一、直流电机的物理模型

图 1 是分析直流电机的物理模型：固定部分有磁铁（这里称作主磁极），固定部分还有电刷；转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。（其中 2 个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流方向而设置的。）

图 1　两极直流电机物理模型

上图表示一台最简单的两极直流电机模型：它的固定部分（定子）上装设了一对直流励磁的静止主磁极 N 和 S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心，定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由 A 和 X 两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片；换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷 B1 和 B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

二、直流发电机的工作原理

直流发电机是机械能转换为直流电能的电气设备，其原理如图 2 所示。

图 2　直流发电机原理

其能量转换过程可分以下步骤说明：设原动机拖动转子以每分 n 转转动；电机内部的固定部分要有磁场，这个磁场可以是图示的磁铁，也可以是磁极铁心上绕套线圈、再通过直流电产生磁场，其中 I_f 称为励磁电流。这种线圈每个磁极上有一个，即电机有几个磁极就有几个励磁线圈，这几个线圈串联（或并联）起来就构成了励磁绕组，这里要注意各线圈通过电流的方向不可出错。在上述条件下，环外导体将感应电势，其大小与磁通密度 B、导体的有效长度 l 和导体切割磁场速度 v 三者的乘积成正比，其方向用右手定则判断。

三、直流电动机的工作原理

图 3　直流电动机原理

对前述直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如图 3（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈 abcd，从电刷 B 流出；根据电磁力定律，载流导体 ab 和 cd 受到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如图 3（b）所示的位置，电刷 A 和换向片 2 接触、电刷 B 和换向片 1 接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是 dcba，从电刷 B 流出。

此时载流导体 ab 和 cd 受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动，这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交变的，其产生的转矩的方向却是不变的。

将直流电动机的工作原理归结如下：

（1）将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过；

（2）电机内部有磁场存在；

（3）载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用，f = Bli_a（方向由左手定则判定）；

（4）所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以 n（转/分）旋转，以便拖动机械负载。

四、直流电机的结构

图 4　直流电机结构装配图与剖面图

图 4 是一台国产直流电机的结构装配图和结构剖面图。旋转电机都由定子和转子两大部分组成，每一部分也都由电磁部分和机械部分组成，以便满足电磁作用的条件；换向极用来改善换向。

旋转电机包括定子（电磁部分、机械部分）和转子（机械部分、电磁部分）。

定子包括：主磁极（励磁绕组、主极铁心）、换向极（绕组和铁心）、机座、端盖、电刷装置。

转子包括：电枢绕组、电枢铁心、换向器、转轴与风扇。

1. 定子的主要部件

直流电机的定子由主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。

图 5　主磁极

主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁，而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场；主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大部分称为极靴，其作用是使气隙磁阻减小、改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用 1～1.5 mm 的低碳钢板冲压成一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使相邻主磁极的极性按 N、S 极交替出现。

机座有两个作用：一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架；机座中作为磁通通路的部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成，机座的两端装有端盖。

图 6　换向极

换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，其作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中也有不装换向极的。换向极绕组在使用中与电枢绕组相串联，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。

端盖装在机座两端，并通过端盖中的轴承支撑转子、将定转子连为一体，同时对电机内部起防护作用。

图 7　电刷装置

电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，由电刷、刷握、刷杆和连线等部分组成：电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内，用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触；刷握用螺钉夹紧在刷杆上，每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒；刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。

2. 转子的主要部件

直流电机的转动部分称为转子，又称电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。

图 8　电枢铁心

电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组的支撑部分，电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚 0.5 mm、冲有齿槽的 DR530 或 DR510 型硅钢片叠压夹紧而成。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上；为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。

图 9　电枢绕组

电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定规律连接组成，是直流电机的电路部分，也是感生电动势、产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善绝缘，并用槽楔压紧；大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。

图 10　换向器

在直流发电机中换向器起整流作用，在直流电动机中换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个 V 形环夹紧而构成；每个电枢线圈首端和尾端的引线分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。