1.1 直流电机的结构及工作原理

直流电机可作为电动机和发电机运行。其中，直流电动机用于将电能转化为机械能，直流发电机用于将机械能转化为电能。两者的结构基本相同，都由可旋转的转子和静止的定子组成，且定、转子之间存在气隙。

1.1.1 直流电机的结构

1．定子

定子主要用来产生磁场。它主要由主磁极、换向极、机座和端盖，以及电刷装置组成。

（1）主磁极。主磁极包括铁芯和励磁绕组两部分。当励磁绕组中通入直流电流后，铁芯中即产生励磁磁通，并在气隙中建立励磁磁场。励磁绕组通常用圆形或矩形的绝缘导线制成一个集中的线圈，套在铁芯外面。主磁极铁芯一般用1～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成，其柱体部分称为极身，靠近气隙一端较宽的部分称为极靴，极靴与极身交接处形成一个突出的肩部，用于支撑励磁绕组。极靴沿气隙表面成弧形，使主磁极下的气隙磁通密度分布更合理。整个主磁极用螺杆固定在机座上。直流电机的结构如图1-1所示，图1-2为其正剖面图。

主磁极总是N、S成对出现。各主磁极的励磁绕组通常为相互串联连接，且连接时要求能保证相邻磁极的极性按N、S交替排列。

（2）换向极。换向极也由铁芯和绕组构成，其结构如图1-3所示。中、小容量直流电机，其换向极铁芯是用整块钢制成的；大容量直流电机和换向要求高的电机，其换向极铁芯用薄钢片叠成。换向极绕组要与电枢绕组串联，因为其通过的电流大，导线截面积较大，匝数较少。换向极装在主磁极之间，换向极的数目一般等于主磁极数。在功率很小的电机中，换向极的数目有时只有主磁极极数的一半，或不装换向极。换向极的作用是改善换向，防止电刷和换向器之间出现过强的火花。

（3）机座和端盖。机座一般用铸钢或厚钢板焊接而成。它用来固定主磁极、换向极及端盖。机座底部焊上或铸上底脚，以便安装直流电机用。机座还是磁路的一部分，其中用于通过磁通的部分称为磁轭。端盖主要起支撑作用，它固定在机座上，其上放置轴承，支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。

（4）电刷装置。电刷装置由电刷、刷握、压紧弹簧、握杆座和铜丝辫等组成。电刷是用碳-石墨等做成的导电块，电刷装在刷握的盒内，用压紧弹簧把它压紧在换向器的表面上。压紧弹簧的压力可以调整，以保证电刷与换向器表面有良好的滑动接触。刷握固定在刷杆上，刷杆装在握杆座上，彼此之间都绝缘。握杆座装在端盖或轴承盖上，根据电流的大小，每一根刷杆上可以有几个由电刷组成的电刷组，电刷组的数目一般等于主磁极数。电刷的作用是与换向器配合引入、引出电流。电刷盒的装配如图1-4所示。

2．转子

直流电机的转子是其转动部分，其主要作用是感应出电动势，产生电磁转矩，使机械能和电能之间相互转换。它主要包括以下几部分。

（1）电枢。电枢又包括铁芯和绕组两部分。

①电枢铁芯。电枢铁芯一般用0.5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠成，这样铁芯在主磁场中转动时可以减少磁滞和涡流损耗。铁芯表面有均匀分布的齿和槽，槽中嵌放电枢绕组。电枢铁芯构成磁的通路。电枢铁芯固定在转子支架或转轴上。电枢铁芯冲片如图1-5所示。

②电枢绕组。电枢绕组是将用绝缘铜线绕制成的线圈按一定规律嵌放到电枢铁芯槽中，并与换向器进行相应的连接而制成的。线圈与铁芯之间，以及线圈的上、下层之间均要妥善绝缘，并用槽楔压紧，再用玻璃丝带或钢丝扎紧。电枢绕组是直流电机的核心部件，直流电机工作时在其中产生感应电动势和电磁转矩，从而实现能量的转换。

（2）换向器。换向器的作用是与电刷配合，将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，或将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流电压。

换向器是一个由许多燕尾状的梯形铜片间隔云母片绝缘排列而成的圆柱体，每片换向片的一端有高出的部分，上面铣有线槽，供电枢绕组引出端焊接用。所有换向片均放置在与它配合的具有燕尾状槽的金属套筒内，然后用V形钢环和螺纹压圈将换向片和套筒紧固成一整体。换向片组与套筒、V形钢环之间均要用云母环绝缘。换向器的侧剖面如图1-6所示。

3．气隙

静止的磁极和旋转的电枢之间的间隙称为气隙。在小容量直流电机中，气隙为0.5～3mm。气隙数值虽小，但其磁阻很大，因此它是直流电机磁路的主要组成部分。气隙的大小对直流电机的运行性能有很大影响。

1.1.2 直流电机的基本原理

直流电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，其中发电机和电动机的原理近乎相反，叙述如下。

1．直流发电机的基本工作原理

如图1-7所示为一台两极直流发电机的原理图。图中的N、S是静止的主磁极，它们产生磁通。能够在两磁极之间转动的电枢铁芯上装有线圈abcd。线圈的两个端头接在相互绝缘的两个铜质的换向片1、2上，它们固定于转轴上且与转轴绝缘。在空间静止的电刷A和B与换向片滑动接触，使旋转的线圈与外面静止的电路相连。

当原动机拖动发电机以恒定转速转动时，线圈的两个边ab和cd切割磁力线。根据电磁感应定律可知，在线圈中会产生感应电动势，其方向可用右手定则判定。当电枢沿逆时针方向旋转时，此时ab中的感应电动势方向为由b指向a；而cd中的感应电动势的方向为由d指向c。因为电动势是从低电位指向高电位的，所以电刷A为正电位，电刷B为负电位。外电路中的电流则由电刷A经负载流向电刷B。

当电枢旋转180°时，线圈的ab边转至S极中心上，线圈的cd边转到N极中心下，它们的感应电动势方向发生改变，即ab中的感应电动势方向变为由a指向b, cd中的感应电动势方向变为由c指向d。此时，a所接的换向片1转至与电刷B相接触，d所接的换向片2转至与电刷A相接触。这样，电刷A仍具有正电位，电刷B仍具有负电位。外电路中的电流仍是由电刷A经负载流向电刷B。由此可见，当电枢旋转时，会在线圈内部产生交变的电动势，但由于换向器与电刷的配合作用，使电刷A总是与位于N极下的线圈边接触，电刷B总是与位于S极上的线圈边接触，所以电刷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。这就是直流发电机的基本工作原理。

2．直流电动机的基本工作原理

如图1-8所示是直流电动机的原理图。直流电动机是把电能转换成机械能的装置。直流电动机工作时接于直流电源上，如电刷A接电源正极，电刷B接电源负极。电流从电刷A流入，经线圈abcd，再由电刷B流出。在图1-8所示瞬间，N极下的线圈边ab中的电流方向为a到b; S极上的线圈边cd中的电流方向为c到d。根据电磁力定律知道，载流导体在磁场中要受力，其方向可由左手定则判定：ab边受力的方向向左，cd边受力的方向向右。两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩为逆时针方向，则该电磁转矩会使电枢逆时针旋转。

当线圈转过180°，换向片2转至与电刷A接触，换向片1转至与电刷B接触，此时电流由正极经换向片2流入，cd边的电流方向变为由d流向c, ab边的电流方向变为由b流向a，再由换向片1经电刷B流回负极。线圈中的电流方向改变了，导体所在磁场的极性也就改变了，但电磁力及电磁力对转轴所形成的电磁转矩的方向未变，仍为逆时针方向，这样可使直流电动机沿一个方向连续旋转下去。

通过电刷和换向器，可使每一磁极下的导体中的电流方向始终不变，从而产生单方向的电磁转矩，使电枢始终向一个方向旋转，这就是直流电动机的基本工作原理。

1.1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列

1．直流电机的铭牌数据

电机的铭牌数据是按照国家电机设计标准，根据实验测定的结果得出的电机正常运行时的技术数据。如果电机运行时的技术数据不为规定值，则电机将不能正常工作，甚至会发生损坏。直流电机的铭牌数据主要包括型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和励磁方式、绝缘等级和额定温升等。

（1）直流电机的型号。国产直流电机的型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为：第一个字符使用大写的汉语拼音，表示产品系列代号；第二个字符使用阿拉伯数字，表示设计序号；第三个字符使用阿拉伯数字，表示机座中心高；第四个字符使用阿拉伯数字，表示电枢铁芯长度代号；第五个字符使用阿拉伯数字，表示端盖的代号。例如，型号是Z4-200-21的直流电机，Z表示一般用途的直流电动机，代号4是设计序号，200是电机中心高（mm）,21中的2是电枢铁芯长度代号，1是端盖的代号。

（2）额定功率PN（kW或W）：对于发电机来说，额定功率是指正、负电刷之间输出的电功率，有PN=UNIN；对于电动机来说，额定功率则是指轴上输出的机械功率，有 PN=UNINηN。

（3）额定电压UN（V）：指额定运行状况下，直流发电机的输出电压或直流电动机的工作电压。

（4）额定电流 IN（A）：指在额定情况下，直流发电机输出或直流电动机输入的电流。其中直流发电机的额定电流为

直流电动机的额定电流为

（5）额定效率ηN：

式中，PN为额定（输出）功率；P1为输入功率。

（6）额定转速nN（r/min）：在额定功率、额定电压、额定电流下，直流电机的转速。

（7）额定励磁电压Uf（V）：在额定情况下，励磁绕组所加的电压。

（8）额定励磁电流If（A）：在额定情况下，通过励磁绕组的电流。

在实际运行时，由于负载的变化，所以直流电机经常不在额定状态下运行。直流电机在接近额定的状态下运行才是最经济的。

2．直流电机的主要系列

所谓系列电机，就是指在应用范围、结构形式、性能水平、生产工艺等方面有共同性，功率按某一系数递增的成批生产的电机。搞系列化的目的是为了产品的标准化和通用化。我国直流电机的主要系列有以下一些。

（1）Z和ZF系列：一般用途的中、大型直流电机，其中“Z”为直流电动机系列，“ZF”为直流发电机系列。

（2）ZT系列：恒功率且调速范围较宽的宽调速直流发电机。

（3）ZZJ系列：冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机，它具有快速启动和承受较大过载能力的特性。

（4）ZQ系列：电力机车、工矿电机车和蓄电池供电的电车用的直流牵引电动机。

（5）Z-H系列：船舶上的各种辅机船用直流电动机。

（6）ZA系列：矿井和易爆气体场合的防爆安全型直流电机。

（7）ZU系列：龙门刨床的直流电动机。

（8）ZW系列：是无槽直流电动机，在快速响应的伺服系统中作为执行元件使用。

（9）ZLJ系列：是力矩直流电动机，在伺服系统中作为执行元件使用。

（10）BFG系列：是直流三换向片永磁电动机，用于盒式录音机、电动玩具等。

还有许多系列，请参阅电机手册。