专题三十七 直流电机的基本工作原理（课件）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题三十七 直流电机的基本工作原理 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 掌握设备的工作原理属于直流发电机还是直流电动 直流电机“可逆性”的具体含义 直流电动机能够持续转动的关键结构是什么？其作用是如何实现的 考纲解读—考试要求 能结合生活或生产实例，解释直流电机“可逆性”的含义，明确同一台电机在不同条件下的两种运行模式。 能阐述直流电动机实现持续转动的关键结构（换向器）及其工作过程，说明该结构如何解决线圈在平衡位置无法持续受力的问题。 能准确区分直流发电机与直流电动机，根据能量转换方向，判断具体设备对应的电机类型。 4 考纲解读—易考题型 结合实例解释电机可逆性，体现知识应用能力。 实操分析题 直流电动机的关键结构及功能、电机可逆性的核心逻辑。 例题：直流电动机能持续转动，关键依赖于______。 填空题 区分直流发电机与直流电动机的核心特征（能量转换方向）。 例题：下列设备中，工作原理属于直流发电机的是（ ） 选择题 5 知识点梳理和重点概念复习—知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 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 (7-1) 其中,"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。将右手放人磁场中,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7-12所示。 一、直流发电机 知识点梳理和重点概念复习 2.直流发电机的基本工作原理 图7-13所示为直流发电机原理图。两个极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。 一、直流发电机 知识点梳理和重点概念复习 (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→e→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。 (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。 一、直流发电机 知识点梳理和重点概念复习 (3)在图7-13(e)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。 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。 一、直流发电机 知识点梳理和重点概念复习 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,如图7-14(a)所示。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。 一、直流发电机 知识点梳理和重点概念复习 图7-15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。 一、直流发电机 知识点梳理和重点概念复习 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。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。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。 一、直流发电机 知识点梳理和重点概念复习 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1,则作用在载流导体上的电磁力为 F = BIL 方向可按左手定则来确定。如图7-16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:让磁感线垂直穿人手心,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。 二、直流电动机 知识点梳理和重点概念复习 2.直流电动机的基本工作原理 图7-17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。 二、直流电动机 知识点梳理和重点概念复习 在图7-17(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7-17(b)所示。 在图7-17(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。载流导体ab和cd在磁场中要受到磁场力的作用。根据左手定则,线圈ab受力向左,线圈cd 受力向右,这样就产生一个转矩,使电枢沿逆时针方向旋转。 二、直流电动机 知识点梳理和重点概念复习 在图7-17(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7-17(c)所示。 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。 二、直流电动机 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、直流电动机 知识点梳理和重点概念复习 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。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: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。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。 三、直流电机的可逆性 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：提供磁场是定子的作用，改变电流方向是换向器的作用，传导电流是电刷的作用；转子由线圈组成，在外力驱动下转动，切割定子产生的磁场，从而产生感应电流，故选B。 1.直流发电机中，转子的主要作用是（ ） A. 提供磁场 B. 切割磁感线产生感应电流 C. 改变电流方向 D. 传导电流 20 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：A、B、D均体现同一电机的两种功能（可逆性）；C说法错误，直流发电机在接入电源、满足条件时也可作为电动机驱动设备，并非只能发电，故选C。 2.下列关于直流电机可逆性的应用，错误的是（ ） A. 电动汽车能量回收 B. 电动工具既能电动运转，也能手动发电 C. 直流发电机只能发电，不能驱动设备 D. 应急手电筒，按压时发电，通电时发光（电机辅助） 21 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：直流电动机中，电源电压升高会使线圈中的电流增大，通电导体在磁场中受力增大，转动速度加快；电压过低会减慢，电压正常时速度稳定。 3.直流电动机工作时，若电源电压突然升高，线圈的转动速度会（ ） A. 加快 B. 减慢 C. 不变 D. 停止 22 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：感应电流产生的条件是“闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动”（电磁感应）；A、D是电动机的条件，C中线圈静止无法切割磁感线，不能产生感应电流，故选B。 4.直流发电机产生感应电流的前提是（ ） A. 线圈中有电流 B. 线圈在磁场中做切割磁感线运动 C. 线圈静止在磁场中 D. 线圈与电源相连 23 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：普通手电筒、家用台灯、计算器均不涉及两种电机原理；混合动力汽车可能包含电机，既作为电动机驱动，也作为发电机回收能量，故选B。 5.下列设备中，同时涉及直流发电机和直流电动机原理的是（ ） A. 普通手电筒 B. 混合动力汽车 C. 家用台灯 D. 计算器 24 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：当线圈平面与磁场方向垂直时，线圈两边的受力方向相反且在同一直线上，合力为零，线圈无法继续转动，此位置为平衡位置；平行位置时线圈受力最大，转速最快，故选B。 6.直流电动机中，平衡位置是指（ ） A. 线圈平面与磁场方向平行的位置 B. 线圈平面与磁场方向垂直的位置 C. 线圈转速最快的位置 D. 线圈受力最大的位置 25 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：感应电流大小与磁场强度正相关，磁场越强，线圈切割磁感线时产生的感应电动势越大，感应电流也越大；磁场强度不影响电流方向（方向与转动方向、磁场方向有关），故选A。 7.直流发电机工作时，若增强定子的磁场强度，产生的感应电流会（ ） A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 方向改变 26 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：A中发电机和电动机结构基本相同（均有定子、转子、换向器等）；B中可逆性无需换部件，仅改变能量输入；D中定子固定，转子转动；C中换向器保证电动机持续转动、发电机输出直流，是关键结构，故选C。 8.下列关于直流电机的说法，正确的是（ ） A. 发电机和电动机的结构完全不同 B. 电机可逆性需要更换核心部件才能实现 C. 换向器是电机实现持续工作的关键之一 D. 电机工作时，定子一定会转动 27 常考习题练习与讲解—填空题 答案：电流方向；磁场方向 解析：线圈受力方向由电流方向和磁场方向共同决定，仅改变其中一个方向，受力方向（转动方向）改变；若同时改变，转动方向不变。 1.改变直流电动机线圈转动方向的方法有两种：一是改变______，二是改变______。 28 常考习题练习与讲解—填空题 答案：磁场强弱；线圈转动速度；线圈匝数 解析：磁场越强、线圈转动越快、线圈匝数越多，产生的感应电动势越大，感应电流也越大。 2.直流发电机中，感应电流的大小与______、______和______有关，这些因素越大，感应电流通常越大。 29 常考习题练习与讲解—填空题 答案：核心结构；能量输入类型 解析：可逆性的关键是“同一结构、不同输入”，核心部件不变，仅通过“接直流电源”或“受外力驱动”改变能量输入，实现状态切换。 3.直流电机实现可逆性时，无需改变电机的______，只需改变______即可切换运行状态。 30 常考习题练习与讲解—填空题 答案：增大电源电压；增强磁场强度 解析：电源电压增大→线圈电流增大→受力增大→转速加快；磁场增强（或匝数增加）→线圈受力增大→转速加快，三者均能提高电机转速。 4.直流电动机工作时，若想加快线圈转动速度，可以______或______。 31 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：二者均需定子（提供磁场）、转子（线圈，实现能量转换）、换向器（保证功能）和电刷（传导电流），核心结构一致，仅工作条件和能量转换方向不同，故本题正确。 1.直流发电机和直流电动机的核心结构（定子、转子、换向器、电刷）基本相同。（ ） 32 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：平衡位置是线圈平面与磁场方向垂直的位置，此时线圈受力平衡（合力为零）；平行位置时线圈受力最大，并非平衡位置，故本题错误。 2.直流电动机线圈的平衡位置是指线圈平面与磁场方向平行的位置。（ ） 33 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：实际应用中，电机运行会存在摩擦、电阻发热等能量损耗，能量转换效率无法达到100%，仅理论上可忽略损耗，故本题错误。 3.直流电机的可逆性应用中，同一台电机既可以发电也可以电动，但其能量转换效率始终为100%。（ ） 34 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：直流发电机的功能是发电，通过外力驱动产生电能，外部需连接用电器（如灯泡、电池）消耗电能，无需接入电源（接入电源是电动机的要求），故本题正确。 4.直流发电机工作时，外部电路无需连接电源，只需连接用电器即可。（ ） 35 常考习题练习与讲解—简答题 答案：能量转换：直流发电机是机械能→电能；直流电动机是电能→机械能。 工作条件：直流发电机无需接电源，需外力驱动线圈转动（如手摇、水力）；直流电动机需接入直流电源，无需外力驱动。 工作原理：直流发电机基于电磁感应现象（线圈切割磁感线产生感应电流）；直流电动机基于通电导体在磁场中受力运动（线圈通电后在磁场中受力转动）。 1.简述直流发电机和直流电动机的核心区别（从能量转换、工作条件、工作原理三方面分析）。 36 常考习题练习与讲解—简答题 答案：关键原因：线圈在磁场中转动时，转过平衡位置（线圈平面与磁场垂直）后，线圈两边的受力方向会反向，若不改变电流方向，线圈会被拉回平衡位置，无法持续转动；换向器能自动改变线圈电流方向，保证线圈持续受力转动。 2.为什么换向器是直流电动机持续转动的关键？ 37 常考习题练习与讲解—简答题 答案：直流电机的可逆性：指同一台直流电机，在不同条件下可实现两种运行状态——接入直流电源时，作为电动机将电能转化为机械能；受外力驱动转动时，作为发电机将机械能转化为电能，无需更换核心部件。 3.什么是直流电机的可逆性？ 38 常考习题练习与讲解—简答题 答案：线圈产生交流电的原因：线圈在定子磁场中绕轴转动时，线圈的两边会周期性切割不同方向的磁感线（如线圈顺时针转动，某边先切割N极到S极的磁感线，半周后切割S极到N极的磁感线），导致线圈中感应电流的方向随转动周期性变化，因此线圈内部产生的是交流电。 4.直流发电机工作时，为什么线圈产生的是交流电？请简要说明。 39 重点复习知识点： 1.核心能量转换与原理区分：重点掌握直流发电机和直流电动机的“能量转换方向”与“核心原理”对应关系。 2.直流电动机持续转动的关键——换向器：明确换向器是保证电动机持续转动的核心结构。 3.直流电机的可逆性及应用：理解可逆性的本质是“同一台电机的双重功能”——无需更换核心部件（定子、转子、换向器等），仅通过改变“能量输入类型”即可切换运行状态。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 课堂小结 40 $