8.1直流電機的基本工作原理
圖8.1是一台直流電機的最簡單模型。n和s是一對固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵。
磁極之間有乙個可以轉動的鐵質圓柱體，稱為電樞鐵心。鐵心表面固定乙個用絕緣導體構成的電樞線圈abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個半圓形銅片(換向片)上，它們的組合在一起稱為換向器，在每個半圓銅片上又分別放置乙個固定不動而與之滑動接觸的電刷a和b，線圈abcd通過換向器和電刷接通外電路。
圖8.1 直流電動機工作原理示意圖
一、直流電動機工作原理
將外部直流電源加於電刷a(正極)和b(負極)上，則線圈abcd中流過電流，在導體ab中，電流由a指向b，在導體cd中，電流由c指向d。導體ab和cd分別處於n、s極磁場中，受到電磁力的作用。用左手定則可知導體ab和cd均受到電磁力的作用，且形成的轉矩方向一致，這個轉矩稱為電磁轉矩，為逆時針方向。
這樣，電樞就順著逆時針方向旋轉，如圖8.1(a)所示。當電樞旋轉180°，導體cd轉到n極下，ab轉到s極下，如圖8.
1(b)所示，由於電流仍從電刷a流入，使cd中的電流變為由d流向c，而ab中的電流由b流向a，從電刷b流出，用左手定則判別可知，電磁轉矩的方向仍是逆時針方同。
由此可見，加於直流電動機的直流電源，借助於換向器和電刷的作用，使直流電動機電樞線圈中流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產生的電磁轉矩的方向恆定不變，確保直流電動機朝確定的方向連續旋轉。這就是直流電動機的基本工作原理。
實際的直流電動機，電樞圓周上均勻地嵌放許多線圈，相應地換向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產生的總的電磁轉矩足夠大並且比較均勻，電動機的轉速也就比較均勻。
8.2 直流電機的結構和額定值
一、直流電機的結構
由直流電動機工作原理示意圖可以看到，直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機執行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。執行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。
裝配後的電機如圖8.3所示。直流電機的縱向剖檢視如圖8.
4所示。
1. 定子
（1）主磁極
主磁極的作用是產生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成。鐵心一般用0.
5mm～1.5mm厚的矽鋼板衝片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴，極靴寬於極身，既可以調整氣隙中磁場的分布，又便於固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。
整個主磁極用螺釘固定在機座上，如圖8.5所示。
圖8.3 直流電機裝配結構圖
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
圖8.4 直流電機縱向剖檢視
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
（2）換向極
換向極的作用是改善換向，減小電機執行時電刷與換向器之間可能產生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成，如8.6所示。換向極繞組用絕緣導線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數目與主磁極相等。
（3）機座
電機定子的外殼稱為機座，見圖8.4中的3。機座的作用有兩個：一是用來固定主磁極、換圖8.5 主磁極的結構
向極和端蓋，並起整個電機的支撐和固定作用； 1—主磁極 2—勵磁繞組 3—機座
二是機座本身也是磁路的一部分，藉以構成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。
（4）電刷裝置
電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的，如圖8.7所示。電刷裝置由電刷、刷握、刷杆和刷杆座等組成。
電刷放在刷握內，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷杆上，刷杆裝在圓環形的刷杆座上，相互之間必須絕緣。刷杆座裝在端蓋或軸承內蓋上，圓周位置可以調整，調好以後加以固定。
圖1.6 換向極圖1.7 電刷裝置
1—換向極鐵心1—刷握2—電刷
2—換向極繞組3—壓緊彈簧 4—刷辮
2. 轉子(電樞)
（1）電樞鐵心
電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。一般電樞鐵心採用由0.5mm厚的矽鋼片沖製而成的衝片疊壓而成(衝片的形狀如圖8.
8(a)所示)，以降低電機執行時電樞鐵心中產生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉軸或轉子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內嵌放電樞繞組。
圖8.8 轉子結構圖
（2）電樞繞組
電樞繞組的作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量變換的關鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈(以下稱元件)按一定規律連線而成，線圈採用高強度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定，如圖8.
9所示。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進行綁紮。
（3）換向器
在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉矩的方向恆定不變；在直流發電機中，換向器配以
電刷，能將電樞線圈中感應產生的交變電動勢轉換為正、負電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用雲母片絕緣，換向圖8.9 電樞槽的結構
片的緊固通常如圖8.10所示，換向片的下部做成鴿 1—槽楔 2—線圈絕緣 3—電樞導體
尾形，兩端用鋼製v形套筒和v形雲母環固定，再用4—層間絕緣 5—槽絕緣 6—槽底絕緣
螺母鎖緊。
（4）轉軸
轉軸起轉子旋轉的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。
圖8.10 換向器結構圖8.11 單疊繞組元件
1—換向片 2—連線部分1—首端 2—末端 3—元件邊4—端接部分 5—換向片
二、直流電機的勵磁方式
勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。按勵磁方式的不同，直流電機可以分為以下4類。（1）他勵直流電機
勵磁繞組由其他直流電源供電，與電樞繞組之間沒有電的聯絡，如圖8.13(a)所示。永磁直流電機也屬於他勵直流電機，因其勵磁磁場與電樞電流無關。
圖8.20中電流正方向是以電動機為例設定的。
（2）並勵直流電機
勵磁繞組與電樞繞組併聯。如圖8.13(b)所示。勵磁電壓等於電樞繞組端電壓。 以上兩類電機的勵磁電流只有電機額定電流的1%～5圖8.12 單波繞組元件
所以勵磁繞組的導線細而匝數多1—首端 2—末端 3—元件邊
（3）串勵直流電機4—端接部分 5—換向片
勵磁繞組與電樞繞組串聯，如圖8.13(c)所示。勵磁電流等於電樞電流，所以勵磁繞組的導線粗而匝數較少。
（4）復勵直流電機
每個主磁極上套有兩套勵磁磁繞組，乙個與電樞繞組併聯，稱為並勵繞組。乙個與電樞繞組串聯，稱為串勵繞組，如圖8.13(d)所示。
兩個繞組產生的磁動勢方向相同時稱為積復勵，兩個磁勢方向相反時稱為差復勵，通常採用積復勵方式。
直流電機的勵磁方式不同，執行特性和適用場合也不同。
(a)他勵電動機 (b)並勵電動機 (c)串勵電動機 (d)復勵電動機
圖8.13 直流電機的勵磁方式
三、直流電機的額定值
電機製造廠按照國家標準，根據電機的設計和試驗資料而規定的每台電機的主要效能指標稱為電機的額定值。額定值一般標在電機的銘牌上或產品說明書上。直流電機的額定值主要有下列幾項：
1.額定功率
額定功率是指電機按照規定的工作方式執行時所能提供的輸出功率。對電動機來說，額定功率是指轉軸上輸出的機械功率.
2.額定電壓
額定電壓是電機電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓，單位為v(伏)。
3.額定電流
額定電流是電機按照規定的工作方式執行時，電樞繞組允許流過的最大電流，單位為a(安培)。
4.額定轉速
額定轉速是指電機在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下執行時，電機的旋轉速度，單位為r/min(轉/分)。
額定值一般標在電機的銘牌上，又稱為銘牌資料。還有一些額定值，例如額定轉矩tn、額定效率 n等，不一定標在銘牌上，可查產品況明書或由銘牌上的資料計算得到。
額定功率與額定電壓和額定電流之間有如下關係：
直流電動機 pn=unin n×103 kw
直流電機執行時，如果各個物理量均為額定值，就稱電機工作在額定執行狀態，亦稱為滿載執行。在額定執行狀態下，電機利用充分，執行可靠，並具有良好的效能。如果電機的電樞電流小於額定電流，稱為欠載執行；電機的電樞電流大於額定電流，稱為過載執行。
欠載執行，電機利用不充分，效率低；過載執行，易引起電機過熱損壞。
8.4直流電機的換向
換向是直流電機中乙個非常重要問題，直流電機的換向不良，將會造成電刷與換向器之間產生電火花，嚴重的會使電機燒毀。所以，要討論影響換向的因素以及產生電火花的原因，進而採取有效的方法改善換向，保障電機的正常執行。
一、換向的過程
直流電機執行時，電樞繞組的元件旋轉，從一條支路經過固定不動的電刷短路，後進入另一條支路，元件中的電流方向將改變，這一過程稱為換向，如圖8.21所示。圖8.
21是電機中一元件k的換向過程，設bs為電刷的寬度，一般等於乙個換向片bk的寬度，電樞以恆速va從左向右移動，tk為換向週期，s1、s2分別是電刷與換向片1、2的接觸面積。
(a) 換向開始瞬時 (b) 換向過程中某一瞬時 (c) 換向結束瞬時
圖1.28 換向元件的換向過程
1.換向開始瞬時(圖8.21(a)所示)，t =0，電刷完全與換向片2接觸，s1=0，s2為最大，換向元件k位於電刷的左邊，屬於左側支路元件之一，元件k中流的電流i=+ia，由相鄰兩條支路而來的電流為2ia，經換向片2流入電刷。
2.在換向過程中(圖8.21(b)所示)，t =tk/2，電樞轉到電刷與換向片1、2各接觸一部分，換向元件k被電刷短路，按設計希望此時k中的電流i=0，由相鄰兩條支路而來的電流為2ia，經換向片1、2流入電刷。
直流電機小結
一 直流電機的工作原理 結構 勵磁方式 他勵 自勵 並勵 串勵 復勵 各種勵磁方式的if i ia之間關係 電樞繞組 單疊繞組的繞法和特點 二 直流電機的磁動勢和磁場 1 空載 只有主極磁場，直流勵磁繞組產生。2 負載 1 由主磁極和電樞繞組共同建立氣隙磁場2 電樞磁場對主磁極磁場的影響 3 電刷是...
直流電機總結
小結直流電機的工作原理是建立在電和磁相互作用的基礎上。為此，必須熟練地運用在電工原理中所學習過的基本電磁定律，結合換向器和電刷的作用去理解，並且充分注意到無論在直流電動機還是直流發電機中，電機的外電路中電壓 電流及電勢都是直流電性質的，但每個元件中的電壓，電流及電勢都是交流電性質的。任何型別的旋轉電...
直流電機維護常識
直流電機的維護及保養主要集中在電刷 換向器 軸承等元件,同時亦是故障的多發區。合理地對其進行維護是正確執行直流電機 迅速排除執行故障的關鍵。1 直流電機的維護保養 1.1 換向器的維護保養 換向器是直流電機中的關鍵部件,也是觀察直流電機故障的主要視窗,直流電機的故障很多,但最常見的也是最難處理的是換...