7.2 直流电机的基本工作原理（课件）-《电机与变压器》同步精品课堂（高等教育出版社）

7.2 直流电机的基本工作原理 同步精品课堂 电机与变压器 高教版 1 学习目标 掌握电磁感应与右手定则 掌握直流发电机的基本工作原理 掌握并学会直流发电机恒定电动势的产生的内容 知识目标 能力目标 新知学习 一 、直流发电机 直流电机 直流电机，一般指换向器式直流电机。直流电机包括直流发电机和直流电动机。 它们具有 相同的结构，只是直流发电机是由原动机拖动旋转而发电，它是将机械能转换成电能的设备； 直 流电动机则是接在直流电源上，产生电磁转矩，拖动各种工作机械工作，它是将电能转变为机械 能的设备。 新知学习 一 、直流发电机 1. 电磁感应与右手定则 从物理学中可知，在磁感应强度为B的均匀磁场中，当一根有效长度为L 的导体，做垂直切 割磁感线运动时，则在导体L 上产生感应电动势。这种由于导体切割磁感线而使导体产生电动 势的现象，称为电磁感应。其感应电动势的大小计算规律，称为电磁感应定律，公式为 e =BLv 新知学习 一 、直流发电机 1. 电磁感应与右手定则 其中，v为导体的运动速度；电动势e 的方向可按右手定则确定，即伸开右手，让拇指与其余四指在同一平面内，且互相垂直。 e =BLv 新知学习 一 、直流发电机 1. 电磁感应与右手定则 将右手放入磁场中，让磁感线垂 直穿入手心，大拇指指向导体的运动方向，其余四指所指的方 向，便是导体中感应电动势的方向，如图所示。 新知学习 一 、直流发电机 2.直流发电机的基本工作原理 图所示为直流发电机原理图。两个磁极N、S建立 恒定磁场，两极中间有圆柱形铁心，称为电枢铁心，其作用是 使极掌处空气隙的磁通均匀分布。 铁心上固定着线圈abcd, 线圈的 ad 两端分别接在跟电枢铁心一起旋转的两片半圆铜 片上，这两个半圆形铜片称为换向片，它们合在一起称为换 向器。电枢铁心，铁心上固定的线圈，以及换向器组合在一 起称为电枢。电刷AB 分别与这两个换向片接触而通向外 电路。 新知学习 一 、直流发电机 2.直流发电机的基本工作原理 (1)在图7- 13(a) 中 当电枢逆时针旋转时，线圈两边 ab 与 cd 切割磁感线产生感应电动 势，方向如图7-13(a) 所示，由d→c→b→a, 电 刷A 为正极，电刷B 为负极。外电路上的电流方 向是由正极A 流出，经负载流向负极 B。可根据右手定则判断。 (a)ab 边在N极下，cd 边在S极下时的电动势方向 新知学习 一 、直流发电机 2.直流发电机的基本工作原理 (2)在图7- 13(b) 中 当电枢旋转90°时，如图7-13(b) 所示，线圈两边均处于磁场的物理 中性面上，此时线圈不切割磁感线，感应电动势为零。两电刷A、B同时与两换向片接触，把线圈 短接，线圈中也没有电流通过。 (b)ab 与cd边在物理中性面时，电动势为零 新知学习 一 、直流发电机 2.直流发电机的基本工作原理 (3)在图7- 13(c) 中 当电枢转过了物理中性面后，如图7-13(c) 所示，此时线圈的电动势 方向改变了，变成了由a→b→c→d, 电 刷A 原来与换向片1接触，变为与换向片2接触，电刷B 原来与换向片2接触，变为与换向片1接触，这样电刷A仍为正极，电刷B 仍为负极。 (c)ab 边在S极下，cd 边在N极下时的电动势方向 新知学习 一 、直流发电机 2.直流发电机的基本工作原理 线圈每转过一对磁极，其电动势方向就改变一次，但两电刷间的电动势方向是不变的，只是大 小在零与最大值之间变化。这种单线圈直流发电机，虽然可以获得恒定方向的电动势和电流，但它 们的大小是脉动的，其电动势波形图如图7-13(d) 所示。这就是直流发电机的基本工作原理。 (d) 线圈abcd产生的电动势波形e₁ 新知学习 一 、直流发电机 3.直流发电机恒定电动势的产生 上述的发电机，电动势方向虽然不变，但大小是脉动的，而且波动很大，这样的电动势是不符 合实际要求的。 要减少电动势的波动程度，可以在电枢上适当增加线圈数和换向片数。例如，在 电枢上绕两个线圈，即每隔90°就有一个线圈边 01 02 新知学习 一 、直流发电机 3.直流发电机恒定电动势的产生 在 电枢上绕两个线圈，即每隔90°就有一个线圈边，如图所示。 (a) 双线圈直流发电机 新知学习 一 、直流发电机 3.直流发电机恒定电动势的产生 这样换向后半波电动势将 相差90°,其合成的电动势波形如图7-14(b) 所示，波动程度已显著减小。实际应用的直流电机 中线圈数总是较多的，磁极对数也不只是一对，电动势的波动程度很小。 (b) 双线圈产生的电动势 新知学习 一 、直流发电机 3.直流发电机恒定电动势的产生 图所示为8个线圈直流发电机，这8个线圈绕在一个圆柱形的铁心上，换向器是由8 个换向片组成，每个线圈的两边分别接到相邻的换向片上。很明显，所有的线圈通过换向片串联 起来，构成了一个闭合绕组，两个电刷装在两磁极之间的中心线上。 (a) 原理图 新知学习 一 、直流发电机 3.直流发电机恒定电动势的产生 图所示为8个线圈直流发电机，这8个线圈绕在一个圆柱形的铁心上，换向器是由8 个换向片组成，每个线圈的两边分别接到相邻的换向片上。很明显，所有的线圈通过换向片串联 起来，构成了一个闭合绕组，两个电刷装在两磁极之间的中心线上。 (b) 接线图 新知学习 一 、直流发电机 3.直流发电机恒定电动势的产生 图所示为8个线圈直流发电机，这8个线圈绕在一个圆柱形的铁心上，换向器是由8 个换向片组成，每个线圈的两边分别接到相邻的换向片上。很明显，所有的线圈通过换向片串联 起来，构成了一个闭合绕组，两个电刷装在两磁极之间的中心线上。 (c)波形图 新知学习 一 、直流发电机 3.直流发电机恒定电动势的产生 图所示为8个线圈直流发电机，这8个线圈绕在一个圆柱形的铁心上，换向器是由8 个换向片组成，每个线圈的两边分别接到相邻的换向片上。很明显，所有的线圈通过换向片串联 起来，构成了一个闭合绕组，两个电刷装在两磁极之间的中心线上。 (d)(瞬间)并联支路图(a=1) 新知学习 一 、直流发电机 3.直流发电机恒定电动势的产生 因此，电刷A、B间的电动势始终为处于N极(或S 极)范围内所有线圈电动势之 和，也就是说，无论电枢转到什么位置，由于线圈的相互替换，换向器的换向作用，电刷A、B间的 电动势的方向总是恒定的，即直流电动势，并且是最大的直流电动势。 3 又由于线圈是经换向器串联在一起的，通过电刷将闭合绕组分成两部 分并联。在旋转时，大部分时间有两个线圈被电刷短路，况且被短路的两个线圈正处于不产生感 应电动势的位置上。这样两个线圈组并联称为并联支路数a=1, 此时采用一对电刷，如图 7-15(d) 所示。 2 当原动机带动电枢旋转时，每个线圈的有效边都不断地交替切割N极和S 极磁通，不论电枢 转到什么位置，N极范围内所有线圈边的电动势都具有相同的方向，S极范围内所有线圈边的电 动势也具有相同的方向。 1 新知学习 一 、直流发电机 3.直流发电机恒定电动势的产生 由此可知，每个磁极范围内的线圈数越多，电动势的波动就越小。 实践和分析都表明， 当每个磁极范围内的导体数目大于8时，电动势的波动程度就小于1%,实际上发电机线圈 数是很多的，换向片数也很多，换向后得到的电动势波动程度很小，可以认为是恒定的直流 电动势。 01 02 新知学习 二 、直流电动机 1.直流电动机工作的理论基础 直流电动机工作的理论基础是基于电磁力定律，即通电导体在磁场中会受到力的作用。在 磁感应强度为B的磁场中，放置一条长度为L的导体，且与磁感线方向垂直。若在导体L中通以电流I, 则作用在载流导体上的电磁力为 F=BIL 新知学习 二 、直流电动机 1.直流电动机工作的理论基础 方向可按左手定则来确定。如图所示，伸开左手，让 拇指和其余四指在同一平面内且互相垂直，将左手放入磁场中， 让磁感线垂直穿入手心，令四指指向电流方向，拇指所指示的方 向就是导体的受力方向。 新知学习 二 、直流电动机 2. 直流电动机的基本工作原理 图所示为直流电动机的工作原理示意图。基本结构 与直流发电机完全相同。将直流电源的正负极通过电刷 A、B与电机接通。 (1)在图(a)中在图(a)所示的瞬间，直流电流通过电刷A、换向片1、线圈 ab 和 cd, 最后经换向片2及电刷B回到电源的负极。 (a) 受力最大之一 新知学习 二 、直流电动机 2. 直流电动机的基本工作原理 (2)在图(b)中当电枢转过90°时，两个线圈边都转到磁感应强度B=0 的位置，此时线圈边不受磁场力的作用，转矩消失，如图(b)所示。 (b) 中性面受力最小(为0) 新知学习 二 、直流电动机 2. 直流电动机的基本工作原理 (3)在图(c)中由于电枢机械惯性的作用，转矩虽为零，电枢也能转过一定角度， 这时线圈改变了电流方向，电流流经的途径是通过电刷A、换向片2、线圈边dc 和 ba, 最后经 换向片1及电刷B回到电源的负极。这时两个线圈边受力的方向仍旧使电枢沿逆时针方向旋 转，如图(c)所示。 (c) 受力最大之二 新知学习 二 、直流电动机 2. 直流电动机的基本工作原理 从以上分析可以知道，一个线圈边从一个磁极范围经过中性面转到相邻异性磁极范围时，通 过线圈的电流方向改变一次，电枢的转动方向仍保持不变。 改变线圈中电流方向是换向器和电 刷完成的。当然，在实际直流电动机中，有许多个线圈牢固地嵌在电枢铁心槽中。 当线圈通过电 流，在磁场中因受力而运动时，就带动整个电枢旋转，通过转轴便可带动其他工作机械。这就是 直流电动机的基本工作原理。 新知学习 二 、直流电动机 3.直流电动机恒定转矩的产生 要保证电动机连续平稳地旋转，单靠一对换向器是不可能实现的。 为了使载流导体在磁场中所受到的电磁力形成一种方向不变，大小也不变的恒定转矩，则要增加换向片数来解决。 如果 每极换向器片数增至8片以上(相应也要增加线圈数),就可以使转子上得到的转矩，从脉动的 转矩变成几乎不变的恒定转矩。 新知学习 三、直流电机的可逆性 所不同的是外界所加的条件不同。用动力机械带动直流电机旋转，它就 成为发电机； 所以一台直流电机，既可作为发电机运行，也可作为电动机运行。其内部运行机制仅仅 是电流方向发生了改变，这就是直流电机的可逆性。 若给直流电机电枢通电，直流电机就旋转，输出转矩，带动其他机械旋转，它就成为 电动机。 从直流发电机和直流电动机的基本原理可知，直流发电机和直流电动机在结构上是相同的， 两者没有本质的区别。 01 02 03 04 1.直流电机的转子通常由什么材料制成？ A. 铁 B. 铜 C. 铝 D. 塑料 课堂练习 答案：B. 铜 解析：直流电机的转子（也称为电枢）通常由铜或铜合金制成，因为铜具有良好的导电性，可以减少电阻损失，提高电机效率。 2.下列哪个部件不是直流电动机定子的组成部件？ A. 主磁极 B. 换向极 C. 风扇 D. 机座 课堂练习 答案：C 3.下列哪个部件是直流电动机定子的组成部件？ A. 电枢绕组 B. 换向极 C. 风扇 D. 轴 课堂练习 答案：B 4.下列哪个部件是直流电动机转子的组成部件？ A. 主磁极 B. 换向极 C. 电枢铁芯 D. 机座 课堂练习 答案：A 5.直流电动机运行时，电刷与换向器的作用是使电枢线圈中的： A. 电流方向不变，电磁力方向不变 B. 电流方向改变，电磁力方向不变 C. 电流方向改变，电磁力方向改变 D. 电流方向不变，电磁力方向改变 课堂练习 答案：B 6.直流发电机运行时，电刷与换向器的作用是使电刷间： A. 感应电动势极性不变，输出电流方向不变 B. 感应电动势极性改变，输出电流方向不变 C. 感应电动势极性改变，输出电流方向改变 D. 感应电动势极性不变，输出电流方向改变 课堂练习 答案：B 7.直流发电机正常运行中电动势与转矩的作用和性质是： A. 电源电动势、驱动转矩 B. 反电动势、驱动转矩 C. 电源电动势、阻转矩 D. 反电动势、阻转矩 课堂练习 答案：D 8.直流电动机正常运行中中电动势与转矩的作用和性质是： A. 电源电动势、驱动转矩 B. 反电动势、驱动转矩 C. 电源电动势、阻转矩 D. 反电动势、阻转矩 课堂练习 答案：B 课堂小结 1.简述直流发电机的基本工作原理。 2.简述电磁感应与右手定则。 3.简述直流发电机恒定电动势的产生。 作业布置 感谢观看 $$