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第四章 直流电机 直流电机是电机的主要类型之一，在近代工业中曾是一种很重要的电机。一台直流电机既可作为直流发电机使用，也可作为直流电动机使用。 作为电动机使用，它有一种很优良的性能，就是调速设备简单、调速性能好和起动、制动转矩大以及过载能力强，因此被广泛应用于电车、轧钢机和起重设备中。直流发电机作为主电源在船舶上应用较早，在交流船舶上直流电动机也是船舶各类拖动装置的主要原动机之一。 直流机与交流机比较，其弱点是直流电压不能变换以及结构复杂、造价高和维修工作量大等。二十世纪八十年代以来，由于大功率电力电子技术的发展，交流变频技术已经在多数领域取代了直流调速的应用，因此直流电机在陆地和船舶的应用逐渐减少，主要存在于以前建造的设备中。在一些过去建造的船舶上仍有直流发电机作为变流机组向直流电力拖动系统提供直流电能。 本章主要内容包括：直流电机的工作原理、结构特点、励磁方式和直流发电机、直流电动机的基本运行特性等。 第一节 直流电机的工作原理 图4-1-1是最简单的直流电机模型。N、S是一对静止不动的主磁极，它们之间有一转动的圆柱形电枢铁心，其上有一电枢线圈，线圈两端a,d 分别接到彼此绝缘的两个半圆形换向片1和2上。两个位置固定的电刷A、B 分别压在两换向器片上。电刷与转动的换向器片形成滑动接触的导电机构。 一、直流发电机的工作原理 直流电机作为发电机时，电枢转子在原动机拖动下旋转，电枢线圈切割N、S极磁场，线圈每个边的导体中产生感应电动势e = BLV；其方向用右手定则确定。根据图4-1-1所示的磁场方向和转动方向可知，转到N极下的线圈边中的电动势方向总是由纸面出来，转到S极下的则总是进入纸面。很显然，在线圈内部是一个方向不断改变的交变电动势。由于静止的 电刷A、B是分别与N极下和S极下的线圈边接通，故在电刷之间的电动势则是方向不变的直流。可见换向器在直流发电机中起了机械整流器的作用。 当发电机电枢线圈接通负载时，在电动势的作用下产生电枢电流，故称发电机的电动势为电源电动势。发电机电枢有了电流以后，电流与磁场相作用产生电磁力F=BLI和电磁转矩。根据左手定则，发电机的电磁转矩方向与转动方向相反，故称反转矩。 二、直流电动机的工作原理 当直流电机接通直流电源时，则变成了直流电动机。在电源电压的作用下电枢线圈中就有了电流。假设电流由图4-1-2中的正刷A流人由负刷B流出，通过换向器的作用，使转到N极下的线圈边中的电流方向总是流入，S极下的总是流出。这样电枢电流与磁场相作用所产生的电磁转矩方向始终保持不变，因而驱动转子向一个方向转动。所以电动机的电磁转矩是拖动转矩。电动机在旋转的过程中，电枢线圈也切割磁场而产生电动势，根据右手定则可以证实，该电动势的方向总是与电流方向相反，故称电动机的电动势为反电动势。 三、直流电机的电枢绕组和电刷的正确位置 以上简单的电机模型是用来说明直流电机的工作原理。为了获得平滑恒定的直流电动势和电磁转矩，实际直流电机的电枢绕组是由许多分布的线圈构成的，每个线圈有两个边，分别置之于相距一个磁极极距的位置，即这些线圈沿电枢铁心圆周均匀分布，并通过相应数量的换向器片依次串联构成一个闭合回路（见图4-1-3）。电枢线圈越多、相邻线圈边的分布间隔越小，则电刷间的电动势越高，越平滑恒定。电刷间的电动势，等于任一支路各线圈电动势之和。 电刷的位置正确与否，将影响到正负电刷间的电动势E，从而影响到发电机的电压和电动机的转速，同时电刷的位置也影响到电刷下的火花。两个磁极间的平分线称为磁场几何中性线。确定电刷正确位置的原则是，使正负电刷间能获得最大电动势。根据实际电枢绕组元件对称的几何形状，只有当电刷分别与位于磁场几何中心线的线圈所接的换向片相接触时，才能使被电刷分割的每一并联支路中各线圈感应电动势的方向一致，串联电动势之和最大。同时当任一线圈转到磁场几何中性线(Φ = 0 )处时，它将被电刷短路，由于此时线圈切割的电动势为零，故线圈中不会产生通过电刷的短路环流，因而空载运行时,也就没有电刷火花产生。如果电刷不在上述的正确位置，则被电刷分割的每一并联支路中都包含有相反极下的线圈，因而有方向相反的电动势，故总的电动势小于最大电动势；同时被电刷短路的线圈也不处在几何中性面上，线圈中有切割电动势，因而有通过电刷的短路环流，当线圈脱离电刷短路时将产生断路火花。 根据上述获得支路最大电动势的原则以确定实际电刷的正确位置，在原理上等效于将电刷放在磁场几何中性线上，直接与电枢绕组导体接触而将电枢绕组分成两条并联支路，如图4-1-4（a）所示。这样看起来比较简便直观，因此也常把调整电刷的正确位置简单说成把电刷调到几何中性线上。若电刷位置不正确，将产生去磁性(图b)或增磁性(图c)电枢反应，使E减小或增大，从而影响发电机的电压和电动