直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用,，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑怼?/SPAN>

    圖1.1是一臺交流發(fā)電機的原理模型,。圖中， ,、 為一對固定的磁極（一般是電磁鐵,，也可以是永久磁鐵）， 是裝在可以轉動的圓柱體表面上的一個線圈,，把線圈的兩端分別接到兩個圓環(huán)（稱為滑環(huán)）上（以后把這個可以轉動的裝有線圈的圓柱體稱為電樞）,。在滑環(huán)上分別放上兩個固定不動的由石墨制成的電刷 和 。通過電刷 和 把旋轉著的電路與外部電路相聯(lián)接,。

圖1.1  交流發(fā)電機原理模型

1—磁極,；2—電樞；3—滑環(huán),；4—電刷

      當原動機拖動電樞以恒速 逆時針方向轉動時,，根據(jù)電磁感應定律可知,，在線圈邊（即導體） 和 中有感應電動勢產(chǎn)生。感應電動勢 的大小用式（1.1）確定,。

                                           （1.1）

式中  ——導體所在處的磁密（ ）,；

  ——導體 或 的長度（ ）;

  &upSILon; ——導體 或 與 之間的相對線速度（ ）。

    感應電動勢的方向按右手定則確定,。在圖2.1所示瞬間,，導體 、 的感應電動勢方向分別由 指向 和由 指向 ,。這時電刷 呈高電位,，電刷 呈低電位。當圖1.1中電樞逆時針方向轉過180°時,，導體 與 互換了位置,，用右手定則判斷，此時導體 ,、 中的感應電動勢方向都與圖1.1所示瞬間的相反,。這時電刷A呈低電位，電刷B呈高電位,。如果電樞繼續(xù)逆時針方向旋轉180°,，導體 、 又轉到圖1.1所示位置,，則電刷 又呈高電位,，電刷 呈低電位。由此可見,，圖1.1中電樞每轉一周,，線圈 中感應電動勢方向交變一次，因此線圈內的感應電動勢是一種交變電動勢,，這是最簡單的交流發(fā)電機的原理,。

    如果想要得到直流電動勢，那么必須把上述線圈 感應的電動勢進行整流,，實現(xiàn)整流的裝置稱之為換向器,。

    圖2.2是直流發(fā)電機的原理模型，它由兩個銅質換向片代替圖1.1中的兩個滑環(huán),。換向片之間用絕緣材料隔開，線圈 出線端分別與兩個換向片相連,，電刷 ,、 與換向片相接觸并固定不動，這就是最簡單的換向器,。有了換向器,，在電刷 ,、 之間感應電動勢就和圖1.1中電刷 、 間的電動勢大不一樣了,。例如,，在圖2.2所示瞬間，線圈 中感應電動勢的方向如圖中所示,，這時電刷 呈正極性,，電刷 呈負極性。當線圈逆時針方向旋轉180°時,，這時導體 位于 極下,，導體 位于 極下，各導體中電動勢都分別改變了方向,。但是,，由于換向片隨著線圈一同旋轉，本來與電刷 相接觸的那個換向片,，現(xiàn)在卻與電刷 接觸了,；與電刷 相接觸的換向片與電刷 接觸了，顯然這時電刷 仍呈正極性,，電刷 呈負極性,。從圖1.2看出，和電刷 接觸的導體永遠位于 極下,，同樣,，和電刷 接觸的導體永遠位于 極下。因此,，電刷 始終有正極性,，電刷 始終有負極性，所以電刷端能引出方向不變的但大小變化的脈振電動勢,。如果電樞上線圈數(shù)增多,，并按照一定的規(guī)律把它們連接起來，可使脈振程度減小,，就可獲得直流電動勢,。這就是直流發(fā)電機的工作原理。同時也說明了直流發(fā)電機實質上是帶有換向器的交流發(fā)電機,。

圖1.2  直流發(fā)電機的原理模型   

圖1.3  直流電動機的原理模型

1—磁極,；2—電樞；3—換向器,；4—電刷          1—磁極,；2—電樞；3—換向器,；4—電刷

圖1.3所示為直流電動機的原理模型,，與圖1.2不同的是：線圈不被原動機拖動,；電刷  、  接上直流電源,。于是在線圈  中有電流流過,，電流的方向如圖1.3所示。根據(jù)電磁力定律可知,，載流導體  ,、  上受到的電磁力  為

                                                         （1.2）

式中   ——導體所在處的氣隙磁密（Wb/m²）；

       ——導體  或  的長度（m）,；

       ——導體中的電流（A）,。

導體受力的方向用左手定則確定，導體  的受力方向是從右向左,，導體  的受力方向是從左向右,，

如圖1.3所示。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩,，這個力矩在旋轉電機里稱為電磁轉矩,，轉矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉動,。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩（例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載轉矩）,，電樞就能按逆時針方向旋轉起來。當電樞轉了180°后,，導體  轉到  極下,，導體  轉到  極下時，由于直流電源供給的電流方向不變,，仍從電刷  流入,，經(jīng)導體  、  后,，從電刷B流出,。這時導體  受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃螅瑢w  受力方向是從左向右,，產(chǎn)生的電磁轉矩的方向仍為逆時針方向,。因此，電樞一經(jīng)轉動,，由于換向器配合電刷對電流的換向作用,，直流電流交替地由導體  和  流入，使線圈邊只要處于  極下,，其中通過電流的方向總是由電刷  流入的方向,，而在  極下時，總是從電刷  流出的方向,。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向,，從而形成一種方向不變的轉矩，使電動機能連續(xù)地旋轉,。這就是直流電動機的工作原理,。

從上述基本電磁情況來看，一臺直流電機原則上既可以作為發(fā)電機運行,，也可以作為電動機運行,，只是其輸入輸出的條件不同而已。如用原動機拖動直流電機的電樞,，將機械能從電機軸上輸入,，而電刷上不加直流電壓，則從電刷端可以引出直流電動勢作為直流電源,，可輸出電能,，電機將機械能轉換成電能而成為發(fā)電機；如在電刷上加直流電壓,，將電能輸入電樞,，則從電機軸上輸出機械能，拖動生產(chǎn)機械,，將電能轉換成機械能而成為電動機,。這種同一臺電機，既能作發(fā)電機又能作電動機運行的原理,，在電機學理論中稱為電機的可逆原理,。

直流電機的工作原理僅僅揭示了如何利用基本電磁規(guī)律以實現(xiàn)機電能量轉換的道理，但是要將其付諸應用,，直流電機必須具有能滿足電磁和機械兩方面要求的合理的結構型式,。

直流電機的結構型式是多種多樣的，圖1.4是一臺常用的小型直流電機的結構剖面圖,。直流電機是由靜止的定子部分和轉動的轉子部分構成的,，定、轉子之間有一定大小的間隙（以后稱為氣隙）?，F(xiàn)對各主要結構部件的基本結構及其作用簡述如下,。

圖1.4電流電機的結構剖面圖

1—換向器；2—電刷裝置,；3—機座,；4—主磁極；

5—換向極,；6—端蓋,；7—風扇；8—電樞繞組,；9—電樞鐵心

    1．定子部分

直流電機定子部分主要由主磁極,、換向極,、機座和電刷裝置等組成。

（1）主磁極  又稱主極,。在一般大中型直流電機中,，主磁極是一種電磁鐵。只有個別類型的小型直流電機的主磁極才用永久磁鐵,，這種電機叫永磁直流電機,。主磁極的作用是能夠在電樞表面外的氣隙空間里產(chǎn)生一定形狀分布的氣隙磁密。

圖2.5是主磁極的裝配圖,。主磁極的鐵心用1~1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓緊固而成,。把事先繞制好的勵磁繞組套在主極鐵心外面，整個主磁極再用螺釘固定在機座的內表面上,。各主磁極上的勵磁繞組聯(lián)接必須使通過勵磁電流時,，相鄰磁極的極性呈  極和  極交替的排列，為了讓氣隙磁密沿電樞圓周方向的氣隙空間里分布得更加合理一些,，鐵心下部（稱為極靴）比套繞組的部分（稱為極身）寬,。這樣也可使勵磁繞組牢固地套在鐵心上。

圖1.5  直流電機的主磁極

1—主極鐵心,；2—勵磁繞組,；3—機座；4—電樞

（2）換向極  容量在1kw以上的直流電機,，在相鄰兩主磁極之間要裝上換向極,。換向極又稱附加極或間極，其作用為了改善直流電機的換向,，至于如何改善換向的,，將在后面1.5節(jié)中介紹。

換向極的形狀比主磁極簡單,，也是由鐵心和繞組構成,。鐵心一般用整塊鋼或鋼板加工而成。換向極繞組與電樞繞組串聯(lián),。

（3）機座  一般直流電機都用整體機座,。所謂整體機座，就是一個機座同時起兩方面的作用：一方面起導磁的作用,，一方面起機械支撐的作用,。由于機座要起導磁的作用，所以它是主磁路的一部分,，叫定子磁軛,，一般多用導磁效果較好的鑄鋼制成，小型直流電機也有用厚鋼板的。主磁極,、換向極和端蓋都固定在電機的機座上,，所以機座又起了機械支撐的作用。

（4）電刷裝置  電刷裝置是把直流電壓,、直流電流引入或引出的裝置,。電刷放在電刷盒里，用彈簧壓緊在換向器上,，電刷上有個銅絲辮，可以引出,、引入電流,。直流電機里，常常把若干個電刷盒裝在同一個絕緣的刷桿上,，在電路連接上,，把同一個絕緣刷桿上的電刷盒并聯(lián)起來，成為一組電刷,。一般直流電機中,，電刷組的數(shù)目可以用電刷桿數(shù)表示，刷桿數(shù)與電機的主磁極數(shù)相等,。各電刷桿在換向器外表面上沿圓周方向均勻分布,，正常運行時，電刷桿相對于換向器表面有一個正確的位置,，如果電刷桿的位置放得不合理,，將直接影響電機的性能。電刷桿裝在端蓋或軸承內蓋上,，調整位置后,，將它固定。

2．轉子部分

直流電機轉子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組,、換向器,、轉軸和風扇等組成。圖1.6為直流電機電樞裝配示意圖,。

圖1.6  直流電機的電樞

1—轉軸,；2—軸承；3—換向器,；4—電樞鐵心,；5—電樞繞組；6—風扇,；7—軸承

    （1）電樞鐵心  電樞鐵心作用有二,，一個是作為主磁路的主要部分；另一個是嵌放電樞繞組。由于電樞鐵心和主磁場之間的相對運動,，會在鐵心中引起渦流損耗和磁滯損耗（這兩部分損耗合在一起稱為鐵心損耗,，簡稱鐵耗），為了減少鐵耗,，通常用0.5mm厚的涂有絕緣漆的硅鋼片的沖片疊壓而成,，固定在轉軸上。電樞鐵心沿圓周上有均勻分布的槽,，里面可嵌入電樞繞組,。

（2）電樞繞組  電樞繞組是由許多按一定規(guī)律排列和聯(lián)接的線圈組成，它是直流電機的主要電路部分,，是通過電流和感應產(chǎn)生電動勢以實現(xiàn)機電能量轉換的關鍵性部件,。線圈用包有絕緣的圓形和矩形截面導線繞制而成，線圈亦稱為元件,，每個元件有兩個出線端,。電樞線圈嵌放在電樞鐵心的槽中，每個元件的兩個出線端以一定規(guī)律與換向器的換向片相連,，構成電樞繞組,。

（3）換向器  換向器也是直流電機的重要部件。在直流發(fā)電機中,，它的作用是將繞組內的交變電動勢轉換為電刷端上的直流電動勢,；在直流電動機中，它將電刷上所通過的直流電流轉換為繞組內的交變電流,。換向器安裝在轉軸上,，主要由許多換向片組成，片與片之間用云母絕緣,，換向片數(shù)與元件數(shù)相等,。

每臺直流電機的機座外表面上都釘有一塊所謂銘牌，上面標注著一些叫做額定值的銘牌數(shù)據(jù),，它是正確選擇和合理使用電機的依據(jù),。

根據(jù)國家標準，直流電機的額定值有：

（1）額定功率       ,；

（2）額定電壓       ,；

（3）額定電流       ；

（4）額定轉速       ,；

（5）勵磁方式和額定勵磁電流  ,。

有些物理量雖然不標在銘牌上，但它們也是額定值,，例如在額定運行狀態(tài)的轉矩,、效率分別稱為額定轉矩,、額定效率等。

關于額定功率,，對直流發(fā)電機來說,，是指電機出線端輸出的電功率；對直流電動機而言,，則是指它的轉軸上輸出的機械功率,。因此，直流發(fā)電機的額定功率應為

                             （1.3）

而直流電動機的額定功率為

                                                  （1.4）

式中,，  為直流電動機的額定效率,，它是直流電動機額定運行時輸出機械功率與電源輸入電功率之比。

電動機軸上輸出的額定轉矩用  表示,，其大小應該是輸出的機械功率額定值除以轉子角速度的額定值,，即

                                     （1.5）

式中，  的單位為  ,，  的單位為  ，  的單位為  ,。此式不僅適用于直流電動機,，也適用于交流電動機。

直流電機運行時,，若各個物理量都與它的額定值一樣,，就稱為額定運行狀態(tài)或額定工況。在額定狀態(tài)下,，電機能可靠地工作,，并具有良好的性能。但實際應用中,，電機不總是運行在額定狀態(tài),。如果流過電機的電流小于額定電流，稱為欠載運行,；超過額定電流,，稱為過載運行。長期過載或欠載運行都不好,。長期過載有可能因過熱而損壞電機,；長期欠載，電機沒有得到充分利用,，效率降低,，不經(jīng)濟。為此選擇電機時,，應根據(jù)負載的要求,，盡量讓電機工作在額定狀態(tài)。