1.1 直流电机的基本工作原理及基本结构

直流电机包括直流发电机和直流电动机。将机械能转换为电能的是直流发电机，将电能转换为机械能的是直流电动机。

与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护较困难。但直流电动机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力等很多优点，在起动和调速要求较高的生产机械中，仍得到广泛的应用。由于电力电子技术的迅速发展，作为直流电源的直流发电机已逐步被晶闸管整流装置所取代，但在电镀、电解行业中仍继续得以应用。

1.1.1 直流电机的基本工作原理

1. 直流发电机的基本工作原理

直流发电机的工作原理基于电磁感应原理。在磁感应强度为B_x的磁场中，一根长度为l的导体以匀速v作垂直切割磁力线的运动时，则在导体中产生感应电动势，其值的大小为：

式中，B_x为导体所在处的磁通密度（Wb/m²）；l为导体切割磁力线的有效长度（m）；v为导体与B_x间的相对线速度（m/s）；e为导体感应电动势（V）。

图1-1为直流发电机的工作原理模型。图中N、S是一对在空间固定不动的磁极（可以是永久磁铁，也可以是电磁机构），abcd是安装在可以转动的导磁柱上的一个线圈，（整个转动部分称为转子或电枢），线圈两端分别接到两个相互绝缘的半圆形铜环1和2上。半圆形铜环称为换向片，这两个换向片就构成了最简单的换向器。换向片分别与固定不动的电刷A和B保持滑动接触，这样，旋转着的线圈可以通过换向片、电刷与外电路接通。

当原动机拖动电枢以一定的速度在磁场中逆时针旋转时，根据电磁感应原理，线圈有效边ab和cd切割磁力线产生感应电动势，其方向用右手定则（又称为右手发电机定则：把右手掌伸开，大拇指与其他四指成90°，磁力线垂直穿过手心，大拇指指向导体运动方向，四指的方向为导体中感应电动势或感应电流的方向）确定。在图1-1a中所示的位置，线圈的ab边处于N极下，产生的感应电动势从b指向a；线圈的cd边处于S极下，产生的感应电动势从d指向c。在此状态下电刷A的极性为正，电刷B的极性为负。若接通电路，电流i的方向为：d→c→b→a→1→A（+）→⊗（负载）→B（-）→2→d。

当ab边转到S极下，cd边转到N极下时，如图1-1b所示，ab、cd导体的感应电动势方向都要随之改变，于是，整个线圈的感应电流方向变为：a→b→c→d→2→A（+）→⊗（负载）→B（-）→1→a。

可见：

① 线圈内部的感应电动势是交变的。

② 由于电刷A始终与转到N极下的线圈边所连接的换向片接触，电刷B始终与转到S极下的线圈边所连接的换向片接触，因此电刷A的极性总为正，电刷B的极性总为负，在电刷两端可获得直流电动势。

在图1-1a所示位置，当直流发电机改为顺时针旋转时，用右手定则判定线圈中感应电动势的方向为a→b→c→d，通过换向片与电刷的滑动接触，则电刷B极性为正，电刷A极性为负。所以，直流发电机改变电枢旋转方向可以改变输出电动势的极性。

由右手定则可知，决定感应电动势方向的因素有两个：一是导体运动方向（电枢转向），二是磁场极性。所以，改变磁场的极性也可使直流发电机电刷两端输出的电动势极性改变。

2. 直流电动机的基本工作原理

直流电动机的工作原理基于电磁力定律。若磁场B_x与导体互相垂直，且导体中通以电流i，则作用于载流导体上电磁力f为

式中，B_x为导体所在处的磁通密度（Wb/m²）；l为导体切割磁力线的有效长度（m）；i为导体中流过的电流（A）；f为电磁力（N）。

图1-2是直流电动机的工作原理模型。电刷A、B两端加直流电压，在图1-2a所示的位置，电流从电源的正极流出，经过电刷A、换向片1而流入电动机线圈，电流方向为a→b→c→d，然后再经过换向片2与电刷B流回电源的负极。根据电磁力定律，线圈边ab与cd在磁场中分别受到电磁力的作用，其方向可用左手定则（又称左手电动机定则，即：把左手伸开，大拇指与其他四指成90°角，让磁力线垂直穿过手心，四指的方向为导体中电流的方向，大拇指的方向就是导体受力的方向）确定，如图1-2a所示。此电磁力与转子半径之积即为电磁转矩。该电磁转矩使电动机逆时针方向旋转。当线圈边ab转到S极面下、cd转到N极面下时，如图1-2b所示，流经线圈的电流方向改变，这样导体所受的电磁力方向不变，从而保持电动机沿着一个固定的方向旋转。

图1-2中，直流电动机怎样才能顺时针旋转呢？电动机顺时针旋转需获得一个顺时针方向的电磁转矩，由左手定则可知，电磁力的方向取决于磁场极性和导体中电流的方向，所以直流电动机获得反转的方法有两个：一是改变磁场极性；二是改变电源电压的极性使流过导体的电流方向改变。应注意，二者只能改变其一，否则，直流电动机的转向不变。

综上所述可知，不论是直流发电机还是直流电动机，换向器可以使正电刷A始终与经过N极面下的导体相连，负电刷B始终与经过S极面下的导体相连，故电刷之间的电压是直流电，而线圈内部的电流则是交变的，所以换向器是直流电机中换向的关键部件。通过换向器和电刷，把直流发电机线圈中的交变电动势整流成电刷间的方向不变的直流电动势；把直流电动机电刷间的直流电流变成线圈内的交变电流，以确保电动机沿固定方向旋转。

3. 电机的可逆原理

观察图1-1和图1-2可发现，直流发电机和电动机工作原理模型的结构完全相同，但工作原理又不同。

1）直流发电机。当发电机带负载以后，例如图1-1中电刷两端接一灯泡，就有电流流过负载，同时也流过线圈，其方向与感应电动势方向相同。根据电磁力定律，载流导体ab和cd在磁场中会受力的作用，形成的电磁转矩方向为顺时针方向，与转速方向相反。这意味着，电磁转矩阻碍发电机旋转，是制动转矩。

为此，原动机必须用足够大的拖动转矩来克服电磁转矩的制动作用，以维持发电机的稳定运行。此时发电机从原动机吸取机械能，转换成电能向负载输出。

2）直流电动机。从图1-2中可知，当电动机旋转起来后，导体ab和cd切割磁力线，产生感应电动势，用右手定则判断出其方向与电流方向相反。这意味着，此电枢电动势是一反电动势，它阻碍电流流入电动机。

所以，直流电动机要正常工作，就必须施加直流电源以克服反电动势的阻碍作用，把电流送入电动机。此时电动机从直流电源吸取电能，转换成机械能输出。

综上所述，无论发电机还是电动机，由于电磁的相互作用，电枢电动势和电磁转矩是同时存在的。一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，电机的结构相同，只是运行的外界条件不同而已，这就是直流电机的可逆原理。

1.1.2 直流电机的基本结构

1. 定子部分

定子主要由主磁极、机座、换向磁极、电刷装置和端盖组成。小型直流电机的结构如图1-3所示。其剖面图如图1-4所示。

主磁极的作用是产生恒定、有一定空间分布形状的气隙磁通密度。主磁极由主磁极铁心和放置在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心分成极身和极靴，极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀并减小气隙磁阻，同时极靴对励磁绕组也起支撑作用。为减小涡流损耗，主磁极铁心是用1.0～1.5mm厚的低碳钢板冲成一定形状，用铆钉把冲片铆紧，然后再固定在机座上。主磁极上的线圈是用来产生主磁通的，称为励磁绕组。当给励磁绕组通入直流电时，各主磁极均产生一定极性，相邻两主磁极的极性是N、S交替出现的。直流电机主磁极的结构如图1-5所示。

一般直流电机均采用整体机座。整体机座是用导磁效果较好的铸钢材料制成的。这种机座能同时起到导磁和机械支撑作用。由于机座起导磁作用，因此机座是主磁路的一部分，称为定子铁轭。主磁极、换向极及端盖均固定在机座上，机座起机械支撑作用。

换向极用来改善直流电机的换向，一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。换向极的铁心一般用整块钢板制成，在其上放置换向极绕组，换向极安装在相邻的两主磁极之间。

电刷装置是直流电机的重要组成部分。通过该装置把电机电枢中的电流与外部静止电路相连或把外部电源与电机电枢相连。电刷装置与换向片一起完成机械整流，把电枢中的交变电流变成电刷上的直流或把外部电路中的直流变换为电枢中的交流。电刷的结构如图1-6所示。

电机中的端盖主要起支撑作用。端盖固定于机座上，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。

2. 转子部分

直流电机的转子是电机的转动部分，又称为电枢，由电枢铁心、电枢绕组、换向器、电机转轴和轴承等部分组成。

电枢铁心是主磁路的一部分，同时对放置在其上的电枢绕组起支撑作用。为减少当电机旋转时，铁心中的磁通方向发生变化引起的磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的低硅硅钢片或冷轧硅钢片冲压成型，并在硅钢片的两侧涂绝缘漆。硅钢片上冲出转子槽用来放置电枢绕组。冲制好的硅钢片叠装成电枢铁心。图1-7所示为小型直流电机的电枢冲片形状和电枢铁心装配图。

电枢绕组是由带绝缘的导体绕制而成的。小型电机常采用铜导线绕制；大中型电机常采用成型线圈。在电机中每一个线圈称为一个元件，多个元件有规律地连接起来形成电枢绕组。绕制好的绕组或成型绕组放置在电枢铁心上的槽内，放置在铁心槽内的直线部分在电机运转时将产生感应电动势，称为元件的有效部分；在电枢槽两端把有效部分连接起来的部分称为端接部分，端接部分仅起连接作用，在电机运行过程中不产生感应电动势。

换向器又称为整流子，对于发电机，换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动势转变为直流电动势向外部输出直流电压；对于电动机，它是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电机旋转。换向器由换向片组合而成，是直流电机的关键部件之一，也是最薄弱的部分。换向器采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成，相邻的两换向片间以0.6～1.2mm的云母片作为绝缘。换向器固定在转轴的一端，换向片靠近电枢绕组一端的部分与绕组引出线相焊接。换向器结构如图1-8所示。