如何掌握直流发电机的关键组件及其功能？

时间： 2024-05-26 来源：TOPPOWER（顶源科技）官网

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了解直流发电机组件，如励磁绕组、电枢、换向器、电刷和框架。

发电机（交流发电机）是一种利用电磁感应将机械能转换为电能的机器。直流(DC)发电机的工作原理是，当导体线圈在磁场中旋转时，会在导体线圈中感应出电压。线圈在磁场中旋转的速率决定了线圈中感应电压的大小。当导体线圈在磁场中以恒定速率旋转时，线圈中感应的电压与在任何给定时刻通过线圈环路的磁通量的变化率成正比。直流发电机由励磁绕组、电枢、换向器、电刷和机座组成（见图1）。

图1.直流发电机由励磁绕组、电枢、换向器、电刷和框架组成。

励磁绕组

发电机中使用励磁绕组来产生所需的磁场。磁场也可以由永磁体产生。永磁体用于磁电机，这是一种非常小的机器。永磁体的磁力线随着年龄的增长而减弱，并且其强度无法出于控制目的进行调整。大多数发电机都使用必须供电的电磁体。如果励磁绕组的电流由外部电源（另一台发电机或电池）提供，则发电机单独励磁。如果发电机为励磁绕组提供自己的电流，则该发电机被称为自励式发电机。一般来说，直流发电机是自励磁的。

衔铁

直流发电机中始终存在旋转电枢和固定磁场（励磁绕组）。旋转电枢中有许多线圈。虽然增加线圈数量可以降低输出电压纹波（脉动），但不可能完全消除它们。电枢铁芯由钢板叠片制成，叠片之间通过清漆涂层实现电气隔离（见图2）。

图2.电枢铁芯由钢板叠片制成，叠片之间通过清漆涂层实现电气隔离。

涡流是由于感应磁场的变化率而在设备的金属结构中感应出的不需要的电流。钢板叠片用于防止涡流。钢板叠片增加了对涡流的整体阻力并限制热量积聚。实验表明，磁性材料中的涡流功率损耗与叠片厚度的平方成正比。因此，将叠片厚度减少2 倍，涡流功率损耗就会减少4倍。

大功率发电机的电枢通常是固定部件（定子）。然后磁场就成为发电机的转子。这种设计的原因是，由于电弧，使用电刷从电枢去除非常大的电流是不切实际的。当电枢静止时，使用固定接线来消除高电流。电刷用于将电流施加到励磁绕组，因为与发电机提供的电流相比，磁场所需的电流非常小。

换向器

换向器是电枢的一个组件，它使用铜条（换向片）将每个电枢线圈连接到电刷（见图3）。线圈导体的末端连接至换向器片。每当导体切割磁场的磁力线时，导体中就会感应出电压。每半个周期，换向器片就会反转与电刷的连接。这确保了发电机的输出电压具有恒定的极性。

图3。换向器是电枢的一个组件，它使用铜条（换向片）将每个电枢线圈连接到电刷。

直流发电机使用楔形换向片。换向片的数量由电压和发电机的极数决定。换向片由V形环固定在一起。换向片之间的电压限制为15V，以防止产生电弧。换向片由组装在圆柱体上的硬拉铜制成。每个分段都通过云母片与圆柱体和其他分段绝缘。

刷子

电刷是一种滑动触点，靠在滑环上并将电枢连接到外部电路。电刷用于从发电机换向器中去除电能。电刷由碳或石墨材料制成，通常易于更换。电刷固定在电刷支架中，并且可以在支架中自由地上下移动。这种自由度允许电刷沿着换向器表面的不规则形状移动。电刷架安装在发电机的框架上，但与其电绝缘。电刷后面的弹簧迫使其与换向器接触。弹簧压力通常是可调的。辫子将电刷连接到电源。尾纤是一种延伸的柔性连接或编织铜导体。

电刷材料必须具有良好的导电性，并且足够柔软，不会损坏换向器的铜片。对于高压电机，电刷材料由碳和石墨的混合物组成；对于低压电机，电刷材料由石墨和金属粉末组成。电刷中的石墨提供润滑作用。不得使用其他润滑剂，因为它可能会导致电气问题和设备损坏。

在需要更换之前，电刷通常会磨损到其原始长度的一小部分。由于电刷会磨损，因此通过可调节拉力弹簧施加恒定压力，使电刷能够与换向器保持接触（见图4））。施加到刷子上的压力通常在1.5psi到2psi之间。电刷张力不当或与换向器轴线未对准会导致过度电弧。电刷上的过多电弧极大地限制了它们的寿命。电刷处的电弧可能是由于弹簧张力不当造成的；安装时无法与换向器的整个区域接触；运行过程中的振动或颤动；换向器片脏、磨损、不圆或松动；线圈和换向片之间的焊接连接不良；电枢绕组短路；或过载的发电机。

图4.由于电刷会随着使用而磨损，因此通过可调节拉力弹簧施加恒定压力，以便电刷能够保持与换向器的接触。

框架

发电机的框架为发电机部件提供机械支撑。大多数框架由一个轭架和两个端框架组成。磁轭是框架的中心部分，励磁线圈安装在其中。端框架（端钟）是框架的两端部分。端钟连接到磁轭上，并通过安装在其框架中的轴承支撑电枢轴。一些发电机具有通过端架上的开口润滑轴承的装置。框架通常由退火钢制成，具有良好的磁性，可限制能量损失。典型的大型发电机可能重数百磅。冷却风扇通常连接在驱动轴处的钟罩内部或外部，以将空气拉过发电机以达到冷却目的。

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