2.1　直流电机的工作原理和基本构造

2.1.1　直流电机的工作原理

通电导线在磁场中会受到的磁场力可由左手定则判定，把左手放入磁场中，让磁力线垂直穿入手心，磁力线从N极出发进入S极，四指指向电流所指方向，则大拇指的方向就是导体受力的方向。

电源的直流电加于电刷A（正极）和B（负极）上，则线圈abcd中流过电流：在导体ab中，电流由a指向b；在导体cd中，电流由c指向d。用左手定则可知导体ab所受到的磁场力从右向左，导体cd所受到的磁场力从左向右，这样形成的转矩M为逆时针方向。在该转矩作用下电枢将逆时针方向旋转，如图2-5（a）所示。

当电枢转过了180°，直流电仍由电刷A流入，由电刷B流出，电流在电枢内的流向改变为d到c、b到a，由左手定则可知导体cd所受到的磁场力从右向左，ab所受磁场力从左向右，转矩M方向仍为逆时针，则可保持电枢持续逆时针转动，如图2-5（b）所示。

2.1.2　直流电机的基本构造

直流电机主要由定子（固定部分）和电枢（旋转部分，也称转子）两大部分组成，定子和转子之间的间隙称为空气隙。如图2-6所示为直流电机的基本结构图与剖面图。下面就一些主要的部件分别予以介绍。

直流电机是基于载流导体与磁场之间的相互作用而制成的。电机的磁极和电枢之间必须有相对运动。

2.1.2.1　定子

定子的作用是产生磁场和作为电机机械支承部件。它由主磁极、换向磁极、电刷装置、机座、端盖等组成。

（1）主磁极　主磁极的作用是产生主磁场，主磁极的结构如图2-7所示。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的。主磁极装在机座的内壁，它由主磁极铁芯和励磁绕组组成。主磁极铁芯包括极芯和极掌两部分。极芯上套有励磁绕组，各主磁极上的绕组一般都是串联的。极掌的作用是使空气隙中磁感应强度分布最为合适。改变励磁电流的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。

主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N、S极交替出现的规律进行。汽车起动机一般采用四个磁极，功率较大的也有采用六个磁极的。

（2）换向磁极　在两个相邻的主磁极之间中性面内有一个小磁极，这就是换向磁极，它的构造与主磁极相似，由换向极铁芯和套在铁芯上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向磁极的励磁绕组与主磁极的励磁绕组串联。

主磁极中性面内的磁感应强度本应为零，但是，由于电枢电流通过电枢绕组时所产生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应强度不能为零，于是使转到中性面内进行电流换向的绕组产生感应电动势，使得电刷与换向器之间产生较大的火花。

用换向磁极的附加磁场来抵消电枢磁场，使主磁极中性面内的磁感应强度接近于零，这样就改善了电枢绕组的电流换向条件，减小了电刷与换向器之间的火花。

换向磁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，也有不装换向磁极的。

（3）电刷装置　电刷装置的作用是把外电路的电动势、电流引入电枢绕组或把电枢绕组中的电动势、电流引到外电路。电刷装置主要由用石墨制成导电块的电刷、压力弹簧和刷杆等组成。

固定在机座上（小容量电机装在端盖上）不动的电刷，借助于压力弹簧的压力和旋转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。

电刷数一般等于主磁极数，各同极性的电刷经软线汇集在一起，再引到接线盒内的接线板上，作为电枢绕组的引出端。

（4）机座　机座用铸钢或铸铁制成，用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，它是电机磁路的一部分。机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。

（5）端盖　端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定子和转子连为一体，同时端盖对电机内部还起防护作用。

2.1.2.2　转子

直流电机的转子主要由电枢铁芯、换向器及电枢绕组等组成，如图2-8所示。

（1）电枢铁芯　电枢铁芯由硅钢片冲制叠压而成，在外圆上有分布均匀的槽用来嵌放绕组。铁芯也作为电机磁路的一部分。

（2）换向器　换向器装在电枢转轴的一端，它是由许多互相绝缘的铜质换向片叠成的圆环。电枢绕组每个线圈的两端分别接至两个换向片上。在直流电机中，换向器将电源的直流电转换为线圈中的交流电，以获得方向不变的电磁转矩。如图2-9所示，换向器由许多梯形铜片组成，片间用云母片绝缘，外表呈圆柱形。换向片和云母片组成的圆筒两端用V形云母套筒和V形金属压圈压紧，以使其成为一个整体并保证其绝缘性能，这样就构成了一个换向器。

（3）电枢绕组　电枢绕组是产生感应电动势或电磁转矩，实现能量转换的主要部件。它由许多绕组元件构成，按一定规则嵌放在铁芯槽内和换向片相连，使各组线圈的电动势相加。绕组端部用镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。