一、直流发电机的工作原理

图 1　直流发电机工作原理简图

假设电机只具有一对磁极、一个电枢绕组线圈，线圈两端分别连接在两个换向片上，换向片上压着电刷 A 和 B。电枢由原动机驱动在磁场中旋转，电枢线圈的两根有效边便切割磁力线、感应出电动势。线圈随电枢铁心转动时，每一有效边中的电动势是交变的，即在 N 极下是一个方向，当它转到 S 极下时是另一个方向；但由于电刷 A 总是同与 N 极下的一边相连的换向片接触、电刷 B 总是同与 S 极下的一边相连的换向片接触，因此在电刷上就出现一个极性不变的电动势或电压。

换向片的作用就是将发电机电枢绕组内的交变电动势转换成电刷间极性不变的直流电动势。当电刷间接有负载时，就在电路中产生一定方向的电流。其电动势的大小为

E = k_Eφn（方向与 I_a 相同）

式中：φ 是一个磁极的磁通，单位是韦伯（Wb）；n 是电枢转速，单位是转每分（r/min）；k_E 是与电动机结构有关的常数；E 的单位是伏特（V）。

载流导体在磁场中也受到一个电磁力，从而产生电磁转矩 T，该电磁转矩是阻转矩，其大小为

T = K_TφI_a

则原动机的转矩 T1 与发电机的电磁转矩 T 及空载损耗转矩 T0 相平衡，即 T1 = T + T0。

二、直流电动机的工作原理

图 2　直流电动机工作原理简图

在电刷 A、B 之间加上直流电压 U，电枢线圈中的电流流向为：N 极下的有效边中的电流总是一个方向，而 S 极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样两个有效边中受到的电磁力的方向一致，电枢开始转动。通过换向器可以实现：线圈的有效边从一个磁极（如 N 极）转到另一个磁极（如 S 极）下时，电流的方向同时发生改变，从而电磁力或电磁转矩的方向不发生改变。电磁转矩是驱动转矩，其大小也为 T = K_TφI_a。电动机的电磁转矩 T 必须与机械负载转矩 T2 及空载损耗转矩 T0 相平衡，即 T = T2 + T0。

另外，当电枢绕组在磁场中转动时，线圈中也要产生感应电动势 E，这个电动势的方向与电流或外加电压的方向相反，称之为反电动势，其大小为 E = k_Eφn（方向与 I_a 相反）。