图解直流电机的工作原理

一.直流电机的物理模型图解释。这是分析直流电机的物理模型图。其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极;固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)

上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分(定子)上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分(转子)上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

二.直流发电机的工作原理

直流发电机的原理图

直流发电机是机械能转换为直流电能的电气设备。

如何转换?分以下步骤说明：

设原动机拖动转子以每分转n转转动;

电机内部的固定部分要有磁场。这个磁场可以是如图示的磁铁也可以是磁极铁心上绕套线圈，再通过直流电产生磁场。其中 If 称之为励磁电流。这种线圈每个磁极上有一个，也就是，电机有几个磁极就有几个励磁线圈，这几个线圈串联(或并联)起来就构成了励磁绕组。这里要注意各线圈通过电流的方向不可出错。在以上条件下环外导体将感应电势，其大小与磁通密度 B 、导体的有效长度 l 和导体切割磁场速度 v 三者的乘积成正比，其方向用右手定则判断。

但是要注意某一根转子导体的电势性质是交流电。而经电刷输出的电动势确是直流电了。这便是直流发电机的工作原理。如下动画演示：

三.直流电动机的工作原理

直流电动机的原理图

对上一页所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图(a)所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图(b)所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。

此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。

实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。如下动画演示：

将直流电动机的工作原理归结如下：

将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。

电机内部有磁场存在。

载流的转子(即电枢)导体将受到电磁力 f 的作用 f=Blia (左手定则)

所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分)旋转，以便拖动机械负载。

§1.2直流电机的结构

这是一台国产直流电机的结构装配图和结构剖面图。旋转电机都是由定子和转子两大部分组成，每一部分也都由电磁部分和机械部分组成，以便满足电磁作用的条件。换向极用来改善换向。

旋转电机 包括 定子(电磁部分,机械部分)和转子(机械部分,电磁部分 )

定子：

◇ 主磁极(励磁绕组 主极铁心)

◇ 换向极(绕组和铁心)

◇ 机座

◇ 端盖

◇ 电刷装置

转子：

◇ 电枢绕组

◇ 电枢铁心

◇ 换向器

◇ 转轴、风扇

●定子的主要部件包括：直流电机的定子由主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。

主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 N，S 极交替出现。

机座 ——机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。 机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件(小型机座用铸铁件)制成。机座的两端装有端盖。

换向极 ——换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。

端盖 —— 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。

电刷装置——电刷装置是电枢电路的引出(或引入)装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。

●转子的主要部件包括：

直流电机的转动部分称为转子，又称电枢。转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。

电枢铁心 —— 电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分;电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如左图所示。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。

电枢绕组——电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘(右图)，并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。

换向器——前面已经指出，在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成，如图3-10所示。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。