电机的工作原理

一、发电机的工作原理

1.工作原理：

导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e。

e=BIVo

B:磁密I：导体长度；v：导体与磁场的相对速度。

止方向：用右手定则判断。电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。如果同一元件

上e和U正方向相同时,e=-Uo

理解：电磁感应原理的变形（变化的磁通产生感应电动势）

①

感应电势0一与=-N邛

2.发电机工作过程分析：两磁极直流发电机的工作原理图。

⑴构成：

磁场：图中N和S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。

励磁绕组一一容量较小的发电机是用永久磁铁做磁极的。容量较大的发电机的磁场

是由直流电流通过绕在磁极铁心上的绕组产生的。用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕

组，励磁绕组中的电流称为励磁电流开。

电枢绕组：在N极和S极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈

称为电枢绕组（图中只画出一匝线圈），电枢绕组中的电流称为电枢电流Iao

换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片一一换向片

上，组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。

电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。

（2）工作过程:

Pl：电动势产生

当电枢被原动机以恒速驱动，按逆时针方向转动时，用右手定则可以判定，线圈ab

和cd边切割磁力线产生的感应电动势的方向，则在负载与线圈构成的回路中产生电流la,

其方向与电动势方向相同。电流由电刷A流出，由电刷B流|可。

电动势与电流关系：同向

attimeattime

1

F11.1直流发电机工作原理⑴

2

P2：换向

当电枢转到上图b所示位置时，ab边转到了S极下，cd边转到了N极下。这时线圈

中感应电动势的方向发生了改变，但由F换向器随同一起旋转，使得电刷A总是接触N

极下的导线，而电刷B总是接触S极下的导线，故电流仍由A流出B流【口I’方向不变。

F1Y.2直流发电机工作原理〔司

虽然有换向器的作用，将线圈内的交变电动势在两电刷间变换为方向不变的电动势，但它

的大小仍然是脉动的。欲获得在方向和量值上均为恒定的电动势，则应把电枢铁心上的槽

数和线圈匝数增多，同时换向器上的换向片数也要相应地增加。

（3）电磁转矩与能量转换分析：

电磁转矩：电枢电流la与磁场相互作用而产生的电磁力形成了电磁转矩T。

用左手定则可以判定，电磁转矩T的方向与电枢旋转方向相反。因此，在电枢等速旋

转时，原动机的驱动转矩T1必须与发电机的电磁转矩T和空载损耗转矩TO相平衡（TO

是发电机轴上的转矩），即T1=T+TO

电磁转矩方向与转速方向关系：反向

能量转换：

原动机（机械能）・＞电磁转矩・＞发电机负载（电能）

当发电机的负载（即电枢电流）增加时，电磁转矩和输出功率也随之增加，这时原动

机的驱动转矩所供给的机械功率亦必须相应增加，以保持转矩之间和功率之间的平衡。可

见，发电机向负载输出电功率的同时，原动机却向发电机输出机械功率，发电机起着将机

械能转换为电能的作用。

3

（2）工作过程：

Pl：电磁转矩产生

电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的旋转轴与机械负载相联。电流从电刷A流

入电枢绕组，从电刷B流出。电枢电流la与磁场相互作用产生电磁力F,其方向可用左手

定则判定。这一对电磁力所形成的电磁转矩T,使电动机电枢逆时针方向旋转。

电磁转矩与电枢旋转方向关系：同向

F1-3直流电动机工作原理

P2：换向

当电枢转到上图b所示位置时，ab边转到了S极下，cd边转到了N极下。这时线圈

电磁转矩的方向发生J'改变，但由十换向器随同一起旋转，使得电刷A总是接触N极卜

的导线，而电刷B总是接触S极卜•的导线，故电流流动方向发生改变，电磁转矩方向不变。

（3）电动势与能量转换分析：

电动势：电枢转动时，割切磁力线而产生感应电动势，这个电动势（用右手定则判定）的方

向与电枢电流la和外加电压U的方向总是相反的，称为反电动势Ea.

它与发电机的电动势E的作用不同。发电机的电动势是电源电动势，在外电路产生电

流。而Ea是反电动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。

可见，电动机向负载输出机械功率的同时，却向电动机输入电功率，电动机起着将电

能转换为机械能的作用。

电动势方向与电流方向关系：反向

能量转换：

电源（电能）・>电磁转矩・>负载（机械能）

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三、交轴电枢磁动势和交轴电枢反应

1、交轴电枢磁动势

电枢磁场如左图，若电枢上半周的电流为流出，下半周为流入，根据

右手螺旋定则，该电枢磁动势建立的磁场如虚线所示。从图可见，电

枢磁动势的轴线总是与电刷轴线重合。与主极轴线正交的轴线通常称

为交轴，与主极轴线重合的轴线称为直轴；所以当电刷位于儿何中性

线上时，电枢磁动势时交轴电枢磁动势。

左图是直流电机电流分布和电枢磁场情况示意图，为便于分析让

其展开成下图。

设直轴线上与电枢外圆的交点为0点，在距0点的x处作一闭合磁

力线回路。

据安培回路定律研究该闭路，该闭路可包用的总电流数即为总磁势Fa：因为设A是沿电

枢表面周长方向单位长度上的安培导体数:

Zciia

A=------(安培导体数/cm)IIDa

式中：

Za一一电枢绕组的总导体数；

D---电枢外径；

ia---电枢电流。

则闭路总磁势为Fa=29,略去铁内磁阻则每个气隙所消耗的磁势为Faq=AXx。

交轴电枢磁势Faq(x)的分布为呈三角波(略去齿槽影响时)，则电枢磁密的分布波形是一一

〃马鞍形〃波。如上右图ba(x)»

6

2、交轴电枢反应

无论直流电机的电刷是否与几何中线处的导体相接触，交轴磁势Faq及其电枢反应均存在。

这里以电刷在正常理论位置为例来说明交轴电枢反应情况。

其思路是：空载时磁密分布波Bo(x)波和负载时电枢磁密分波Ba(x)波的合成，得到

气隙合成磁密波By(x)o

即：bo(x)+ba(x)=bY(x)

平顶波形+马鞍波形=斜坡波形

(不计饱和时此式成立)

结论：

(1)对直流发电机而言，交轴电枢反应将引起前极端具有去磁作用，后极端具有增磁作用。

(2)对直流电机而言

前极端一一增磁作用

后极端一一去磁作用

那么什么叫前极端和后极端？对于发电机而言，顺着转向看过去先看到的极端叫前极端，

后经过的极端叫后极端。但是，对r这个原理图，若该电机的磁场方向和电流方向不变，

则发电机改成电动机时，转向必然改变也就是对直流发电机时为前极端，对直流电机则为

后极端了。而电机内部的电磁关系不变，故直流电机的交轴电枢反应结论应是前极湍具有

增磁作用，后极端具有去磁作用。

(3)对直流电机而言，交轴甩枢反应具有一定的饱和去磁作用。

由于磁饱和的影响，增磁处将使该处铁心的饱和程度提高，磁阻增加，从而使实际的气隙

磁场比不饱和时略低；而去磁处不饱和，去磁则比增碱的量值大，故得结论(3)。

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四、直轴电枢磁动势和直轴电枢反应

1、直轴电枢磁动势Fad

如下图此图当电刷不在几何中线时，设移过一个小角发B,除了交轴电枢磁动势外，还会

产生直轴电枢磁动势。

电枢磁势分解成两个分量Faq和Fad

即Fa=Fad+Fad

电枢磁动势交轴分笊宜轴分前

।明怀仞晌中性线上时，।刖磁动物I位轴分轮制分域

2、直轴电枢反应

若电机为发电机时，电刷顺转向移动B角。直轴电枢反应仅存在于电

刷不与几何中线处导体接触时，此时也存在交轴电枢反应（以后分

析），现在单独分析直轴电枢磁势的影响。

直流发电机：

若电机为发电机时，电刷顺转向移动B