直流电机的原理和工作机制

直流电机是指将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。

1.直流发电机的工作原理

直流发电机主要由主磁极、电刷、电枢绕组和换向器等部件构成，其工作原理如图2-1所示，定子上有两个磁极N和S，它们建立恒定磁场，两磁极中间是装在转子上的电枢绕组。绕组元件abcd的两端a和d分别与两片相互绝缘的半圆形铜片（换向器）相接，通过电刷A、B与外电路相连。

图2-1　直流发电机的工作原理

当原动机带着电枢逆时针方向旋转时，线圈两个有效边ab和cd将切割磁场磁力线产生感应电动势，方向由右手定则确定，如图2-1（a）所示，在S极下由d→c，在N极下由b→a，电刷A为正极，电刷B为负极。负载电流的方向为由A→B。

当线圈转过90°时，如图2-1（b）所示，两个线圈的有效边位于磁场物理中性面上，导体的运动方向与磁力线平行，不切割磁力线，因此感应电动势为零。虽然两电刷同时与两铜片相接，把线圈短路，但线圈中无电动势和电流。

当线圈转过180°时，如图2-1（c）所示，此时线圈边中的电动势方向改变了，在S极下由a→b，在N极下由c→d。由于此时电刷A和电刷B所接触的铜片已经互换，因此电刷A仍为正极，电刷B仍为负极，输出电流I的方向不变。

当线圈转过270°时，如图2-1（d）所示，感应电动势为零，线圈中也无电动势和电流，只不过线圈的位置变化了180°。

线圈每转过一对磁极，其两个有效边中的电动势方向就改变一次，但是两电刷之间的电动势方向是不变的，电动势大小在零和最大值之间变化。显然，电动势方向虽然不变，但电压值波动很大，这样的电动势是没有实用价值的。为减小电动势的波动程度，一般在电枢圆周表面装有较多数量互相串联的线圈和相应的铜片数。这样，换向后合成电动势的波动程度就会显著减小。由于实际发电机的线圈数较多，所以电动势波动很小，可认为是大小恒定不变的直流电动势。

由以上分析可得出直流发电机的工作原理为：当原动机带动直流发电机电枢旋转时，在电枢绕组中产生方向交变的感应电动势，通过电刷和换向器的作用，在电刷两端输出方向不变的直流电动势。

2.直流电动机的工作原理(www.xing528.com)

直流电动机在机械构造上与直流发电机完全相同，图2-2为直流电动机的工作原理图。电枢不用外力驱动，把电刷A、B接到直流电源上，假定电流从电刷A流入线圈，沿a→b→c→d方向，从电刷B流出。载流线圈在磁场中将受到电磁力的作用，其方向按左手定则确定，ab边受到向上的力，cd边受到向下的力，形成电磁转矩，结果使电枢逆时针方向转动，如图2-2（a）所示。当电枢转过90°时，如图2-2（b）所示，在这一瞬间，线圈中既无电流也无力矩作用，但在惯性的作用下继续旋转。

当电枢转过180°时，如图2-2（c）所示，电流仍然从电刷A流入线圈，沿d→c→b→a方向，从电刷B流出。与图2-2（a）比较，通过线圈的电流方向改变了，但两个线圈边受电磁力的方向却没有改变，即电动机只朝一个方向旋转。若要改变其转向，必须改变电源的极性，使电流从电刷B流入，从电刷A流出才行。

图2-2　直流电动机工作原理图

由以上分析可得直流电动机的工作原理为：当直流电动机接入直流电源时，借助于电刷和换向器的作用，使直流电动机电枢绕组中流过方向交变的电流，从而使电枢产生恒定方向的电磁转矩，保证了直流电动机朝一定的方向连续旋转。

3.直流电机的可逆原理

比较直流电动机与直流发电机的结构和工作原理，可以发现：一台直流电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其输入输出的条件不同而已。

如果在电刷两端加上直流电源，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，驱动生产机械工作，这时直流电机将电能转换为机械能，工作在电动机状态。

如果用原动机驱动直流电机的电枢旋转，从电机轴上输入机械能，则从电刷两端可以引出直流电动势，输出直流电能，这时直流电机将机械能转换为直流电能，工作在发电机状态。

同一台电机，既能作为发电机运行，又能作为电动机运行的原理，称为电机的可逆原理。一台电机的实际工作状态取决于外界的不同条件。实际的直流电动机和直流发电机在设计时考虑了工作特点的一些差别，因此有所不同。例如，直流发电机的额定电压略高于直流电动机，以补偿线路的电压降，便于两者配合使用；直流发电机的额定转速略低于直流电动机，便于选配原动机。