简单分析直流电动机的工作原理

直流电机对于当今的行业至关重要，对于工程师来说，详细了解我们在本文中讨论的直流电机的工作原理同样重要。要了解直流电机的工作原理，我们首先需要了解它的单回路结构特征。

直流电机的基本结构包含一个载流电枢，通过换向器段和电刷连接到电源端。如上图所示，电枢放置在永久磁铁或电磁铁的北极和南极之间。

一旦我们在电枢中提供直流电，由于磁体对电枢导体的电磁效应，机械力就会作用在其上。现在要详细了解直流电机的工作原理，重要的是我们要清楚地了解弗莱明左手定则，以确定作用在直流电机电枢导体上的力的方向。

如果将载流导体垂直放置在磁场中，则导体在与磁场方向和载流导体都垂直的方向上受到力. 弗莱明的左手定则可以确定电机的旋转方向。这条规则说，如果我们将左手的食指、中指和拇指相互垂直伸展，使得中指在导体中的电流方向上，食指在磁场方向上，即，从北极到南极，然后拇指指示所产生的机械力的方向。

为了清楚地理解直流电机的原理，我们必须通过考虑下图来确定力的大小。

我们知道，当无限小的电荷 dq 在电场E 和磁场 B 的影响下以速度“v”流动时，电荷所经历的洛伦兹力 dF 由下式给出：-

对于直流电机的运行，考虑到 E = 0。即它是 dq v 和磁场B

的叉积。其中，dL 是导体携带电荷 q 的长度。

从第一张图中我们可以看出，直流电机的结构使得通过电枢导体的电流方向在所有情况下都垂直于磁场。因此，力作用在电枢导体上的方向垂直于均匀场，并且电流是恒定的。

因此，如果我们将电枢导体左侧的电流设为 I，将电枢导体右侧的电流设为 -I，因为它们的流动方向彼此相反。

然后是左侧电枢导体上的力：

同样地，右侧导体上的力：

因此，我们可以看到，在该位置，两侧的力大小相等但方向相反。由于两个导体相隔一定距离 w = 电枢匝的宽度，因此两个相反的力会产生导致电枢导体旋转的旋转力或扭矩。

现在让我们检查当电枢转动与其初始位置形成 α (alpha) 角时扭矩的表达式。

产生的转矩由下式给出：

这里 α (alpha) 是电枢匝的平面与参考平面之间的角度，或者是电枢的初始位置，这里是沿着磁场的方向。

扭矩方程中 cosα 项的存在很好地表明，与力不同，所有位置的扭矩都不相同。事实上，它随着角度 α (alpha) 的变化而变化。为了解释扭矩的变化和电机旋转背后的原理，让我们逐步分析。

第 1 步：

最初考虑电枢处于角度 α = 0 的起始点或参考位置。

由于 α = 0，术语 cos α = 1 或最大值，因此该位置的扭矩最大由 τ 给出= BILw。这种高启动扭矩有助于克服电枢其余部分的初始惯性并将其设置为旋转。

第2步：

一旦电枢开始运动，电枢的实际位置与其初始参考位置之间的角度 α 在其旋转路径中继续增加，直到它从其初始位置变为 90度。因此，cosα 项减小，扭矩值也减小。

在这种情况下，扭矩由 τ = BILwcosα 给出，当 α 大于 0 o时，它小于 BIL w 。

步骤 3：

在电枢的旋转路径中，到达转子的实际位置与其初始位置完全垂直的点，即 α = 90 o，因此项 cosα = 0。在该位置的导体上由下式给出，

即在这种情况下，几乎没有旋转扭矩作用在电枢上。但是电枢仍然没有停止，这是因为直流电机的运行被设计成这样一种方式，即此时的运动惯性刚好足以克服这个零扭矩点。一旦转子越过该位置，电枢的实际位置与初始平面之间的角度再次减小，并且扭矩再次开始作用在其上。

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