直流发电机使用什么原理制成的？

Question

直流发电机使用什么原理制成的？

Answer 1

直流电机的基本工作原理

直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。

直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。因此，电机制造业中正在努力改善交流电动机的调速性能，并且大量代替直流电动机。不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。包括直流电机在内的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。一条是：导线切割磁通产生感应电动势；另一条是：载流导体在磁场中受到电磁力的作用。因此，从结构上来看，任何电机都包括磁场部分和电路部分。从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。我们在这一章里讨论直流电机的结构和工作原理，就是讨论直流电机中的“磁”和“电”如何相互作用，相互制约，以及体现两者之间相互关系的物理量和现象（电枢电动势、电磁转矩、电磁功率、电枢反应等）。

一、 直流发电机的基本工作原理
直流发电机和直流电动机具有相同的结构，只是直流发电机是由原动机（一般是交流电动机）拖动旋转而发电。可见，它是把机械能变为电能的设备。直流电动机则接在直流电源上，拖动各种工作机械（机床、泵、电车、电缆设备等）工作，它是把电能变为机械能的设备。但是，当前已经有可控硅整流装置替代了直流发电机，为了能使大家更好的理解直流电动机，有必要同时讲述一下直流发电机的原理。

我们首先来观察直流发电机是怎样工作的。
如图1所示，电刷A、B分别与两个半园环接触，这时A、B两电刷之间输出的是直流电。我们再来看看这时线圈在磁极之间运动的情况。从图1（a）可以看出，当线圈的ab边在N极范围内按逆时针方向运动时，应用发电机右手定则，这时所产生的电动势是从b指向a。这时线圈的cd边则是在S极范围内按逆时针方向运动，依据发电机右手定则可以判断，cd边中的感应电动势方向是从d指向c。从整个线圈来看，感应电动势的方向是d-c-b-a。因此，和线圈a端连接的铜片1和电刷A是处于正电位；而和线圈的d端连接的铜片2和电刷B是处于负电位。如果接通外电路，那么电流就从电刷A经负载流入电刷B，与线圈一起构成闭合的电流通路。

当线圈的ab边转到S极范围内时，cd边就转到N极范围内（图1，b），用右手定则判断可以知道，这时线圈cd边中产生的电动势方向是从c到d，而ab边转到了S极范围内，其中电动势的方向则是有a到b。由于电刷在空间是不动的，因此和线圈d端连接的铜片2和电刷A接触，它的电位仍然是正。而与线圈a端连接的铜片1则和电刷B接触，它的电位仍然是负。接通外电路时，电流仍然是从电刷A经负载流入电刷B，与线圈一起构成闭合的电流通路。不过，要注意到这时线圈内的电流已经反向了。

由此可知，当线圈不停地旋转时，虽然与两个电刷接触的线圈边不停的变化，但是，电刷A始终是正电位，电刷B始终是负电位。因此，有两电刷引出的是具有恒定方向的电动势，负载上得到的是恒定方向的电压和电流。也就是说，尽管线圈abcd中感应电动势的方向不断交变，但是电刷A总是和处在N极范围内的线圈边接触，电刷B总是和处在S极范围内的线圈边相接触，它们的极性始终不变。于是，线圈中的交流电经过铜片和电刷整流后，便成为外电路中的直流电了。这两个半圆形的铜片就叫做换向片，它们合在一起叫做换向器。

二、 直流电动机的基本工作原理
上面已经讨论了直流发电机的工作原理，现在再来讨论直流电动机是怎样工作的。

如果直流电机的转子不用原动机拖动，而把它的电刷A、B接在电压为U的直流电源上（如图2所示），那么会发生什么样的情况呢？从图上可以看出，电刷A是正电位，B是负电位，在N极范围内的导体ab中的电流是从a流向b，在S极范围内的导体cd中的电流是从c流向d。前面已经说过，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab和cd两导体都要受到电磁力Fde的作用。根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，ab边受力的方向是向左，而cd边则是向右。由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的电流，所以，ab边和cd边所受电磁力的大小相等。这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过半州之后，虽然ab与cd的位置调换了，ab边转到S极范围内，cd边转到N极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到N极下的cd边中电流方向也变了，是从d流向c，在S极下的ab边中的电流则是从b流向a。因此，电磁力Fdc的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。可见，分别处在N、S极范围内的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不停的旋转了，通过齿轮或皮带等机构的传动，便可以带动其它工作机械。

从以上的分析可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内时（也就是导体经过中性面后），导体中电流的方向也要同时改变。换向器和电刷就是完成这个任务的装置。在直流发电机中，换向器和电刷的任务是把线圈中的交流电变为直流电向外输出；而在直流电动机中，则用换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电。可见，换向器和电刷是直流电机中不可缺少的关键性部件。

当然，在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。
比较直流发电机和直流电动机的工作原理可以看出，它们的输入和输出的能量形式不同的。正如前面已经说过，直流发电机由原动机拖动，输入的是机械能，输出的是电能；直流电动机则是由直流电源供电，输入的是电能，输出的是机械能。

参考资料：http://zhidao.baidu.com/question/28936504.html

Answer 2

直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁等所需的直流电源。虽然在需要直流电的地方，也用电力整流元件，把交流电变成直流电，但从使用方便、运行的可靠性及某些工作性能方面来看，交流电整流还不能和直流发电机相比。

直流发电机和直流电动机在结构上没有差别。只不过直流发电机是用其他机器带动，使其导体线圈在磁场中转动，不断地切割磁感线，产生感应电动势，把机械能变成电能。直流发电机由静止部分和转动部分组成。静止部分叫定子，它包括机壳和磁极，磁极当然是用来产生磁场的；转动部分叫转子，也称电枢。电枢铁芯呈圆柱状，由硅钢片叠压而成，表面冲有槽，槽中放置电枢绕组。换向器是直流电机的构造特征，在示意图中，换向器就是那两个与线圈abed两端a与d相连的弧形导电滑片1和2，这两个弧形导电滑片相互绝缘。随着线圈转动。两个固定不动的电刷A和B，紧压在换向器滑片上，并与外电路相连接。

直流发电机

当发电机的电枢被其他机器带动以匀均速逆时针旋转时，线圈abcd作切割磁感线运动。线圈转到图7－4所示位置时，用右手定则可以判断出ab段导体产生的感应电动势方向为b→a；cd段导体产生的感应电动势方向为c→a，则与滑片1接触的电刷A为正极，与滑片2接触的电刷B为负极。当线圈转到中性面（与磁感线相垂直的平面）时，感应电动势从最大值逐渐减小到零。当线圈转过中性面后，ab段导体产生的感应电动势方向由a→b；cd段导体的感应电动势方向由c→d。此时，电刷A改为与换向器的滑片2接触，电刷B与滑片1接触。随着线圈在磁场中的不断转动，换向器滑片1和2间的感应电动势是大小和方向都随时间变化的交变电动势，但电刷A与B交替地接触与线圈同时转动的换向器滑片1和2，因此在电刷A与B间产生的是脉动直流电动势，从A与B输出的就是直流电了。

为了减小直流发电机输出的直流电的脉动性，电枢绕组并不是单线圈，而是由许多线圈组成，绕组中的这些线圈均匀地分布在电枢铁芯的槽内，线圈的端点接到换向器的相应的滑片上。换向器实际上由许多弧形导电滑片组成，彼此用云母片相互绝缘。线圈和换向器的滑片数目越多，产生的直流电脉动就越小，这当然也给制造上带来困难。直流发电机产生的感应电动势的大小与定子磁场的磁感应强度和电枢的转速成正比。中小型直流光电机输出的额定电压并不高，为115伏、230伏、460伏。大型的直流发电机输出的额定电压在800伏左右，输出更高电压的直流发电机属于高压特殊机组的范围内，比较少用了。
将机械能转换为直流电能的发电机。一般有永磁、他励、并励和复励 4种类型。永磁直流发电机用永久磁铁产生磁场。并励直流发电机和复励直流发电机的励磁电流都取自发电机本身，故又称自励直流发电机。他励直流发电机则因由独立的励磁电源励磁而得名。另有一种作升压机用的串励式直流发电机。各种直流发电机的特性和用途见表。
外特性 在保持励磁回路电阻及电枢转速恒定的条件下，发电机端电压U 随负载电流I 的变化而变化的关系曲线称为外特性。它是用户选用直流发电机的主要依据。

图1所示为他励直流发电机的外特性。端电压U 随负载电流的增大而略有下降。这是因为电枢回路存在的电阻压降和电枢磁场的去磁效应均随电枢电流增大而增大所致。一般采用电压变化率来衡量电压变化的程度。电压变化率用空载电压U0与额定负载的电压（称额定电压）Ux之差除以额定电压的百分值表示，即

他励直流发电机的电压变化率较小,一般为5～10％，其励磁电流的调节不受电枢电压限制，调节范围大，但需要独立直流电源，设备复杂。适用于要求电压可调范围大，负载电流变化时电压又比较稳定的中型和大型机组。

图2为各种直流发电机外特性的比较。曲线 1为并励直流发电机的外特性。其电压变化率较大，一般可达20～40％。这是因为除了电枢回路电阻压降和电枢磁场的去磁效应等使电压降低因素外，并励绕组电流也随电压下降而减小。并励直流发电机通常只用于供电线路较短的场合，如同步电机的励磁机和蓄电池充电电源等。
复励直流发电机中同时有并励绕组和串励绕组（见直流电机）。若并励绕组磁通势与串励绕组磁通势方向相反时，称差复励，这种直流发电机的外特性如图 2中曲线5所示,是一条颇陡的曲线，不难看到，即使负载短路，端电压等于零，电流也不会太大，故适用于要求恒电流的场合，如电焊机等。若并励绕组磁通势与串励绕组磁通势方向相同时，称积复励。这时随着负载电流的增大，串励磁通势将促使电压上升，有抵消电枢电阻压降和电枢去磁的作用。若发电机在额定电流Ix时的端电压等于空载电压，相当于图 2中外特性曲线3,这样的复励称平复励。如果串励绕组匝数不足，则在额定电流Ix时端电压低于空载电压,如曲线4，则称欠复励。也可以加多串励绕组匝数，使额定电流时的电压高于空载电压，如曲线2,则称过复励。可见,积复励直流发电机设计上比较灵活,能适应各种不同负载对发电机外特性的要求，故应用得较为广泛，例如用于供电线路较长而需要补偿线路电压降的场合。
自励磁条件 发电机要自励磁首先应有剩磁。对于已通过电流的直流电机，铁磁材料中一般都有剩磁。电枢绕组切割剩磁通，便能产生剩磁电动势。对于具有并励绕组的直流电机，此电动势便在并励绕组中产生励磁磁通势，若它的方向与剩磁方向一致，则起加强磁场的作用。因此，只要符合下列条件，便有可能逐步提高电枢电压而最后建立起稳定的端电压：①并励绕组与电枢间相并接的端点必须与电枢的转向配合得当，这样才可以使励磁绕组的磁通势与剩磁方向一致；②并励回路的电阻不能超过某一临界电阻，否则，会因自励电流不足而无法使并励回路建立起正常的使用电压。所谓临界电阻，是指某转速时电枢能建立正常端电压的最大并励回路电阻。临界电阻大小与转速高低有关，转速高则临界电阻大。

Answer 3

电磁感应原理