直流发电机的工作原理

直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。

图1.1是一台交流发电机的原理模型。图中， 、 为一对固定的磁极（一般是电磁铁，也可以是永久磁铁）， 是装在可以转动的圆柱体表面上的一个线圈，把线圈的两端分别接到两个圆环（称为滑环）上（以后把这个可以转动的装有线圈的圆柱体称为电枢）。在滑环上分别放上两个固定不动的由石墨制成的电刷 和 。通过电刷 和 把旋转着的电路与外部电路相联接。

图1.1 交流发电机原理模型

1—磁极；2—电枢；3—滑环；4—电刷

当原动机拖动电枢以恒速 逆时针方向转动时，根据电磁感应定律可知，在线圈边（即导体） 和 中有感应电动势产生。感应电动势 的大小用式（1.1）确定。

（1.1）

式中 ——导体所在处的磁密（ ）；

——导体 或 的长度（ ）;

υ ——导体 或 与 之间的相对线速度（ ）。

感应电动势的方向按右手定则确定。在图2.1所示瞬间，导体 、 的感应电动势方向分别由 指向 和由 指向 。这时电刷 呈高电位，电刷 呈低电位。当图1.1中电枢逆时针方向转过180°时，导体 与 互换了位置，用右手定则判断，此时导体 、 中的感应电动势方向都与图1.1所示瞬间的相反。这时电刷A呈低电位，电刷B呈高电位。如果电枢继续逆时针方向旋转180°，导体 、 又转到图1.1所示位置，则电刷 又呈高电位，电刷 呈低电位。由此可见，图1.1中电枢每转一周，线圈 中感应电动势方向交变一次，因此线圈内的感应电动势是一种交变电动势，这是最简单的交流发电机的原理。

如果想要得到直流电动势，那么必须把上述线圈 感应的电动势进行整流，实现整流的装置称之为换向器。

图2.2是直流发电机的原理模型，它由两个铜质换向片代替图1.1中的两个滑环。换向片之间用绝缘材料隔开，线圈 出线端分别与两个换向片相连，电刷 、 与换向片相接触并固定不动，这就是最简单的换向器。有了换向器，在电刷 、 之间感应电动势就和图1.1中电刷 、 间的电动势大不一样了。例如，在图2.2所示瞬间，线圈 中感应电动势的方向如图中所示，这时电刷 呈正极性，电刷 呈负极性。当线圈逆时针方向旋转180°时，这时导体 位于 极下，导体 位于 极下，各导体中电动势都分别改变了方向。但是，由于换向片随着线圈一同旋转，本来与电刷 相接触的那个换向片，现在却与电刷 接触了；与电刷 相接触的换向片与电刷 接触了，显然这时电刷 仍呈正极性，电刷 呈负极性。从图1.2看出，和电刷 接触的导体永远位于 极下，同样，和电刷 接触的导体永远位于 极下。因此，电刷 始终有正极性，电刷 始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。同时也说明了直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。

图1.2 直流发电机的原理模型

图1.3 直流电动机的原理模型

1—磁极；2—电枢；3—换向器；4—电刷 1—磁极；2—电枢；3—换向器；4—电刷