直流电动机的工作原理

直流电动机的工作原理基于电磁相互作用定律。根据该定律，当载流导体或线圈置于磁场中时，导体或线圈会受到电磁力。

此力的幅度由下式给出：

$$\mathrm{\mathit{F=BIL}}$$

其中：

• $\mathit{B}$ 为磁通密度，

• $\mathit{I}$ 为流过导体或线圈的电流，以及

• $\mathit{l}$ 为导体的长度。

此力的方向可以通过弗莱明左手定则 (FLHR)确定，我们在本教程的模块 1（基本概念）中讨论过。

为了理解直流电动机的工作原理，考虑图 1 所示的双极直流电动机。

当该直流电动机的端子连接到外部直流电源时，机器内部会发生以下两种现象：

• 励磁电磁铁被激磁，产生交替的N极和S极。

• 电枢导体带有电流。其中，N极下的导体电流方向相同（例如，指向纸内），而S极下的导体电流方向相反（例如，指向纸外）。

由于在这种情况下，每个导体都带有电流并置于磁场中。由于电流和磁场之间的相互作用，导体上会作用一个机械力。

应用弗莱明左手定则，可以清楚地看出，每个导体上的机械力都倾向于使导体沿逆时针方向移动。所有导体上的机械力加在一起产生一个驱动转矩，使电枢旋转。

当导体从一个极侧移动到另一个极侧时，由于换向作用，该导体中的电流反向，同时，它受到下一个极性相反的极的影响。结果，导体上力的方向保持不变。通过这种方式，直流电动机的电枢持续在一个方向上旋转。

直流电动机的电枢转矩

直流电动机的电枢绕其轴旋转。因此，作用于电枢上的机械力称为电枢转矩。它定义为作用于电枢导体上的力的转动矩，由下式给出：

$$\mathrm{\mathit{\tau _{a}}/conductor\:=\:\mathit{F\times r}}$$

其中，F 是作用在每个导体上的力，r 是电枢的平均半径。

如果电枢中的导体数为 Z，则总电枢转矩由下式给出：

$$\mathrm{\therefore \mathit{\tau _{a}}\:=\:\mathit{ZF\times r}\:=\:\mathit{ZBIL\times r}}$$

因为

$$\mathrm{\mathit{B}\:=\:\frac{\mathit{\phi }}{\mathit{a}};\:\mathit{I\:=\:\frac{I_{a}}{A}};\mathit{a\:=\:\frac{\mathrm{2}\pi rl}{P}}}$$

其中，$\phi$ 为每极磁通量，$\mathit{I_{a}}$ 为电枢电流，l 为每个电枢导体的有效长度，A 为并联支路数，P 为极数。然后，

$$\mathrm{\mathit{\tau _{a}}\:=\:\frac{\mathit{Z\phi I_{a}}P}{\mathrm{2}\pi A}}$$

因为对于给定的直流电动机，Z、P 和 A 是固定的。

$$\mathrm{\therefore \mathit{\tau _{a}}\propto \mathit{\phi I_{a}}}$$

因此，直流电动机的转矩与每极磁通量和电枢电流成正比。