直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机，是能实现直流电能和机械能互相转换的电机：当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

图 1　直流电机

一、直流电机的换向

旋转着的电枢某元件从一个支路转换到另外一个支路时，元件中的电流变化的过渡过程称为换向过程。

1. 换向过程分析

电刷是支路的分界线，研究电刷与 1、2 号换向片分别和同时接触时的情况：换向刚开始时，元件仍属于右边支路，其电流为 +i_a（右→左）；处于换向过程中时，元件被电刷短路，电流大小和方向处于变化的过程中；换向结束时，元件进入左边支路，其电流已经由 +i_a 变为 −i_a（左→右）。

一个元件的电流换向过程所需的时间就称为换向周期 T_h，即一个换向片通过电刷所用的时间；换向元件的电流从 +i_a 变到 −i_a 所用的时间即为一个换向周期，T_h = 0.5～2 ms。

换向问题十分复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花；当火花大到一定程度时可能损坏换向器表面，从而使电机不能正常工作。产生火花的原因除电磁原因外，还有电化学、工艺、电热等因素，至今尚无很成熟的理论。

2. 换向元件中的电势

（1）电抗电势 e_x：一般换向周期非常短暂，电流的变化会在绕组元件中产生自感和互感电势，两者的合成电势称为电抗电势，用 e_x 表示。

图 2　换向元件中的电势

根据楞次定律，电抗电势的性质总是阻碍线圈中电流的变化，亦即 e_x 的方向企图与换向前电流的方向相同，或者说电抗电势是阻碍换向的；电抗电势大小反比于换向周期。

（2）电枢反应电势 e_a：换向元件切割电枢反应磁场，从而产生了电枢反应电势，其方向与 e_x 相同，即其性质也是阻碍换向的，其大小为 E_a = 2W_yB_alv_a。

（3）换向极电势 e_K：换向极电势是由于换向元件切割换向磁极磁场感应的电势，换向磁极是为改善换向而设置的；其方向企图与换向后电流的方向相同，或者说换向极电势是帮助换向的。

3. 影响换向的因素

电磁因素：电抗电势和切割电势阻碍换向；此外还有机械、化学、材料等原因。机械方面的原因如换向器偏心、片间绝缘凸出、某个换向片凸出、电刷与换向器表面接触不好等；化学方面如高空缺氧、缺水以及某些化工厂的电机，都可能破坏换向器表面的氧化亚铜薄膜而产生火花。

4. 改善换向的方法

（1）装换向极：在换向元件处产生一个磁势以抵消该处的电枢反应磁势，再产生一个磁密，换向元件切割该磁密时产生一个能抵消电抗电势的电势。换向极绕组应与电枢绕组串联。换向磁极的极性判断原则：对直流发电机是顺转向看与主极极性相同；对直流电动机是逆转向看与主极极性相同。

图 3　换向极

（2）装补偿绕组：装置在磁极表面的槽内，产生抵消电枢反应的磁势，与电枢绕组串联。

图 4　补偿绕组

（3）移动电刷位置：对于未装换向极的小型串励直流电机，把电刷从几何中性线（与处于几何中性线处的导体接触）移动一个适当的小角度，使得换向元件产生的感应电势与换向后电流的方向相同。但电刷移动后会产生直轴去磁电枢反应，导致电压有些降低、转速稍有升高，可能引起运行不稳定，故此方法仅在小容量电机中采用。判断电刷移动的方向：对直流发电机是顺转向移动一个小角度；对直流电动机是逆转向移动一个小角度。

二、空载时直流电机的磁场

1. 直流电机的磁通路径

磁路从主磁极 1 出发，经气隙 1 → 电枢齿 1 → 电枢轭 → 电枢齿 2 → 气隙 2 → 主磁极 2 → 定子轭 → 主磁极 1。

图 5　直流电机的磁通路径

2. 空载磁通密度波形

图 6　空载磁通密度波形

空载时电枢电流为 0，气隙磁场由励磁电流单独决定：磁极面下气隙较小且均匀，磁密较强且均匀；极面外气隙迅速增大，磁密也迅速减弱，几何中性线处磁密为 0。空载气隙磁密沿电枢外圆的分布用函数 B₀(x) 表示，分析可知它是平顶波。

3. 气隙磁场

空载磁场是在无载情况下（即电枢电流为零）、励磁绕组中通入电流后由励磁磁动势单独建立的磁场，其分布情况及计算方法如前所述。空载时主磁场的磁通分两部分，即主磁通和漏磁通：由于磁极极靴宽度总是小于极距，在极靴下气隙较小，所以极靴下沿电枢表面主磁场较强；极靴以外气隙加大，主磁场明显削弱，在两极间的几何中性线处磁密为零。气隙磁场磁密分布波形为一礼帽形，如图 7 所示。

图 7　空载气隙磁密分布