直流電機的工作原理

一.直流電機的物理模型圖解釋

　　這是分析直流電機的物理模型圖。
　　其中，固定部分有磁鐵，這裏稱作主磁極；固定部分還有電刷。轉動部分有環形鐵心和繞在環形鐵心上的繞組。(其中2個小圓圈是為了方便表示該位置上的導體電勢或電流的方向而設置的)
　　上圖表示一台最簡單的兩極直流電機模型，它的固定部分（定子）上，裝設了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉部分（轉子）上裝設電樞鐵心。定子與轉子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構成的整體稱為換向器。換向器固定在轉軸上，換向片與轉軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。
二.直流發電機的工作原理
直流發電機的原理圖
直流發電機是機械能轉換為直流電能的電氣設備。
如何轉換？分以下步驟說明：
設原動機拖動轉子以每分轉n轉轉動；
電機內部的固定部分要有磁場。這個磁場可以是如圖示的磁鐵也可以是磁極鐵心上繞套線圈，再通過直流電產生磁場。其中 If 稱之為勵磁電流。這種線圈每個磁極上有一個，也就是，電機有幾個磁極就有幾個勵磁線圈，這幾個線圈串聯（或並聯）起來就構成了勵磁繞組。這裏要注意各線圈通過電流的方向不可出錯。在以上條件下環外導體將感應電勢，其大小與磁通密度 B 、導體的有效長度 l 和導體切割磁場速度 v 三者的乘積成正比，其方向用右手定則判斷。
但是要注意某一根轉子導體的電勢性質是交流電。而經電刷輸出的電動勢確是直流電了。這便是直流發電機的工作原理。
三.直流電動機的工作原理

　　直流電動機的原理圖
　　對上一頁所示的直流電機，如果去掉原動機，並給兩個電刷加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經過線圈abcd，從電刷 B 流出，根據電磁力定律，載流導體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導體受到的力形成了一個轉矩，使得轉子逆時針轉動。如果轉子轉到如上圖（b）所示的位置，電刷 A 和換向片2接觸，電刷 B 和換向片1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷 B 流出。
　　此時載流導體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產生的轉矩仍然使得轉子逆時針轉動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由於電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產生的轉矩的方向卻是不變的。
　　 實用中的直流電動機轉子上的繞組也不是由一個線圈構成，同樣是由多個線圈連接而成，以減少電動機電磁轉矩的波動，繞組形式同發電機。
將直流電動機的工作原理歸結如下：
　　將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導體有電流流過。
　　電機內部有磁場存在。
　　載流的轉子（即電樞）導體將受到電磁力 f 的作用 f=Blia （左手定則）
　　所有導體產生的電磁力作用於轉子，使轉子以n(轉/分)旋轉，以便拖動機械負載。
§1.2直流電機的結構

　　這是一台國產直流電機的結構裝配圖和結構剖麵圖。旋轉電機都是由定子和轉子兩大部分組成，每一部分也都由電磁部分和機械部分組成，以便滿足電磁作用的條件。換向極用來改善換向。
　　旋轉電機 包括 定子(電磁部分,機械部分)和轉子(機械部分,電磁部分 )
　　定子：
　　◇ 主磁極（勵磁繞組 主極鐵心）
　　◇ 換向極（繞組和鐵心）
　　◇ 機座
　　◇ 端蓋
　　◇ 電刷裝置
　　轉子：
　　◇ 電樞繞組
　　◇ 電樞鐵心
　　◇ 換向器
　　◇ 轉軸、風扇
　　●定子的主要部件包括：直流電機的定子由主磁極、機座、換向極、端蓋和電刷裝置等部件組成。

　　主磁極 主磁極的作用是建立主磁場。絕大多數直流電機的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構成。主磁極鐵心靠近轉子一端的擴大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，並使勵磁繞組容易固定。為了減少轉子轉動時由於齒槽移動引起的鐵耗，主磁極鐵心采用1～1.5mm的低碳鋼板衝壓一定形狀疊裝固定而成。主磁極上裝有勵磁繞組，整個主磁極用螺杆固定在機座上。主磁極的個數一定是偶數，勵磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按 N，S 極交替出現。
　　機座 ——機座有兩個作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機的結構框架。 機座中作為磁通通路疊部分稱為磁軛。機座一般用厚鋼板彎成筒形以後焊成，或者用鑄鋼件（小型機座用鑄鐵件）製成。機座的兩端裝有端蓋。

　　換向極 ——換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極，它的作用是改善直流電機的換向情況，使電機運行時不產生有害的火花。換向極結構和主磁極類似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構成，並用螺杆固定在機座上。換向極的個數一般與主磁極的極數相等，在功率很小的直流電機中，也有不裝換向極的。換向極繞組在使用中是和電樞繞組相串聯的，要流過較大的電流，因此和主磁極的串勵繞組一樣，導線有較大的截麵。
　　端蓋 —— 端蓋裝在機座兩端並通過端蓋中的軸承支撐轉子，將定轉子連為一體。同時端蓋對電機內部還起防護作用。