支路电流和电枢电流

直流电动机是指将直流电能转成机械能的装置。当导线(绕组)置于由磁铁(永久磁铁)形成的磁场内时,将绕组中流过电流时产生的电磁力变为旋转力。根据左手定则(图5-10),将左手放入磁场中,让磁感线垂直穿入手心,手心面向N极(叉进点出),四指指向电流所指方向,则大拇指的方向就是导体受力的方向。因此,绕组内的电流如果顺时针方向流动时,绕组线圈就会顺时针方向旋转(图5-11)。

图5-10　左手定则

图5-11　电机原理图

1.直流发电机的工作原理

图5-12是一个最简单的直流电动机模型,在两个空间固定的磁极N极和S极之间,有一个硅钢片叠成的圆柱体(称为电枢铁芯)。电枢铁芯与磁极之间的间隙称为气隙。图5-12中两根导体ab和cd连接成为一个线圈,并敷设在电枢铁芯表面上。线圈的首、末端分别连接到两片圆弧形的铜片,称为换向片1、2上。换向片固定于转轴上,换向片之间以及换向片与转轴都互相绝缘。这种由换向片构成的整体称为换向器。整个转动部分称为电枢。为了把电枢和外电路接通,特别装置了两个电刷A和B。电刷在空间上是固定不动的。

由原动机以恒定转速n沿顺时针拖动电枢旋转,它就成为一台直流发电机。由电磁感应定律,每根导体的感应电动势的瞬时值为:

式中:B——导体所处位置的磁通密度;

v——正交于磁通密度B的线速度;

l——导体的有效长度,即每根导体切割磁力线部分的长度。

感应电动势的方向,用右手定则来确定,电机中磁力线的方向从N极出来回到S极。图5-12中电刷A只能与处于N极下的导体相接触,电刷B只能与处于S极下的导体相接触。当导体ab转到N极下时,电动势方向由a到b,同时导体cd也转到S极下,电动势方向由c到d。电刷B的极性为“＋”,A的极性为“－”。当导体ab转到S极下时,电动势方向由b到a,同时导体cd也转到N极下,电动势方向由d到c。这样当导体ab、cd分别切割N极和S极各一次时,其电动势方向变化了一次。但是,电刷A的极性始终为“－”,B的极性始终为“＋”。显然,直流发电机的线圈两端的感应电动势为方向交变的交流电势,而电刷A和B上为方向不变的直流电势,这就是直流发电机的工作原理。

2.直流电动机的工作原理

直流电动机的工作原理如图5-13所示。如果在电刷A,B两端加上直流电压,电刷A为“＋”,B为“－”,则电流i的方向为从电刷A流进电枢,从电刷B流出。根据“毕—萨电磁力定律”载流导体ab,cd受电磁力为:

式中:f——作用于载流导体上力的大小,方向用左手定则来确定;

i——导体内流过的直流电流;

l——导体的有效长度,即每根导体切割磁力线部分的长度。

图5-12　直流发电机的工作原理

图5-13　直流电动机的工作原理

从图5-13可见,两个载流导体ab,cd所受到的力均为f,f与电枢半径的乘积就是转矩,称为电磁转矩。这里电磁转矩的方向是顺时针的,电磁转矩就是直流电动机的驱动转矩。

显然当电刷A、B两端加上直流电压不变时,旋转的载流导体ab和cd中的电流方向是交变的,即S极下电流方向始终从里到外,而N极下的电流方向始终从外到里。