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2.1 直流发电机工作原理和结构 2.2 直流电势的关系式 2.3 直流测速发电机及其输出特性 2.4 直流测速发电机误差及其减小的方法 2.5 直流测速发电机的应用 2.6 直流测速发电机的性能指标 2.7 直流测速发电机的发展趋势 思考题与习题 2.1 直流发电机工作原理和结构 2.1.1 工作原理 ?直流发电机的工作是基于电磁感应定律,即:运动导体切割磁力线, 在导体中产生切割电势; 或者说匝链线圈的磁通发生变化, 在线圈中发生感应电势。 为简明易懂, 用一个简单的两极电机模型来说明直流发电机的工作原理。图2-1(a)是该模型的示意图。 如图示, 在空间固定不动的磁极N , S之间, 有一个铁质圆柱体(电枢铁心)装在转轴上,磁极与铁心间的气隙称为空气隙。导体ab , cd固定在电枢铁心表面径向相对的位置并连成一个线圈(元件)。换向片之间、 换向片与转轴之间均相互绝缘, 这部分称为换向器。 整个转动部分称为电枢, 固定不动的导电片A、 B(电刷)压在换向片上,为滑动接触。 磁极的中心线称为磁极轴线, N , S极之间的中心线称为几何中性线, 如图 2 - 1(b)。 在图 2 - 1中, 磁极产生的磁通由N极出发经过电枢铁心进入S极。 用原动机拖动电枢以转速n逆时针方向旋转, 则导体ab, cd切割磁力线而产生电势。 根据右手定则, 在图示瞬时, N极下导体ab中电势的方向由b指向a, S极下导体cd中电势由d指向c。 在图 2 - 1(b)中分别用⊙、 表示。 线圈两个有效边中的电势大小相等方向相反, 因此, 整个线圈电势是两个有效边电势之和, 即为一个有效边电势的两倍, 电势方向是由d指向a, 故a为正, d为负。 电刷A通过换向片与线圈的a端相接触, 电刷B与线圈的d端相接触, 故此时A电刷为正, B电刷为负, 电刷两端电势E BA=eda=e dc+e ba。 当电枢转过180°以后, 导体cd处于N极下, 导体ab处于S极下, 这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反, 于是线圈电势的方向也变为由a到d, 此时d为正, a为负, 而两电刷间电势E BA=e ad=e ab+e cd, 仍然是A刷为正, B刷为负。 电枢连续旋转, 导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线, 因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。 在两极情况下, 线圈每转一圈, 电势交变一次。 但是, 电刷电势的极性始终不变。 这是由于通过换向器的作用, 无论线圈转到什么位置, 电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接, 如电刷A始终与处在N极下的导体相连接, 而处在一定极性下的导体电势方向是不变的, 因而电刷两端得到的电势极性不变。 这就是直流发电机的最基本工作原理。 2.1.2 直流电势的形成 前面的讨论, 只是得出了电刷电势极性不变的结论, 但其大小是否随时间变化, 还需进一步分析。 根据法拉第电磁感应定律, 导体切割磁通产生的电势为 ei=Bxlv (2 - 1) 式中, Bx为导体所处位置的气隙磁通密度; l为导体有效长度(即电枢铁心的长度); v为导体切割磁场的线速度(即电枢圆周速度)。 对已制成的电机,l为定值, 若电枢转速n恒定,则v亦为常值,所以ei∝Bx。 实际上, 在整个磁极下,气隙磁通密度沿电枢圆周不是均匀分布, 而是按图 2 - 2(a)所示规律分布的。 导体处于不同位置, 产生的电势大小不同, 其随时间变化的规律与Bx相同。 经换向器换向后, 电刷间电势虽然方向不变, 但却有很大的脉动, 如图 2 - 2(b)所示。 显然, 这样的电势不是直流电势, 暂且称其为脉动电势。为减小电势的脉动程度, 实际电机中不是只有一个线圈(元件), 而是由很多元件组成电枢绕组。 这些元件均匀分布在电枢表面, 并按一定的规律连接。 图 2 - 3 是一个实际电机的模型, 电枢铁心表面有齿有槽, 槽中安放元件, 元件形状如图 2 - 4 所示。 匝数等于 1 的元件称为单匝元件, 匝数大于 1 的称为多匝元件。 直流测速发电机一般都采用多匝元件。 放在槽中的元件边为有效边, 连接有效边的导线称为端部连线。 元件的两个有效边分别安放在电枢圆周两个相对的槽中, 且一个有效边放在槽的上层(靠近槽口), 另一个有效边放在槽的下层(靠近槽底), 并用上层边所在的槽号表示元件号。
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