MC-B1 · 直流电机原理

直流电机与换向器

在磁场中转动的线圈，其电动势本来是交流。亲自选择切换连接的时刻，确认换向器如何把这个交流翻转成单一方向。

要在外部得到直流，何时该切换连接

线圈中的电动势是每转半圈就改变符号的交流。用标签在三个时刻中选择电刷与线圈交换连接的时刻，上方的波形就变成外部端子上出现的电压；在哪个时刻外部端子只看到单一方向的电压，就是本课要回答的问题。

用标签选择切换连接的时刻。上方波形是外部端子电压。

外部端子所见电压

e_ext = sin θ

如果从不切换连接，外部看到的就是线圈中原样的交流：每转半圈就在正负之间来回的 sin θ，不是直流。

不吻合

旋转导体的电动势是交流

线圈在磁场中转动时，交链的磁通随转角变化，感应电动势为 e = -dΦ/dt。导体以最快速度切割磁感线时电动势最大，沿磁感线方向运动时为 0。转过半圈后，导体相对磁场的运动方向反转，电动势也随之变号，所以线圈中的电动势本来就是交流。如果不用换向器而用两个滑环引出，这个交流就原样输出，那就是交流发电机。

观察e(θ) ∝ sin θ

转动导体的电动势是随角度正弦变化的交流。

换向器在过零处翻转连接

换向器是一分为二的环，与线圈一起转动。固定的电刷在线圈平面与磁场垂直、交链磁通最大、电动势为 0 的瞬间滑到下一片上，正是在这一刻与外部的连接互换。线圈电动势转向负值时，连接已经翻转，所以外部端子始终看到相同的极性。因为在电动势为 0 的瞬间切换，火花也很小，所以电刷要对准这个位置，即中性轴。如今很多电动机是无刷的，用测量转子位置的传感器和半导体开关代替电刷和换向器完成同样的切换。

选择换向 θ = ?

换向器在电动势为 0 的过零点切换连接。

填空e_ext = ?

外部电动势经整流成为正弦的绝对值。

增加导体得到更平滑的直流与更大电动势

一个线圈会按 |sin θ| 的形式大幅脉动。增加槽数和换向片、让多个线圈重叠，各自相位不同的脉动叠加起来就成为近乎平滑的直流，平均电动势也随之增大。归纳起来，平均感应电动势为 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 为每分钟转速，a 为并联支路数。

自己来E = ?

平均感应电动势与磁通、导体数和转速的乘积成正比。

回到第一屏

外部只看到单一方向电压的情况，只有在过零点切换连接时。不切换时交流原样输出，在错误时刻切换则会凹成负值。换向器的关键，是在电动势变为 0 的那一刻翻转外部连接的时机；这样即使线圈变为负，外部仍保持为正，交流电动势就变成了脉动直流。直流电机就是用机械方式整流由转动产生的交流的装置。

直流电机：在磁场中转动的线圈电动势是交流（e ∝ sin θ），但换向器在电动势为 0 的过零点交换电刷连接，使外部得到单一方向的电压（脉动直流 |sin θ|）。增加导体和换向片可使脉动平滑，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。把同一台电机反过来用，外部直流经换向器进入线圈，产生单一方向的转矩，这就是直流电动机。不过电枢电流产生的磁通会使主磁通畸变、使过零点偏移，下一课的电枢反应讨论的正是这个问题（MC-B2）。在那里我们会看到过零点怎样偏移、又怎样补偿。