MC-B1 · 直流电机原理

直流电机与换向器

在磁场中旋转的线圈，其电动势本是交流。亲手选择换向时刻，弄清换向器如何把交流翻成直流。

要在外部得到直流，何时该切换连接

线圈内的电动势是每半圈翻一次符号的交流。把电刷与线圈交换连接的时刻设为三种，看看外部端子在哪一种下看到干净的直流。

点击选择换向时刻。上方波形即外部端子电压。

外部端子所见电压

e_ext = sin θ

若从不切换连接，外部就原样看到线圈内的交流：每半圈正负往返的 sin θ，不是直流。

不吻合

线圈在磁场中旋转，磁链随转角变化，感应电动势为 e = -dΦ/dt。导体最快切割磁通时电动势最大，沿磁通运动时为零。转过半圈，导体相对磁场的运动方向翻转，电动势符号也翻转。所以线圈内的电动势本是交流。

观察e(θ) ∝ sin θ

旋转导体的电动势按角度正弦，交流。

换向器是一分为二的环，随线圈同转。固定的电刷在线圈与磁场对齐、电动势过零的瞬间跨到下一片。正是那一刻，与外部的连接互换。即便线圈电动势转向负，连接已翻转，外部端子始终保持同一极性。在电动势为零时切换，火花也小。

选择换向 θ = ?

换向器在电动势为零的过零处换向。

填空e_ext = ?

外部电动势被整流为正弦的绝对值。

单个线圈以 |sin θ| 形强烈脉动。增加槽与换向片以叠加众多线圈，不同相位的脉动合成近乎平滑的直流，平均电动势也增大。整理得平均感应电动势 E = (P Φ Z N) / (60 a)，其中 P 为极数，Φ 为每极磁通，Z 为总导体数，N 为转速，a 为并联支路数。

自己来E = ?

平均感应电动势是磁通、导体数、转速的乘积形式。

外部看到干净直流，只有在过零处切换连接时。从不切换就保持交流，错误时机切换则压成负值。换向器的核心是时机：在电动势恰为零的那一瞬翻转外部连接。于是线圈转负时外部仍为正，交流电动势变成脉动直流。直流电机是把旋转所生交流加以机械整流的装置。

直流电机：磁场中旋转线圈的电动势是交流(e ∝ sin θ)，但换向器在电动势为零的过零瞬间互换电刷连接，使外部成为单向(脉动直流 |sin θ|)。增加导体与换向片可平滑脉动，平均感应电动势为 E = P Φ Z N / (60 a)。

握住这一整流作用后

换向器是直流电机的心脏。把同一机器反过来用，外部直流经换向器进入线圈，产生单向转矩，即直流电动机。但电枢电流所生磁通会扭曲主磁通、移动过零点，这正是下一单元电枢反应的问题(MC-B2)。那里将看到过零如何被推移、如何校正。