2.2 直流電動機的工作原理

直流電動機是依據載流導體在磁場中受力而旋轉的原理制造的。通常將磁場固定不動（該磁場可以由永久磁鐵產生，也可以由帶鐵芯的通電線圈產生），而導體做成可以在磁場內繞中心軸旋轉，為了能把直流電源引入到旋轉的線圈中去，采用了電刷與換向器的結構。直流電動機的工作原理圖如圖2.12所示，線圈的ab邊和cd邊分別與兩個互相絕緣的半圓形銅環（圖中用白色和黑色表示）相連，而電刷A和B用彈簧壓在銅環上。下面以該圖為例說明直流電動機的工作原理。

1.工作原理分析

（1）當轉子矩形線圈abcd初始處于如圖2.12（a）所示的位置時，電刷B接正極，電刷A接負極，此時的電流流向為電源正端+→電刷B→白色換向片→a→b→c→d→黑色換向片→電刷A→電源負端-。根據左手定則可知：在磁場作用下，N極性下導體cd受力方向向上，S極性下導體ab受力方向向下，該電磁力形成順時針方向的電磁轉矩。當電磁轉矩大于阻力轉矩時，電動機線圈做順時針方向旋轉。

（2）當轉子矩形線圈abcd轉動90°，線圈處于如圖2.12（b）所示位置時，電刷不與換向片接觸，而與換向片間的絕緣片接觸，此時線圈中沒有電流通過，故電磁轉矩為零。由于慣性的作用，電樞仍能轉過一個角度。

（3）當轉子矩形線圈abcd轉動180°，線圈處于如圖2.12（c）所示位置時，電刷B接正極，電刷A接負極，此時的電流流向為電源正端+→電刷B→黑色換向片→d→c→b→a→白色換向片→電刷A→電源負端-。原N極性下導體cd轉到S極性下，受力方向向下，原S極性下導體ab轉到N極性下，受力方向向上。該電磁力仍形成順時針方向的電磁轉矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉矩作用下繼續做順時針方向旋轉。

由此可以歸納出直流電動機的工作原理：在直流電動機中，電刷兩端雖然加的是直流電，但在電刷和換向器的作用下，線圈內部卻變成了交流電，從而產生了單方向的電磁轉矩，驅動電動機持續旋轉。雖然導體中流通的電流為交變的，但N極性下的導體受力方向與S極性下導體的受力方向并未發生變化，電動機在此方向不變的轉矩作用下轉動。整體的直流電動機工作原理示意圖如圖2.13所示。

由此可見，當線圈在水平位置時，轉動力最大，當線圈在垂直位置時，轉動力最小。單線圈電樞在一個周期內的轉矩曲線如圖2.14所示，單線圈電樞組成的電動機的實用價值很小，雙線圈電樞在一個周期內的轉矩曲線如圖2.15所示，雖然該轉矩仍是脈動的，但在最大值與最小值之間的波動已明顯削弱。如果每個磁極下線圈數和換向片數相應增加，則可使轉子上得到幾乎不變的轉矩。

直流電動機的典型電樞如圖2.16所示，該電樞由許多粗導線線圈及換向片組成。

2.直流電動機的可逆性

根據物理學知識，若用外力使圖2.12中的矩形線圈abcd繞軸旋轉，則線圈abcd將切割磁力線而產生感應電動勢，通過電刷A、B向外電路提供直流電能，這就是直流發電機的工作原理。

一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行，也可以作為發電機運行，這種原理在電機理論中稱為可逆原理。如用外部直流電源，經電刷換向器裝置將直流電流引向電樞繞組，則此電流與主磁極N、S產生的磁場互相作用，產生轉矩，驅動轉子與連接于其上的機械負載工作，此時電機作為直流電動機運行。當原動機驅動電樞繞組在主磁極N、S之間旋轉時，電樞繞組上感生出電動勢，經電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負載（或電網），對外供電，此時電機作為直流發電機運行。