产生的,因 此在计算方法上也相同。 4.直流电动机的电磁转矩 在直流电动机的电枢绕组中通过电流时,由于磁场的作用 产生了电磁力,于是就产生了电磁转矩。在电动机中电磁转矩 可用公式表示 Mm= CyI 式中Mm电动机的电磁转矩,单位是牛顿·米(N·m); CM-电动机的转矩常数,是一个仅与电动机结构有关 的常数; φ——每个磁极的气隙磁通,单位是韦(W); a一电枢电流,单位是安(A)。 若将上式除以9.81,转矩的单位就是千克力米(kgm) 从上式可以知道,当气隙磁通不变时,电枢电流愈大,电 磁转矩愈大。同样,当电枢电流一定时,气隙磁通愈大,得到 的转矩愈大 在发电机中电磁转矩与电枢的转向相反,对电枢起制动作 用,是制动转矩(又叫阻转矩)。原动机必须克服制动转矩M, 的反作用,才能使发电机发出电来。而在电动机里电枢绕组接 在直流电源上,如图2-13所示,所以电枢绕组中有电流流过,电 枢电流在气隙磁场中受到电磁力F的作用而产生电磁转矩