文档介绍：第 7 章直流电动机
直流电动机的结构
打开直流电动机的端盖,不难看出直流电动机与交流电动机类似,它也是由定子和转子两大部分组成, 直流电动机的转子也叫电枢。不过在直流电动机的转子一端装有换向器,这一点与交流电动机不同。图7 - 2是直流电动机的结构示意图。
1. 定子
直流电动机的定子是指它的固定部分, 包括机座、磁极和电刷等装置, 如图7 - 3所示。
2. 转子
直流电动机的转子主要由转子铁芯、转子绕组和换向器组成, 此外, 还包括转轴和风扇等部分, 如图7 -4所示。
3. 换向器
换向器由许多彼此绝缘的钢质换向片组成一个圆柱体, 装在转子转轴的一端。转子绕组的每一个绕组线圈分别接在两个与转轴对称的换向片上。换向片通过和电刷的滑动接触与外加直流电源相连通。当转子转轴每旋转180°时,接在相应换向片上的直流电改变一次极性,相当于每个转子绕组线圈中接的是交流电,保证了形成固定方向的电磁转矩。
换向器是直流电动机的标志性部件,它将加于电刷之间固定极性的直流电流变成转子绕组内部的交流电流。
直流电动机的工作原理
1. 转动原理
直流电动机的转动过程是以电磁相互作用的基本规律为基础的。如图7 - 5所示,处在均匀磁场B中的一段通有电流I的导体l将受到磁场力的作用。由安培定律可知,磁场作用力F的大小为
F的方向由右手螺旋定则或左手定则确定。
如图7 - 6所示,如果一段长度为l的导体在均匀磁场B中沿垂直于磁场的方向以速度v匀速运动, 导体中将产生感生电动势。由电磁感应定律可知,感生电动势e的大小为e=lvB ()
e的方向由右手定则确定。
()
为了分析方便, 我们用如图7 - 7(a)所示的简化模型代替直流电动机。其中,N和S代表定子绕组产生的一对固定磁极,线圈ab代表转子上的一个转子线圈,A、B为一对换向片,U是转子绕组的外加直流电源。
当接通电源U时,直流电流将从a边流入,b边流出,由安培定律可知线圈a边和b边将受到一对大小相等、方向相反的电磁力作用,其方向由左手定则确定,如图7 - 7(b)所示。由于这对电磁力不在一条直线上,因此它们将形成一个电磁转矩,使电动机的转子沿逆时针方向加速旋转。当电磁转矩与阻力转矩平衡时,转子的转速才稳定下来。
由于换向片随转子一起转动,当线圈a边旋转至S磁极附近,b边旋转至N磁极附近时,转子线圈ab中的直流电流将改变方向。此时,电流从线圈a边流出, b边流入,而电磁力和电磁转矩的方向不变,这就保证了转子的连续转动。可见,转子线圈a、b每旋转半圈,其中的直流电流就改变一次方向,相当于转子线圈接入的是交流电。这正是换向器产生的效果。
2. 基本物理量
1) 磁转矩M
直流电动机的转子之所以能转动是因为转子线圈受到电磁转矩的作用。电磁转矩是主磁场与转子电流相互作用产生的转矩。它是一个重要的物理量,反映了直流电动机的机械输出功率的大小和拖动负载的能力,一般用M表示。下面我们通过物理概念来建立M的定量计算公式。
电磁转矩M是由所有转子线圈受到的电磁力共同产生的效果。因M与F成正比,由式()可知