1.1 直流電機的結構及工作原理

直流電機可作為電動機和發電機運行。其中，直流電動機用于將電能轉化為機械能，直流發電機用于將機械能轉化為電能。兩者的結構基本相同，都由可旋轉的轉子和靜止的定子組成，且定、轉子之間存在氣隙。

1.1.1 直流電機的結構

1．定子

定子主要用來產生磁場。它主要由主磁極、換向極、機座和端蓋，以及電刷裝置組成。

（1）主磁極。主磁極包括鐵芯和勵磁繞組兩部分。當勵磁繞組中通入直流電流后，鐵芯中即產生勵磁磁通，并在氣隙中建立勵磁磁場。勵磁繞組通常用圓形或矩形的絕緣導線制成一個集中的線圈，套在鐵芯外面。主磁極鐵芯一般用1～1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓鉚接而成，其柱體部分稱為極身，靠近氣隙一端較寬的部分稱為極靴，極靴與極身交接處形成一個突出的肩部，用于支撐勵磁繞組。極靴沿氣隙表面成弧形，使主磁極下的氣隙磁通密度分布更合理。整個主磁極用螺桿固定在機座上。直流電機的結構如圖1-1所示，圖1-2為其正剖面圖。

主磁極總是N、S成對出現。各主磁極的勵磁繞組通常為相互串聯連接，且連接時要求能保證相鄰磁極的極性按N、S交替排列。

（2）換向極。換向極也由鐵芯和繞組構成，其結構如圖1-3所示。中、小容量直流電機，其換向極鐵芯是用整塊鋼制成的；大容量直流電機和換向要求高的電機，其換向極鐵芯用薄鋼片疊成。換向極繞組要與電樞繞組串聯，因為其通過的電流大，導線截面積較大，匝數較少。換向極裝在主磁極之間，換向極的數目一般等于主磁極數。在功率很小的電機中，換向極的數目有時只有主磁極極數的一半，或不裝換向極。換向極的作用是改善換向，防止電刷和換向器之間出現過強的火花。

（3）機座和端蓋。機座一般用鑄鋼或厚鋼板焊接而成。它用來固定主磁極、換向極及端蓋。機座底部焊上或鑄上底腳，以便安裝直流電機用。機座還是磁路的一部分，其中用于通過磁通的部分稱為磁軛。端蓋主要起支撐作用，它固定在機座上，其上放置軸承，支撐直流電機的轉軸，使直流電機能夠旋轉。

（4）電刷裝置。電刷裝置由電刷、刷握、壓緊彈簧、握桿座和銅絲辮等組成。電刷是用碳-石墨等做成的導電塊，電刷裝在刷握的盒內，用壓緊彈簧把它壓緊在換向器的表面上。壓緊彈簧的壓力可以調整，以保證電刷與換向器表面有良好的滑動接觸。刷握固定在刷桿上，刷桿裝在握桿座上，彼此之間都絕緣。握桿座裝在端蓋或軸承蓋上，根據電流的大小，每一根刷桿上可以有幾個由電刷組成的電刷組，電刷組的數目一般等于主磁極數。電刷的作用是與換向器配合引入、引出電流。電刷盒的裝配如圖1-4所示。

2．轉子

直流電機的轉子是其轉動部分，其主要作用是感應出電動勢，產生電磁轉矩，使機械能和電能之間相互轉換。它主要包括以下幾部分。

（1）電樞。電樞又包括鐵芯和繞組兩部分。

①電樞鐵芯。電樞鐵芯一般用0.5mm厚的涂有絕緣漆的硅鋼片沖片疊成，這樣鐵芯在主磁場中轉動時可以減少磁滯和渦流損耗。鐵芯表面有均勻分布的齒和槽，槽中嵌放電樞繞組。電樞鐵芯構成磁的通路。電樞鐵芯固定在轉子支架或轉軸上。電樞鐵芯沖片如圖1-5所示。

②電樞繞組。電樞繞組是將用絕緣銅線繞制成的線圈按一定規律嵌放到電樞鐵芯槽中，并與換向器進行相應的連接而制成的。線圈與鐵芯之間，以及線圈的上、下層之間均要妥善絕緣，并用槽楔壓緊，再用玻璃絲帶或鋼絲扎緊。電樞繞組是直流電機的核心部件，直流電機工作時在其中產生感應電動勢和電磁轉矩，從而實現能量的轉換。

（2）換向器。換向器的作用是與電刷配合，將直流電動機輸入的直流電流轉換成電樞繞組內的交變電流，或將直流發電機電樞繞組中的交變電動勢轉換成輸出的直流電壓。

換向器是一個由許多燕尾狀的梯形銅片間隔云母片絕緣排列而成的圓柱體，每片換向片的一端有高出的部分，上面銑有線槽，供電樞繞組引出端焊接用。所有換向片均放置在與它配合的具有燕尾狀槽的金屬套筒內，然后用V形鋼環和螺紋壓圈將換向片和套筒緊固成一整體。換向片組與套筒、V形鋼環之間均要用云母環絕緣。換向器的側剖面如圖1-6所示。

3．氣隙

靜止的磁極和旋轉的電樞之間的間隙稱為氣隙。在小容量直流電機中，氣隙為0.5～3mm。氣隙數值雖小，但其磁阻很大，因此它是直流電機磁路的主要組成部分。氣隙的大小對直流電機的運行性能有很大影響。

1.1.2 直流電機的基本原理

直流電機既可以作為發電機運行，也可以作為電動機運行，其中發電機和電動機的原理近乎相反，敘述如下。

1．直流發電機的基本工作原理

如圖1-7所示為一臺兩極直流發電機的原理圖。圖中的N、S是靜止的主磁極，它們產生磁通。能夠在兩磁極之間轉動的電樞鐵芯上裝有線圈abcd。線圈的兩個端頭接在相互絕緣的兩個銅質的換向片1、2上，它們固定于轉軸上且與轉軸絕緣。在空間靜止的電刷A和B與換向片滑動接觸，使旋轉的線圈與外面靜止的電路相連。

當原動機拖動發電機以恒定轉速轉動時，線圈的兩個邊ab和cd切割磁力線。根據電磁感應定律可知，在線圈中會產生感應電動勢，其方向可用右手定則判定。當電樞沿逆時針方向旋轉時，此時ab中的感應電動勢方向為由b指向a；而cd中的感應電動勢的方向為由d指向c。因為電動勢是從低電位指向高電位的，所以電刷A為正電位，電刷B為負電位。外電路中的電流則由電刷A經負載流向電刷B。

當電樞旋轉180°時，線圈的ab邊轉至S極中心上，線圈的cd邊轉到N極中心下，它們的感應電動勢方向發生改變，即ab中的感應電動勢方向變為由a指向b, cd中的感應電動勢方向變為由c指向d。此時，a所接的換向片1轉至與電刷B相接觸，d所接的換向片2轉至與電刷A相接觸。這樣，電刷A仍具有正電位，電刷B仍具有負電位。外電路中的電流仍是由電刷A經負載流向電刷B。由此可見，當電樞旋轉時，會在線圈內部產生交變的電動勢，但由于換向器與電刷的配合作用，使電刷A總是與位于N極下的線圈邊接觸，電刷B總是與位于S極上的線圈邊接觸，所以電刷A的極性總為正，電刷B的極性總為負，在電刷兩端可獲得直流電動勢。這就是直流發電機的基本工作原理。

2．直流電動機的基本工作原理

如圖1-8所示是直流電動機的原理圖。直流電動機是把電能轉換成機械能的裝置。直流電動機工作時接于直流電源上，如電刷A接電源正極，電刷B接電源負極。電流從電刷A流入，經線圈abcd，再由電刷B流出。在圖1-8所示瞬間，N極下的線圈邊ab中的電流方向為a到b; S極上的線圈邊cd中的電流方向為c到d。根據電磁力定律知道，載流導體在磁場中要受力，其方向可由左手定則判定：ab邊受力的方向向左，cd邊受力的方向向右。兩個電磁力對轉軸所形成的電磁轉矩為逆時針方向，則該電磁轉矩會使電樞逆時針旋轉。

當線圈轉過180°，換向片2轉至與電刷A接觸，換向片1轉至與電刷B接觸，此時電流由正極經換向片2流入，cd邊的電流方向變為由d流向c, ab邊的電流方向變為由b流向a，再由換向片1經電刷B流回負極。線圈中的電流方向改變了，導體所在磁場的極性也就改變了，但電磁力及電磁力對轉軸所形成的電磁轉矩的方向未變，仍為逆時針方向，這樣可使直流電動機沿一個方向連續旋轉下去。

通過電刷和換向器，可使每一磁極下的導體中的電流方向始終不變，從而產生單方向的電磁轉矩，使電樞始終向一個方向旋轉，這就是直流電動機的基本工作原理。

1.1.3 直流電機的銘牌數據及主要系列

1．直流電機的銘牌數據

電機的銘牌數據是按照國家電機設計標準，根據實驗測定的結果得出的電機正常運行時的技術數據。如果電機運行時的技術數據不為規定值，則電機將不能正常工作，甚至會發生損壞。直流電機的銘牌數據主要包括型號、額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉速和勵磁方式、絕緣等級和額定溫升等。

（1）直流電機的型號。國產直流電機的型號一般采用大寫的漢語拼音字母和阿拉伯數字表示，其格式為：第一個字符使用大寫的漢語拼音，表示產品系列代號；第二個字符使用阿拉伯數字，表示設計序號；第三個字符使用阿拉伯數字，表示機座中心高；第四個字符使用阿拉伯數字，表示電樞鐵芯長度代號；第五個字符使用阿拉伯數字，表示端蓋的代號。例如，型號是Z4-200-21的直流電機，Z表示一般用途的直流電動機，代號4是設計序號，200是電機中心高（mm）,21中的2是電樞鐵芯長度代號，1是端蓋的代號。

（2）額定功率PN（kW或W）：對于發電機來說，額定功率是指正、負電刷之間輸出的電功率，有PN=UNIN；對于電動機來說，額定功率則是指軸上輸出的機械功率，有 PN=UNINηN。

（3）額定電壓UN（V）：指額定運行狀況下，直流發電機的輸出電壓或直流電動機的工作電壓。

（4）額定電流 IN（A）：指在額定情況下，直流發電機輸出或直流電動機輸入的電流。其中直流發電機的額定電流為

直流電動機的額定電流為

（5）額定效率ηN：

式中，PN為額定（輸出）功率；P1為輸入功率。

（6）額定轉速nN（r/min）：在額定功率、額定電壓、額定電流下，直流電機的轉速。

（7）額定勵磁電壓Uf（V）：在額定情況下，勵磁繞組所加的電壓。

（8）額定勵磁電流If（A）：在額定情況下，通過勵磁繞組的電流。

在實際運行時，由于負載的變化，所以直流電機經常不在額定狀態下運行。直流電機在接近額定的狀態下運行才是最經濟的。

2．直流電機的主要系列

所謂系列電機，就是指在應用范圍、結構形式、性能水平、生產工藝等方面有共同性，功率按某一系數遞增的成批生產的電機。搞系列化的目的是為了產品的標準化和通用化。我國直流電機的主要系列有以下一些。

（1）Z和ZF系列：一般用途的中、大型直流電機，其中“Z”為直流電動機系列，“ZF”為直流發電機系列。

（2）ZT系列：恒功率且調速范圍較寬的寬調速直流發電機。

（3）ZZJ系列：冶金輔助拖動機械用的冶金起重直流電動機，它具有快速啟動和承受較大過載能力的特性。

（4）ZQ系列：電力機車、工礦電機車和蓄電池供電的電車用的直流牽引電動機。

（5）Z-H系列：船舶上的各種輔機船用直流電動機。

（6）ZA系列：礦井和易爆氣體場合的防爆安全型直流電機。

（7）ZU系列：龍門刨床的直流電動機。

（8）ZW系列：是無槽直流電動機，在快速響應的伺服系統中作為執行元件使用。

（9）ZLJ系列：是力矩直流電動機，在伺服系統中作為執行元件使用。

（10）BFG系列：是直流三換向片永磁電動機，用于盒式錄音機、電動玩具等。

還有許多系列，請參閱電機手冊。