2.1.2 直流電動機的基本原理

直流電動機使電動機的繞組在直流磁場中旋轉(zhuǎn)感應(yīng)出交流電，再經(jīng)過機械整流得到直流電。整流方式包括電子式和機械式兩種類型。

1.交流發(fā)電機物理模型

圖2-3所示為交流發(fā)電機物理模型，其中，N、S為主磁極，固定不動，abcd是安裝在可以轉(zhuǎn)動的圓柱體（稱為電樞）上的一個線圈，該線圈的兩端分別接到稱為集電環(huán)的兩個圓環(huán)上。在每個集電環(huán)上放上固定不動的電刷A、B，通過A、B將旋轉(zhuǎn)的電路（線圈abc d）與外面靜止的電路相連。

1）當原動機拖動電樞以恒定轉(zhuǎn)速n逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律知，在線圈abcd中的感應(yīng)電動勢大小為

式中 e——感應(yīng)電動勢（V）；

B——導(dǎo)體所在處的磁通密度（Wb/m2 ）；

l——導(dǎo)體ab或cd的長度（m）；

v——導(dǎo)體ab或cd與B之間的相對線速度（m/s）。

2）采用右手定則判定感應(yīng)電動勢的方向，即導(dǎo)體ab、cd感應(yīng)電動勢的方向分別由b指向a、d再指向c，電刷A呈高電位、B呈低電位；在電樞逆時針方向轉(zhuǎn)過180 °時，導(dǎo)體ab與cd互換位置，導(dǎo)體ab、cd感應(yīng)電動勢的方向正好與之前相反，電刷B呈高電位、A呈低電位；在電樞逆時針方向再轉(zhuǎn)過180 °時，導(dǎo)體ab、cd感應(yīng)電動勢的方向又發(fā)生變化，電刷A呈高電位、B呈低電位。可見，電樞每轉(zhuǎn)一周，線圈abcd中感應(yīng)電動勢方向交變一次。

2.直流發(fā)電機和直流電動機物理模型

（1）直流發(fā)電機物理模型

圖2-4所示為直流發(fā)電機物理模型，由兩個相對放置的導(dǎo)電片（或稱換向器）代替圖2-3中的兩個集電環(huán)，換向器之間用絕緣材料隔開，并分別連接到線圈abcd的一端，電刷放在換向器上并固定不動。

1）由原動機拖動，發(fā)出直流電流，為大型交流發(fā)電機提供直流勵磁電流。

2）電樞旋轉(zhuǎn)、電刷固定，根據(jù)右手定則確定圖中感應(yīng)電動勢方向，電刷A呈正極性、電刷B呈負極性；在線圈逆時針方向轉(zhuǎn)過180 °時，導(dǎo)體ab位于S極下、導(dǎo)體cd位于N極下，各導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢都分別改變了方向。

3）換向器起整流作用，與線圈一道旋轉(zhuǎn)，本來與電刷B接觸的那個換向器現(xiàn)在卻與電刷A接觸了，與電刷A接觸的那個換向器現(xiàn)在卻與電刷B接觸了，顯然，電刷A仍呈正極性、電刷B呈負極性，在電刷A、B兩端獲得了直流電動勢。

（2）直流電動機物理模型

圖2-5所示為直流電動機物理模型，有別于直流發(fā)電機模型。

1）直流電動機適合用于拖動各種生產(chǎn)機械。

2）直流電源加在電刷A、B上，線圈abcd中有電流流過，根據(jù)左手定則判定線圈的運動方向如圖2-5所示。導(dǎo)體ab、cd上受到的電磁力f為

式中 i——流過導(dǎo)體的電流（A）；

l——導(dǎo)體ab或cd的長度（m）；

B——導(dǎo)體所在處的磁通密度（Wb/m2 ）。

3）換向器，將外電路的直流電流改變?yōu)榫€圈內(nèi)的交變電流，起逆變作用。雖然電樞線圈里的電流方向是交變的，但產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩卻是單方向的，即

式中 Φ——電動機每極磁通量；

C _T——轉(zhuǎn)矩常數(shù)，C_T =9.55C_e，C_e為電動勢常數(shù)，與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)；

I _a——電樞電流。

4）感應(yīng)電動勢，直流電動機運行時，電樞導(dǎo)體切割氣隙磁場，在電樞繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電樞繞組電刷兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

（3）直流電動機額定數(shù)據(jù)

直流電動機額定數(shù)據(jù)包括額定功率P_N （W）、額定電壓U_N （V）、額定電流I_N （A）、額定轉(zhuǎn)速n_N （r/min）、勵磁方式和額定勵磁電流I_fN （A）。此外，還包括沒有標注在銘牌上的物理量，如額定運行狀態(tài)的額定轉(zhuǎn)矩T_2N、額定效率η_N等。

直流發(fā)電機的額定容量指的是電刷端的輸出功率，P_N =U_NI_N；直流電動機的額定容量指的是其轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率，P_N =U_NI_Nη_N；額定轉(zhuǎn)矩為

式中 T_2N——額定轉(zhuǎn)矩（N·m）；

P _N——額定功率（kW）；

n _N——額定轉(zhuǎn)速（r/min）。

國產(chǎn)電動機產(chǎn)品型號一般采用大寫漢字拼音字母和阿拉伯數(shù)字表示，如圖2-6所示。其中，漢語拼音字母是根據(jù)電動機的全名稱選擇有代表意義的漢字，再從該漢字的拼音得到的。如表2-2所列為我國某廠家生產(chǎn)的直流電動機型號及相關(guān)參數(shù)。國產(chǎn)直流電動機種類很多，表2-3列舉了一些常見產(chǎn)品系列。