直流电动机的基本原理

直流电动机具有良好的启动、调速性能和过载能力，主要用于交通、起重、轧钢和自动控制领域。直流电机由于有换向器，与交流电机相比有结构复杂、制造成本高、运行维护工作量大等缺点，使直流电机的使用受到了一定的限制。

一、从简单模型入手讨论直流电动机的结构和原理

上图为简单的两极直流电动机模型，由主磁极（励磁线圈）、电枢（电枢线圈）、电刷和换向器等组成。定子上装设了一对直流励磁的静止的主磁极N、S，主磁极由励磁线圈的磁场产生；转子上装有电枢铁芯与电枢绕组。电枢电流由外供直流电源所产生，定子和转子之间有一气隙。电枢线圈的首、末端分别连接于两个圆弧型的换向器片上，换向器片之间互相绝缘，由换向器片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，与转轴也是绝缘的。在换向器片上放置着一对固定不动的电刷，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向器片和电刷与外电路接触，引入外供直流电源。

直流电动机运行时，将直流电源接在两刷之间，电流方向为：N级下有效边电流总是一个方向，而S级上有效边中电流总是另一个方向，两边上受到的电磁力方向一致，电枢因而转动。当线圈有效边从N级下（S级上）转到S级上（N极下）时，其中电流方向由于换向器片同时改变，而电磁力方向不变，使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，直流电动机的电枢由多个线圈组成，这样线圈产生的电磁转矩比较均匀，不会有太大的脉动，因此电动机能够连续平稳运行。

二、直流电动机的基本结构

1、定子

定子的主要作用是产生磁场和作为电机的机械支撑，由主磁极、换向磁极、机座和端盖以及电刷装置等组成。

1）主磁极

主磁极用来产生主磁场，大部分直流电机的主磁极不用永久磁铁，而是由励磁绕组通入直流电流来建立磁场。主磁极由铁芯和绕组组成，铁芯用厚0.5～1.5 mm的低碳钢板冲成，叠装后用铆钉铆紧，紧靠气隙的扩大部分称为极靴，极靴对励磁绕组起支撑作用，使气隙磁通有较好的波形分布，励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，经绝缘漆浸渍处理，然后套在磁极铁芯上。主磁极N、S交替布置，均匀分布并用螺钉固定在机座的内圈上。

2）换向极

换向极用来改善直流电机的换向，又称附加极，由铁芯和套在铁芯上的换向极绕组组成，铁芯常用整块钢或厚钢板制成，匝数不多的换向极绕组与电枢绕组串联，换向极的极数一般与主磁极的极数相同或减半，换向极与电枢之间的气隙可以调整。功率很小的直流电机中，可以不装设换向极。

3）机座

机座既是电机的外壳又是电机磁路的一部分，一般用低碳钢铸成或用钢板焊接而成，机座的两端有端盖。中小型电机前后端盖都装有轴承，用于支撑转轴。大型电机则采用座式滑动轴承。

4）电刷装置

电刷装置的作用是使转动部分的电枢绕组与外电路接通，将电枢绕组的电动势和电流引接到外电路的负载或电源上。电刷装置由电刷、刷窝、刷杆座和汇流条等零件组成，电刷一般采用石墨和铜粉压制焙烧而成，电刷放置在刷握中，由弹簧将其压在换向器的表面上，电刷杆数一般等于主磁极的数目。

2、转子

直流电机的转子又称电枢，由铁芯、绕组、换向器和冷却风扇等部件组成。

1）铁芯

电枢铁芯用来构成电机的磁路以及嵌放电枢绕组。为了减少铁心损耗，通常用0.35mm或0.5mm厚、涂有绝缘漆的硅钢片叠装而成。为加强冷却，小容量电机的电枢铁芯上有轴向通风孔，大容量电机还有径向通风沟。

2）绕组

电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩，从而把电能转换成机械能。电枢绕组是用绝缘铜线制成，然后嵌放在电枢铁芯槽内，绕组的引线端头按一定的规律与换向片连接，绕组的槽部用绝缘的槽楔压紧，端部用玻璃丝带绑扎。

3）换向器

换向器是直流电机的关键部件，它将电枢绕组内部的交流电动势转换为电刷间的直流电动势，换向器由彼此绝缘的换向片构成，外表呈圆形。换向片用硬质电解铜制成，换相片间垫以0.4～1.0 mm厚的云母绝缘，整个圆筒的端部用V形压环夹紧，换相片与Ⅴ形压环之间也用云母绝缘，每片换向片的端部都有凸出的升高片，用来与绕组引线端头连接。

三、直流电动机的基本原理

直流电动机是根据通电导体在磁场中会受到电磁力作用的原理来工作的。定子绕组通入直流励磁电流，产生励磁磁场；主电路引入直流电源，经电刷传给换向器，再经换向器将此直流电转化为交变电流通入电枢绕组，产生电枢磁场，电枢磁场与励磁磁场合成气隙磁场，电枢绕组切割合成的气隙磁场，产生电磁转矩促使转子旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。