2.1　直流電機的工作原理和基本構造

2.1.1　直流電機的工作原理

通電導線在磁場中會受到的磁場力可由左手定則判定，把左手放入磁場中，讓磁力線垂直穿入手心，磁力線從N極出發進入S極，四指指向電流所指方向，則大拇指的方向就是導體受力的方向。

電源的直流電加于電刷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。用左手定則可知導體ab所受到的磁場力從右向左，導體cd所受到的磁場力從左向右，這樣形成的轉矩M為逆時針方向。在該轉矩作用下電樞將逆時針方向旋轉，如圖2-5（a）所示。

當電樞轉過了180°，直流電仍由電刷A流入，由電刷B流出，電流在電樞內的流向改變為d到c、b到a，由左手定則可知導體cd所受到的磁場力從右向左，ab所受磁場力從左向右，轉矩M方向仍為逆時針，則可保持電樞持續逆時針轉動，如圖2-5（b）所示。

2.1.2　直流電機的基本構造

直流電機主要由定子（固定部分）和電樞（旋轉部分，也稱轉子）兩大部分組成，定子和轉子之間的間隙稱為空氣隙。如圖2-6所示為直流電機的基本結構圖與剖面圖。下面就一些主要的部件分別予以介紹。

直流電機是基于載流導體與磁場之間的相互作用而制成的。電機的磁極和電樞之間必須有相對運動。

2.1.2.1　定子

定子的作用是產生磁場和作為電機機械支承部件。它由主磁極、換向磁極、電刷裝置、機座、端蓋等組成。

（1）主磁極　主磁極的作用是產生主磁場，主磁極的結構如圖2-7所示。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的。主磁極裝在機座的內壁，它由主磁極鐵芯和勵磁繞組組成。主磁極鐵芯包括極芯和極掌兩部分。極芯上套有勵磁繞組，各主磁極上的繞組一般都是串聯的。極掌的作用是使空氣隙中磁感應強度分布最為合適。改變勵磁電流的方向，就可改變主磁極極性，也就改變了磁場方向。

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極交替出現的規律進行。汽車起動機一般采用四個磁極，功率較大的也有采用六個磁極的。

（2）換向磁極　在兩個相鄰的主磁極之間中性面內有一個小磁極，這就是換向磁極，它的構造與主磁極相似，由換向極鐵芯和套在鐵芯上的換向極繞組構成，并用螺桿固定在機座上。換向磁極的勵磁繞組與主磁極的勵磁繞組串聯。

主磁極中性面內的磁感應強度本應為零，但是，由于電樞電流通過電樞繞組時所產生的電樞磁場，使主磁極中性面的磁感應強度不能為零，于是使轉到中性面內進行電流換向的繞組產生感應電動勢，使得電刷與換向器之間產生較大的火花。

用換向磁極的附加磁場來抵消電樞磁場，使主磁極中性面內的磁感應強度接近于零，這樣就改善了電樞繞組的電流換向條件，減小了電刷與換向器之間的火花。

換向磁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，也有不裝換向磁極的。

（3）電刷裝置　電刷裝置的作用是把外電路的電動勢、電流引入電樞繞組或把電樞繞組中的電動勢、電流引到外電路。電刷裝置主要由用石墨制成導電塊的電刷、壓力彈簧和刷桿等組成。

固定在機座上（小容量電機裝在端蓋上）不動的電刷，借助于壓力彈簧的壓力和旋轉的換向器保持滑動接觸，使電樞繞組與外電路接通。

電刷數一般等于主磁極數，各同極性的電刷經軟線匯集在一起，再引到接線盒內的接線板上，作為電樞繞組的引出端。

（4）機座　機座用鑄鋼或鑄鐵制成，用來固定主磁極、換向磁極和端蓋等，它是電機磁路的一部分。機座上的接線盒有勵磁繞組和電樞繞組的接線端，用來對外接線。

（5）端蓋　端蓋裝在機座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉子，將定子和轉子連為一體，同時端蓋對電機內部還起防護作用。

2.1.2.2　轉子

直流電機的轉子主要由電樞鐵芯、換向器及電樞繞組等組成，如圖2-8所示。

（1）電樞鐵芯　電樞鐵芯由硅鋼片沖制疊壓而成，在外圓上有分布均勻的槽用來嵌放繞組。鐵芯也作為電機磁路的一部分。

（2）換向器　換向器裝在電樞轉軸的一端，它是由許多互相絕緣的銅質換向片疊成的圓環。電樞繞組每個線圈的兩端分別接至兩個換向片上。在直流電機中，換向器將電源的直流電轉換為線圈中的交流電，以獲得方向不變的電磁轉矩。如圖2-9所示，換向器由許多梯形銅片組成，片間用云母片絕緣，外表呈圓柱形。換向片和云母片組成的圓筒兩端用V形云母套筒和V形金屬壓圈壓緊，以使其成為一個整體并保證其絕緣性能，這樣就構成了一個換向器。

（3）電樞繞組　電樞繞組是產生感應電動勢或電磁轉矩，實現能量轉換的主要部件。它由許多繞組元件構成，按一定規則嵌放在鐵芯槽內和換向片相連，使各組線圈的電動勢相加。繞組端部用鍍鋅鋼絲箍住，防止繞組因離心力而發生徑向位移。