2.2 直流电动机的工作原理

直流电动机是依据载流导体在磁场中受力而旋转的原理制造的。通常将磁场固定不动（该磁场可以由永久磁铁产生，也可以由带铁芯的通电线圈产生），而导体做成可以在磁场内绕中心轴旋转，为了能把直流电源引入到旋转的线圈中去，采用了电刷与换向器的结构。直流电动机的工作原理图如图2.12所示，线圈的ab边和cd边分别与两个互相绝缘的半圆形铜环（图中用白色和黑色表示）相连，而电刷A和B用弹簧压在铜环上。下面以该图为例说明直流电动机的工作原理。

1.工作原理分析

（1）当转子矩形线圈abcd初始处于如图2.12（a）所示的位置时，电刷B接正极，电刷A接负极，此时的电流流向为电源正端+→电刷B→白色换向片→a→b→c→d→黑色换向片→电刷A→电源负端-。根据左手定则可知：在磁场作用下，N极性下导体cd受力方向向上，S极性下导体ab受力方向向下，该电磁力形成顺时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻力转矩时，电动机线圈做顺时针方向旋转。

（2）当转子矩形线圈abcd转动90°，线圈处于如图2.12（b）所示位置时，电刷不与换向片接触，而与换向片间的绝缘片接触，此时线圈中没有电流通过，故电磁转矩为零。由于惯性的作用，电枢仍能转过一个角度。

（3）当转子矩形线圈abcd转动180°，线圈处于如图2.12（c）所示位置时，电刷B接正极，电刷A接负极，此时的电流流向为电源正端+→电刷B→黑色换向片→d→c→b→a→白色换向片→电刷A→电源负端-。原N极性下导体cd转到S极性下，受力方向向下，原S极性下导体ab转到N极性下，受力方向向上。该电磁力仍形成顺时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续做顺时针方向旋转。

由此可以归纳出直流电动机的工作原理：在直流电动机中，电刷两端虽然加的是直流电，但在电刷和换向器的作用下，线圈内部却变成了交流电，从而产生了单方向的电磁转矩，驱动电动机持续旋转。虽然导体中流通的电流为交变的，但N极性下的导体受力方向与S极性下导体的受力方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。整体的直流电动机工作原理示意图如图2.13所示。

由此可见，当线圈在水平位置时，转动力最大，当线圈在垂直位置时，转动力最小。单线圈电枢在一个周期内的转矩曲线如图2.14所示，单线圈电枢组成的电动机的实用价值很小，双线圈电枢在一个周期内的转矩曲线如图2.15所示，虽然该转矩仍是脉动的，但在最大值与最小值之间的波动已明显削弱。如果每个磁极下线圈数和换向片数相应增加，则可使转子上得到几乎不变的转矩。

直流电动机的典型电枢如图2.16所示，该电枢由许多粗导线线圈及换向片组成。

2.直流电动机的可逆性

根据物理学知识，若用外力使图2.12中的矩形线圈abcd绕轴旋转，则线圈abcd将切割磁力线而产生感应电动势，通过电刷A、B向外电路提供直流电能，这就是直流发电机的工作原理。

一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，这种原理在电机理论中称为可逆原理。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N、S产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作为直流电动机运行。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作为直流发电机运行。