1樓：匿名使用者
直流電機的基本工作原理
直流勵磁的磁路在電工裝置中的應用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應用在直流旋轉電機中。在發電廠裡，同步發電機的勵磁機、蓄電池的充電機等，都是直流發電機；鍋爐給粉機的原動機是直流電動機。此外，在許多任務業部門，例如大型軋鋼裝置、大型精密工具機、礦井捲揚機、市內電車、電纜裝置要求嚴格線速度一致的地方等，通常都採用直流電動機作為原動機來拖動工作機械的。
直流發電機通常是作為直流電源，向負載輸出電能；直流電動機則是作為原動機帶動各種生產機械工作，向負載輸出機械能。在控制系統中，直流電機還有其它的用途，例如測速電機、伺服電機等。雖然直流發電機和直流電動機的用途各不同，但是它們的結構基本上一樣，都是利用電和磁的相互作用來實現機械能與電能的相互轉換。
直流電機的最大弱點就是有電流的換向問題，消耗有色金屬較多，成本高，執行中的維護檢修也比較麻煩。因此，電機製造業中正在努力改善交流電動機的調速效能，並且大量代替直流電動機。不過，近年來在利用可控矽整流裝置代替直流發電機方面，已經取得了很大進展。
包括直流電機在內的一切旋轉電機，實際上都是依據我們所知道的兩條基本原則製造的。一條是：導線切割磁通產生感應電動勢；另一條是：
載流導體在磁場中受到電磁力的作用。因此，從結構上來看，任何電機都包括磁場部分和電路部分。從上述原理可見，任何電機都體現著電和磁的相互作用，是電、磁這兩個矛盾著的對立面的統一。
我們在這一章裡討論直流電機的結構和工作原理，就是討論直流電機中的「磁」和「電」如何相互作用，相互制約，以及體現兩者之間相互關係的物理量和現象（電樞電動勢、電磁轉矩、電磁功率、電樞反應等）。
一、 直流發電機的基本工作原理
直流發電機和直流電動機具有相同的結構，只是直流發電機是由原動機（一般是交流電動機）拖動旋轉而發電。可見，它是把機械能變為電能的裝置。直流電動機則接在直流電源上，拖動各種工作機械（工具機、幫浦、電車、電纜裝置等）工作，它是把電能變為機械能的裝置。
但是，當前已經有可控矽整流裝置替代了直流發電機，為了能使大家更好的理解直流電動機，有必要同時講述一下直流發電機的原理。
我們首先來觀察直流發電機是怎樣工作的。
如圖1所示，電刷a、b分別與兩個半園環接觸，這時a、b兩電刷之間輸出的是直流電。我們再來看看這時線圈在磁極之間運動的情況。從圖1（a）可以看出，當線圈的ab邊在n極範圍內按逆時針方向運動時，應用發電機右手定則，這時所產生的電動勢是從b指向a。
這時線圈的cd邊則是在s極範圍內按逆時針方向運動，依據發電機右手定則可以判斷，cd邊中的感應電動勢方向是從d指向c。從整個線圈來看，感應電動勢的方向是d-c-b-a。因此，和線圈a端連線的銅片1和電刷a是處於正電位；而和線圈的d端連線的銅片2和電刷b是處於負電位。
如果接通外電路，那麼電流就從電刷a經負載流入電刷b，與線圈一起構成閉合的電流通路。
當線圈的ab邊轉到s極範圍內時，cd邊就轉到n極範圍內（圖1，b），用右手定則判斷可以知道，這時線圈cd邊中產生的電動勢方向是從c到d，而ab邊轉到了s極範圍內，其中電動勢的方向則是有a到b。由於電刷在空間是不動的，因此和線圈d端連線的銅片2和電刷a接觸，它的電位仍然是正。而與線圈a端連線的銅片1則和電刷b接觸，它的電位仍然是負。
接通外電路時，電流仍然是從電刷a經負載流入電刷b，與線圈一起構成閉合的電流通路。不過，要注意到這時線圈內的電流已經反向了。
由此可知，當線圈不停地旋轉時，雖然與兩個電刷接觸的線圈邊不停的變化，但是，電刷a始終是正電位，電刷b始終是負電位。因此，有兩電刷引出的是具有恆定方向的電動勢，負載上得到的是恆定方向的電壓和電流。也就是說，儘管線圈abcd中感應電動勢的方向不斷交變，但是電刷a總是和處在n極範圍內的線圈邊接觸，電刷b總是和處在s極範圍內的線圈邊相接觸，它們的極性始終不變。
於是，線圈中的交流電經過銅片和電刷整流後，便成為外電路中的直流電了。這兩個半圓形的銅片就叫做換向片，它們合在一起叫做換向器。
二、 直流電動機的基本工作原理
上面已經討論了直流發電機的工作原理，現在再來討論直流電動機是怎樣工作的。
如果直流電機的轉子不用原動機拖動，而把它的電刷a、b接在電壓為u的直流電源上（如圖2所示），那麼會發生什麼樣的情況呢？從圖上可以看出，電刷a是正電位，b是負電位，在n極範圍內的導體ab中的電流是從a流向b，在s極範圍內的導體cd中的電流是從c流向d。前面已經說過，載流導體在磁場中要受到電磁力的作用，因此，ab和cd兩導體都要受到電磁力fde的作用。
根據磁場方向和導體中的電流方向，利用電動機左手定則判斷，ab邊受力的方向是向左，而cd邊則是向右。由於磁場是均勻的，導體中流過的又是相同的電流，所以，ab邊和cd邊所受電磁力的大小相等。這樣，線圈上就受到了電磁力的作用而按逆時針方向轉動了。
當線圈轉到磁極的中性面上時，線圈中的電流等於零，電磁力等於零，但是由於慣性的作用，線圈繼續轉動。線圈轉過半州之後，雖然ab與cd的位置調換了，ab邊轉到s極範圍內，cd邊轉到n極範圍內，但是，由於換向片和電刷的作用，轉到n極下的cd邊中電流方向也變了，是從d流向c，在s極下的ab邊中的電流則是從b流向a。因此，電磁力fdc的方向仍然不變，線圈仍然受力按逆時針方向轉動。
可見，分別處在n、s極範圍內的導體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停的旋轉了，通過齒輪或皮帶等機構的傳動，便可以帶動其它工作機械。
從以上的分析可以看到，要使線圈按照一定的方向旋轉，關鍵問題是當導體從乙個磁極範圍內轉到另乙個異性磁極範圍內時（也就是導體經過中性面後），導體中電流的方向也要同時改變。換向器和電刷就是完成這個任務的裝置。在直流發電機中，換向器和電刷的任務是把線圈中的交流電變為直流電向外輸出；而在直流電動機中，則用換向器和電刷把輸入的直流電變為線圈中的交流電。
可見，換向器和電刷是直流電機中不可缺少的關鍵性部件。
當然，在實際的直流電動機中，也不只有乙個線圈，而是有許多個線圈牢固地嵌在轉子鐵芯槽中，當導體中通過電流、在磁場中因受力而轉動，就帶動整個轉子旋轉。這就是直流電動機的基本工作原理。
比較直流發電機和直流電動機的工作原理可以看出，它們的輸入和輸出的能量形式不同的。正如前面已經說過，直流發電機由原動機拖動，輸入的是機械能，輸出的是電能；直流電動機則是由直流電源供電，輸入的是電能，輸出的是機械能。
2樓：天堂的階梯_君
直流發電機是把機械能轉化為直流電能的機器。它主要作為直流電動機、電解、電鍍、電冶煉、充電及交流發電機的勵磁等所需的直流電源。雖然在需要直流電的地方，也用電力整流元件，把交流電變成直流電，但從使用方便、執行的可靠性及某些工作效能方面來看，交流電整流還不能和直流發電機相比。
直流發電機和直流電動機在結構上沒有差別。只不過直流發電機是用其他機器帶動，使其導體線圈在磁場中轉動，不斷地切割磁感線，產生感應電動勢，把機械能變成電能。直流發電機由靜止部分和轉動部分組成。
靜止部分叫定子，它包括機殼和磁極，磁極當然是用來產生磁場的；轉動部分叫轉子，也稱電樞。電樞鐵芯呈圓柱狀，由矽鋼片疊壓而成，表面衝有槽，槽中放置電樞繞組。換向器是直流電機的構造特徵，在示意圖中，換向器就是那兩個與線圈abed兩端a與d相連的弧形導電滑片1和2，這兩個弧形導電滑片相互絕緣。
隨著線圈轉動。兩個固定不動的電刷a和b，緊壓在換向器滑片上，並與外電路相連線。
直流發電機
當發電機的電樞被其他機器帶動以勻均速逆時針旋轉時，線圈abcd作切割磁感線運動。線圈轉到圖7－4所示位置時，用右手定則可以判斷出ab段導體產生的感應電動勢方向為b→a；cd段導體產生的感應電動勢方向為c→a，則與滑片1接觸的電刷a為正極，與滑片2接觸的電刷b為負極。當線圈轉到中性面（與磁感線相垂直的平面）時，感應電動勢從最大值逐漸減小到零。
當線圈轉過中性面後，ab段導體產生的感應電動勢方向由a→b；cd段導體的感應電動勢方向由c→d。此時，電刷a改為與換向器的滑片2接觸，電刷b與滑片1接觸。隨著線圈在磁場中的不斷轉動，換向器滑片1和2間的感應電動勢是大小和方向都隨時間變化的交變電動勢，但電刷a與b交替地接觸與線圈同時轉動的換向器滑片1和2，因此在電刷a與b間產生的是脈動直流電動勢，從a與b輸出的就是直流電了。
為了減小直流發電機輸出的直流電的脈動性，電樞繞組並不是單線圈，而是由許多線圈組成，繞組中的這些線圈均勻地分布在電樞鐵芯的槽內，線圈的端點接到換向器的相應的滑片上。換向器實際上由許多弧形導電滑片組成，彼此用雲母片相互絕緣。線圈和換向器的滑片數目越多，產生的直流電脈動就越小，這當然也給製造上帶來困難。
直流發電機產生的感應電動勢的大小與定子磁場的磁感應強度和電樞的轉速成正比。中小型直流光電機輸出的額定電壓並不高，為115伏、230伏、460伏。大型的直流發電機輸出的額定電壓在800伏左右，輸出更高電壓的直流發電機屬於高壓特殊機組的範圍內，比較少用了。
將機械能轉換為直流電能的發電機。一般有永磁、他勵、並勵和復勵 4種型別。永磁直流發電機用永久磁鐵產生磁場。
並勵直流發電機和復勵直流發電機的勵磁電流都取自發電機本身，故又稱自勵直流發電機。他勵直流發電機則因由獨立的勵磁電源勵磁而得名。另有一種作公升壓機用的串勵式直流發電機。
各種直流發電機的特性和用途見表。
外特性 在保持勵磁迴路電阻及電樞轉速恆定的條件下，發電機端電壓u 隨負載電流i 的變化而變化的關係曲線稱為外特性。它是使用者選用直流發電機的主要依據。
圖1所示為他勵直流發電機的外特性。端電壓u 隨負載電流的增大而略有下降。這是因為電樞迴路存在的電阻壓降和電樞磁場的去磁效應均隨電樞電流增大而增大所致。
一般採用電壓變化率來衡量電壓變化的程度。電壓變化率用空載電壓u0與額定負載的電壓（稱額定電壓）ux之差除以額定電壓的百分值表示，即
他勵直流發電機的電壓變化率較小,一般為5～10％，其勵磁電流的調節不受電樞電壓限制，調節範圍大，但需要獨立直流電源，裝置複雜。適用於要求電壓可調範圍大，負載電流變化時電壓又比較穩定的中型和大型機組。
圖2為各種直流發電機外特性的比較。曲線 1為並勵直流發電機的外特性。其電壓變化率較大，一般可達20～40％。
這是因為除了電樞迴路電阻壓降和電樞磁場的去磁效應等使電壓降低因素外，並勵繞組電流也隨電壓下降而減小。並勵直流發電機通常只用於供電線路較短的場合，如同步電機的勵磁機和蓄電池充電電源等。
復勵直流發電機中同時有並勵繞組和串勵繞組（見直流電機）。若並勵繞組磁通勢與串勵繞組磁通勢方向相反時，稱差復勵，這種直流發電機的外特性如圖 2中曲線5所示,是一條頗陡的曲線，不難看到，即使負載短路，端電壓等於零，電流也不會太大，故適用於要求恆電流的場合，如電焊機等。若並勵繞組磁通勢與串勵繞組磁通勢方向相同時，稱積復勵。
這時隨著負載電流的增大，串勵磁通勢將促使電壓上公升，有抵消電樞電阻壓降和電樞去磁的作用。若發電機在額定電流ix時的端電壓等於空載電壓，相當於圖 2中外特性曲線3,這樣的復勵稱平復勵。如果串勵繞組匝數不足，則在額定電流ix時端電壓低於空載電壓,如曲線4，則稱欠復勵。
也可以加多串勵繞組匝數，使額定電流時的電壓高於空載電壓，如曲線2,則稱過復勵。可見,積復勵直流發電機設計上比較靈活,能適應各種不同負載對發電機外特性的要求，故應用得較為廣泛，例如用於供電線路較長而需要補償線路電壓降的場合。
自勵磁條件 發電機要自勵磁首先應有剩磁。對於已通過電流的直流電機，鐵磁材料中一般都有剩磁。電樞繞組切割剩磁通，便能產生剩磁電動勢。
對於具有並勵繞組的直流電機，此電動勢便在並勵繞組中產生勵磁磁通勢，若它的方向與剩磁方向一致，則起加強磁場的作用。因此，只要符合下列條件，便有可能逐步提高電樞電壓而最後建立起穩定的端電壓：①並勵繞組與電樞間相並接的端點必須與電樞的轉向配合得當，這樣才可以使勵磁繞組的磁通勢與剩磁方向一致；②並勵迴路的電阻不能超過某一臨界電阻，否則，會因自勵電流不足而無法使並勵迴路建立起正常的使用電壓。
所謂臨界電阻，是指某轉速時電樞能建立正常端電壓的最大並勵迴路電阻。臨界電阻大小與轉速高低有關，轉速高則臨界電阻大。
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