一、直流電機(jī)的基本工作原理

　　直流電機(jī)可分為直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)兩大類，其工作原理可通過模型加以說明。

　　(一)直流發(fā)電機(jī)的工作原理

　　圖1—1所示為直流發(fā)電機(jī)的物理模型。在圖1—1中N、S為磁場，磁極固定不動(dòng)，稱為直流電機(jī)的定子。abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體是直流電機(jī)可轉(zhuǎn)動(dòng)部分，稱為電機(jī)轉(zhuǎn)子(又稱電樞)。線圈的首末端a、d連接到兩個(gè)相互絕緣并可以隨線圈一同轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)電片上，該導(dǎo)電片稱為換向片。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動(dòng)的電刷進(jìn)行的。在定子與轉(zhuǎn)子間有間隙存在，稱為空氣隙，簡稱氣隙。

　　在直流發(fā)電機(jī)的模型中，當(dāng)有原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，在線圈abcd中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。

　　設(shè)每邊導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢為e，則線圈電勢為2e，電勢e的瞬時(shí)值為：

　　式中，e為導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢，單位為V;BX為導(dǎo)體所在處的磁通密度，單位為Wb/m ;l為導(dǎo)體ab或cd的有效長度，單位為m;v為導(dǎo)體ab或cd與BX間的相對線速度，單位為m/s。

　　導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢的方向可用右手定則確定。在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)情況下，如圖1—1(a)所示導(dǎo)體ab在N 極下，感應(yīng)電動(dòng)勢的極性為a點(diǎn)高電位，b點(diǎn)低電位;導(dǎo)體cd在S 極下，感應(yīng)電動(dòng)勢的極性為c點(diǎn)高電位，d點(diǎn)低電位，在此狀態(tài)下電刷A的極性為正，電刷B的極性為負(fù)。當(dāng)線圈旋轉(zhuǎn)1800后，如圖1—1(b)，導(dǎo)體ab在S極下，導(dǎo)體ab則在N極下，此時(shí)導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢方向已改變，但由于原來與電刷A接觸的換向片已經(jīng)與電刷B接觸，而與電刷B接觸的換向片時(shí)換到與電刷A接觸，因此電刷A的極性仍為正，電刷B的極性仍為負(fù)。

　　從圖1—1中可以看出，和電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，和電刷B接觸的導(dǎo)體總是位于S極下，因此電刷A的極性總為正，而電刷B的極性總為負(fù)，在電刷兩端可獲得直流電動(dòng)勢。

　　實(shí)際直流發(fā)電機(jī)的電樞是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況需要有多個(gè)線圈。線圈分布于電樞鐵心表面的不同位置上，并按照一定的規(guī)定連接起來，構(gòu)成電機(jī)的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N、S極交替放置多處。

　　(二)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

　　把電刷A、B接到一直流電源上，電刷A接電源的正極，電刷B接電源的負(fù)極，根據(jù)電樞線圈中將有電流流過。

　　如圖1—2(a)所示，設(shè)線圈的ab邊位于N極下，線圈的cd邊位于S極下，載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用，其大小為：

　　式中，f為電磁力，單位為N ;BX為導(dǎo)體所在處的磁通密度，單位為Wb/m ;l為導(dǎo)體ab或cd的有效長度，單位m;i為導(dǎo)體中流過的電流，單位為A。

　　導(dǎo)體受力方向由左手定則確定。在圖1—2(a)的情況下，位于N極下的導(dǎo)體ab受力方向?yàn)閺挠蚁蜃螅挥赟極下的導(dǎo)體cd受力方向?yàn)閺淖蟮接?。?dǎo)體所受電磁力對軸產(chǎn)生一轉(zhuǎn)矩，這種由于電磁作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩的方向?yàn)槟鏁r(shí)針。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻力矩時(shí)，線圈按逆時(shí)針方向變?yōu)閺挠蚁蜃?而原位于N極下的導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，導(dǎo)體ab受力方向變?yōu)閺淖笙蛴?，該轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針方向，線圈在此轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。這樣雖然導(dǎo)體中流通的電流為交變的，但N極下的導(dǎo)體受力方向和S極下導(dǎo)體受力的方向并未發(fā)生變化，電動(dòng)機(jī)在此方向不變的轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　同直流發(fā)電機(jī)相同，實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。

　　二、電機(jī)的可逆原理

　　任何一臺(tái)電機(jī)既可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這一性質(zhì)稱為電機(jī)的可逆原理。電機(jī)的可逆原理不僅適用于直流電機(jī)，也適用于交流電機(jī)。電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行方式由外施條件決定：如果電機(jī)轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械能，而電樞繞組輸出電能，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行;如果在電樞繞組中輸入電能，轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械能，則電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。