直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。

　　直流電機(jī)（direct current machine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

　　直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖儯虼舜藭r(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢的原理。

　　感應(yīng)電動(dòng)勢的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢的方向）。

　　導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針方向，企圖使電樞逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來。

　　直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：

　　定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分

　　定子作用：產(chǎn)生主磁場和在機(jī)械上支撐電機(jī)。

　　定子組成：主磁極、換向極、機(jī)座、端蓋和軸承等。

　　1.主磁極

　　主磁極包括主磁極鐵心和套在上面的勵(lì)磁繞組，其主要任務(wù)是產(chǎn)生主磁場。磁極下面擴(kuò)大的部分稱為極掌，它的作用是使通過空氣中的磁通分布最為合適，并使勵(lì)磁繞組能牢固地固定在鐵心上。磁極是磁路的一部分，采用1.0-1.5mm的鋼片疊壓制成。勵(lì)磁繞組用絕緣銅線繞成。

　　2.換向極

　　換向極用來改善電樞電流的換向性能。它也是由鐵心和繞組構(gòu)成的，用螺桿固定在定子的兩個(gè)主磁極的中間。

　　3.機(jī)座

　　機(jī)座一方面用來固定主磁極，換向極和端蓋等，并作整個(gè)電機(jī)的支架用地腳螺釘將電機(jī)固定在基礎(chǔ)上，另一方面也是電機(jī)磁路地一部分，故用鑄鋼或者是鋼板壓成。

　　4.電樞鐵心

　　電樞鐵心是主磁極地一部分，用硅鋼片疊成，呈圓柱形，表面沖了槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。為了加強(qiáng)鐵心的冷卻，電樞鐵心上有軸向通風(fēng)孔，如圖示。

　　5.電樞繞組

　　電樞繞組示直流電機(jī)產(chǎn)生感應(yīng)電勢及電磁轉(zhuǎn)距以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分。繞組一般由銅線繞成，包上絕緣后嵌入電樞鐵心的槽中，為了防止離心力將繞組甩出槽外，用槽楔將繞組導(dǎo)體楔在槽內(nèi)。

　　6.換向器

　　換向器的作用對(duì)發(fā)電機(jī)而言是將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電動(dòng)勢。對(duì)電動(dòng)機(jī)而言，則是將外加的直流電流轉(zhuǎn)換成電樞繞組的交流直流，并保證每一磁極下，電樞導(dǎo)體的電流方向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)距。換向器由很多彼此絕緣的銅片組合而成，這些銅片稱為換向片，每個(gè)換向片都和電樞繞組連接。如圖示的是換向器的結(jié)構(gòu)圖。

　　換向器是直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，易于識(shí)別。

　　7.電刷裝置

　　電刷裝置包括電刷及電刷座，它們固定在定子上，其電刷與換向器保持滑動(dòng)接觸，以便將電樞繞組和外電流接通。

　　直流電機(jī)磁場、電動(dòng)勢、轉(zhuǎn)矩

　　直流電機(jī)的磁場

　　由直流電機(jī)基本工作原理可知，直流電機(jī)無論作發(fā)電機(jī)運(yùn)行還是作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，都必須具有一定強(qiáng)度的磁場，所以磁場是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的媒介。因此，在分析直流電機(jī)的運(yùn)行原理以前，必須先對(duì)直流電機(jī)中磁場的大小及分布規(guī)律等有所了解。

　　1.直流電機(jī)的空載磁場

　　直流電機(jī)不帶負(fù)載（即不輸出功率）時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)稱為空載運(yùn)行。空載運(yùn)行時(shí)電樞電流為零或近似等于零，所以，空載磁場是指主磁極勵(lì)磁磁勢單獨(dú)產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場，亦稱主磁場。一臺(tái)四極直流電機(jī)空載磁場的分布示意圖如圖1所示，為方便起見，只畫一半。

　　（1）主磁通和漏磁通

　　圖1表明，當(dāng)勵(lì)磁繞組通以勵(lì)磁電流時(shí)，產(chǎn)生的磁通大部分由N極出來，經(jīng)氣隙進(jìn)入電樞齒，通過電樞鐵心的磁軛（電樞磁軛），到S極下的電樞齒，又通過氣隙回到定子的S極，再經(jīng)機(jī)座（定子磁軛）形成閉合回路。這部分與勵(lì)磁繞組和電樞繞組都交鏈的磁通稱為主磁通，用（0表示。主磁通經(jīng)過的路徑稱為主磁路。顯然，主磁路由主磁極。氣隙。電樞齒。電樞磁軛和定子磁軛等五部分組成。另有一部分磁通不通過氣隙，直接經(jīng)過相鄰磁極或定子磁軛形成閉合回路，這部分僅與勵(lì)磁繞組交鏈的磁通稱為漏磁通，以（0表示。漏磁通路徑主要為空氣，磁阻很大，所以漏磁通的數(shù)量只有主磁通的20%左右。

　　（2）直流電機(jī)的空載磁化特性

　　直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，要求氣隙磁場每個(gè)極下有一定數(shù)量的主磁通，叫每極磁通（，當(dāng)勵(lì)磁繞組的匝數(shù)Wf一定時(shí)，每極磁通（的大小主要決定于勵(lì)磁電流If。空載時(shí)每極磁通（0與空載勵(lì)磁電流If（或空載勵(lì)磁磁勢的關(guān)系或）稱為電機(jī)的

　　空載磁化特性。由于構(gòu)成主磁路的五部分當(dāng)中有四部分是鐵磁性材料，鐵磁材料磁化時(shí)的B-H曲線有飽和現(xiàn)象，磁阻是非線性的，所以空載磁化特性在較大時(shí)也出現(xiàn)飽和，如圖2所示。為充分利用鐵磁材料，又不致于使磁阻太大，電機(jī)的工作點(diǎn)一般選在磁化特性開始轉(zhuǎn)彎。亦即磁路開始飽和的部分（圖中A點(diǎn)附近）。

　　（3）空載磁場氣隙磁密分布曲線

　　主磁極的勵(lì)磁磁勢主要消耗在氣隙上，當(dāng)近似地忽略主磁路中鐵磁性材料的磁阻時(shí)，主磁極下氣隙磁密的分布就取決于氣隙δ大小分布情況。一般情況下，磁極極靴寬度約為極距的75%左右，如圖3（a）所示。磁極中心及其附近，氣隙較小且均勻不變，磁通密度較大且基本為常數(shù)，靠近兩邊極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減小，超出極尖以外，氣隙明顯增大，磁通密度顯著減小，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度為零，因此，空載氣隙磁通密度分布為一個(gè)平頂波，如圖3（b）所示。

　　2.直流電機(jī)的電樞反應(yīng)及負(fù)載磁場

　　（1）直流電機(jī)的電樞反應(yīng)

　　直流電機(jī)空載時(shí)勵(lì)磁磁勢單獨(dú)產(chǎn)生的氣隙磁密分布為一平頂波，如圖3（b）所示，負(fù)載時(shí)，電樞繞組流過電樞電流Ia，產(chǎn)生電樞磁勢Fa，與勵(lì)磁磁勢Ff共同建立負(fù)載時(shí)的氣隙合成磁密，必然會(huì)使原來的氣隙磁密的分布發(fā)生變化。通常把電樞磁勢對(duì)氣隙磁密分布的影響稱為電樞反應(yīng)。

　　下面先分析電樞磁勢單獨(dú)作用時(shí)在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生的電樞磁場，再將電樞磁場與空載氣隙磁場合起來就可得到負(fù)載磁場，與空載氣隙磁場相比較，可以了解電樞反應(yīng)的影響。

　　（2）直流電機(jī)的電樞磁場圖

　　圖4表示一臺(tái)兩極直流電機(jī)電樞磁勢單獨(dú)作用產(chǎn)生的電樞磁場分布情況，圈中沒有畫出換向器，所以把電刷直接畫在幾何中性線處，以表示電刷是通過換向器與處在幾何中性線上的元件邊相接觸的，由于電刷軸線上部所有元件構(gòu)成一條支路，下部所有元件構(gòu)成另一條支路，電樞元件邊中電流的方向以電刷軸線為分界。圖中設(shè)上部元件邊中電流為出來，下部元件邊電流是進(jìn)去，由右手螺旋定則可知，電樞磁勢的方向由左向右，電樞磁場軸線與電刷軸線相重合，在幾何中性線上，亦即與磁極軸線相垂直。

　　下面進(jìn)一步分析電樞磁勢和電樞磁場氣隙磁密的分布情況。如果假設(shè)圖4所示電機(jī)電樞

　　繞組只有一個(gè)整距元件，其軸線與磁極軸線相垂直，如圖4所示。該元件有Wc匝。元件中電流為ia，每個(gè)元件的磁勢為iaWc安匝，由該元件建立的磁場的磁力線分布如圖3所示，如果假想將此電機(jī)從幾何中性線處切開展平，如圖4所示。以圖中磁力線路徑為閉合磁路，根據(jù)全電流定律可知，作用在這一閉合磁路的磁勢等于它所包圍的全電流iaWc，當(dāng)忽略鐵磁性材料的磁阻，并認(rèn)為電機(jī)的氣隙均勻時(shí)，則每個(gè)氣隙所消耗的磁勢為，一般取磁力線自電樞出，進(jìn)定子時(shí)

　　的磁勢為正，反之為負(fù)，這樣可得一個(gè)整距繞組元件產(chǎn)生的磁勢的分布情況如圖所示。可以看出一個(gè)整距元件所產(chǎn)生的電樞磁勢在空間的分布為一個(gè)以兩個(gè)極距2τ為周期。幅值為的矩形波。

　　當(dāng)電樞繞組有許多整距元件均勻分布于電樞表面時(shí)，每一個(gè)元件產(chǎn)生的磁勢仍是幅值為的矩形波，把這許多個(gè)矩形波磁勢疊加起來，可得電樞磁勢在空間的分布為一個(gè)以兩個(gè)極距2τ為周期的多級(jí)階梯形波，為分析簡便起見或者元件數(shù)目足夠多時(shí)，可近似地認(rèn)為電樞磁勢空間分布為一個(gè)三角形波，三角形波磁勢的最大值在幾何中性線位置，磁極中心線處為零，如圖6所示。

　　如果忽略鐵心中的磁阻，認(rèn)為電樞磁勢全都消耗在氣隙上，則根據(jù)磁路的歐姆定律，可得電樞磁場磁密的表達(dá)式為：　

　　式中　Fax——?dú)庀吨衳處的磁勢；

　　Bax——?dú)庀吨衳處的磁密。

　　由上式可知，在磁極極靴下，氣隙δ較小且變化不大，所以氣隙磁密Bax與電樞磁勢成正比，而在兩磁極間的幾何中性線附近，氣隙較大，超過Fax增加的程度，使Bax反而減小，所以，電樞磁場磁密分布波形為馬靴形，如圖6中曲線3所示。

　　（3）負(fù)載時(shí)的氣隙合成磁場

　　如果磁路不飽和或者不考慮磁路飽和現(xiàn)象時(shí)，可以利用疊加原理，將空載磁場的氣隙磁密分布曲線1和電樞磁場的氣隙磁密分布曲線3相加，即得負(fù)載時(shí)氣隙合成磁場的磁密分布曲線，如圖6中的曲線4所示。對(duì)照曲線l和4可見：電樞反應(yīng)的影響是使氣隙磁場發(fā)生畸變，使半個(gè)磁極下的磁場加強(qiáng)，磁通增加，另半個(gè)極下的磁場減弱，磁通減少。由于增加和減少的磁通量相等，每極總磁通Φ維持不變。由于磁場發(fā)生畸變，使電樞表面磁密等于零的物理中性線偏離了幾何中性線，如圖6所示。利用圖6可以分析得知，對(duì)發(fā)電機(jī)，物理中性線順著旋轉(zhuǎn)方向（nF的方向）偏離幾何中性線；而對(duì)電動(dòng)機(jī)，則是逆著旋轉(zhuǎn)方向（nD的方向）偏離幾何中性線。

　　考慮磁路飽和影響時(shí)，半個(gè)極下磁場相加，由于飽和程度增加，磁阻增大，氣隙磁密的實(shí)際值低于不考慮飽和時(shí)的直接相加值；另半個(gè)極下磁場減弱，飽和程度降低，磁阻減小，氣隙磁密的實(shí)際值略大于不考慮飽和時(shí)的直接相加值，實(shí)際的氣隙合成磁場磁密分布曲線如圖6中的曲線5所示。由于鐵磁性材料的非線性，曲線5與曲線4相比較，減少的面積大于增加的面積，亦即半個(gè)極下減少的磁通大于另半個(gè)極下增加的磁通，使每極總磁通有所減小。

　　由以上分析可以知電刷放在幾何中性線上時(shí)電樞反應(yīng)的影響為：

　　a）使氣隙磁場發(fā)生畸變。半個(gè)極下磁場削弱，半個(gè)極下磁場加強(qiáng)。對(duì)發(fā)電機(jī)，是前極端（電樞進(jìn)入端）的磁場削弱，后極端（電樞離開端）的磁場加強(qiáng)；對(duì)電動(dòng)機(jī)，則與此相反。氣隙磁場的畸變使物理中性線偏離幾何中性線。對(duì)發(fā)電機(jī)，是順旋轉(zhuǎn)方向偏離；對(duì)電動(dòng)機(jī)，是逆旋轉(zhuǎn)方向偏離。

　　b）磁路飽和時(shí)，有去磁作用。因?yàn)榇怕凤柡蜁r(shí)，半個(gè)極下增加的磁通小于另半個(gè)極下減少的磁通，使每個(gè)極下總的磁通有所減小。

　　電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢

　　電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢是指直流電機(jī)正負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢，也就是電樞繞組一條并聯(lián)支路的電動(dòng)勢。電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組元件邊內(nèi)的導(dǎo)體切割電動(dòng)勢，由于氣隙合成磁密在一個(gè)極下的分布不均勻，如圖7所示，所以導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小是變化的。為分析推導(dǎo)方便起見，可把磁密看成是均勻分布的，取每個(gè)極下氣隙磁密的平均值Bav，從而可得一根導(dǎo)體在一個(gè)極距范圍內(nèi)切割氣隙磁密產(chǎn)生的電動(dòng)勢的平均值eav，其表達(dá)式為

　　式中　Bav——一個(gè)極下氣隙磁密的平均值，稱平均磁通密度；

　　l——電樞導(dǎo)體的有效長度（槽內(nèi)部分）；

　　v——電樞表面的線速度。

　　設(shè)電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)為N（N＝2SW），則每一條并聯(lián)支路總的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為N/2α，因而電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢

　　式中——對(duì)已經(jīng)制造好的電機(jī)，是一個(gè)常數(shù)，故稱直流電機(jī)的電動(dòng)勢常數(shù)。

　　每極磁通Φ的單位用Wb（韋伯），轉(zhuǎn)速單位用r/min時(shí)，電動(dòng)勢Ea的單位為V。上式表明：對(duì)已制成的電機(jī)，電樞電動(dòng)勢Ea與每極磁通Φ和轉(zhuǎn)速n成正比。假定電樞繞組是整距的（y1＝τ），如果是短距繞組（y1《τ），電樞電動(dòng)勢將稍有減小，因?yàn)橐话愣叹嗖淮螅绊懞苄。梢圆挥杩紤]。式中的Φ一般是指負(fù)載時(shí)氣隙合成磁場的每極磁通。

　　電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩

　　電樞繞組中流過電樞電流Ia時(shí)，元件的導(dǎo)體中流過支路電流ia，成為載流導(dǎo)體，在磁場中受到電磁力的作用。電磁力f的方向按左手定則確定，如圖1.27所示。一根導(dǎo)體所受電磁力的大小為

　　如果仍把氣隙合成磁場看成是均勻分布的，氣隙磁密用平均值Bav表示，則每根導(dǎo)體所受電磁力的平均值為

　　一根導(dǎo)體所受電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩，其大小為

　　式中　D——電樞外徑。

　　不同極性磁極下的電樞導(dǎo)體中電流的方向也不同，所以電樞所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向部是一致的，因而電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩等于一根導(dǎo)體電磁轉(zhuǎn)矩的平均值Tem乘以電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)N，即

　　式中——對(duì)已制成的電機(jī)是一個(gè)常數(shù)，稱為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

　　磁通的單位用Wb，電流的單位用A時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Tem的單位為N·m（牛·米）。上式表明：對(duì)已制成的電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩T與每極磁通Φ和電樞電流Ia成正比。

　　電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩是直流電機(jī)兩個(gè)重要的公式。對(duì)于同一臺(tái)直流電機(jī)，電動(dòng)勢常數(shù)Ca和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT之間具有確定的關(guān)系：

　　或者