一、直流电机的基本结构
直流电机主要由定子和转子两大部分组成。定子是静止部分，转子是旋转部分。
结构特点：电刷和磁极固定不动，换向器和电枢同轴旋转
1. 定子部分（静止部分）
定子的主要作用是建立主磁场。
主磁极 (Main Poles)
- 作用：建立电机的主磁场。
- 电励磁：
- 主极铁芯：可以由低碳钢冲片叠成，也可以使用整块钢
- 励磁绕组：多极串联，N、S极交替布置
- 永磁：
- 永磁磁极沿着定子圆周N、S极交替布置
换向极 (Interpoles / Commutating Poles)
- 作用：安装在两个主磁极之间，用于改善换向。也称为附加极、间极。
机座 (Frame / Yoke)
- 作用：
- 作为主磁路的导磁部分（磁轭）。
- 起机械支撑和固定作用，保护整个电机。
电刷装置 (Brush Gear)
- 作用：将静止的外电路与旋转的电枢电路连接起来，实现电流的引入或引出。
2. 转子部分（旋转部分）
转子也称电枢，是实现机电能量转换的枢纽。
电枢铁心 (Armature Core)
- 作用：主磁路的一部分，用于嵌放电枢绕组。
- 结构：为减小涡流损耗，通常由0.35-0.5mm厚的硅钢片叠压而成。
- 这里不可以用整块钢，因为转子相对于定子旋转，磁场相当于是交变的
电枢绕组 (Armature Winding)
- 作用：产生感应电动势和电磁转矩的关键部件。
- 结构：由若干线圈按一定规律连接而成，嵌放在电枢铁心槽内。
- 换向片（和电刷直接接触的部分）与线圈端部连在一起
- 换向片之间相互绝缘
换向器 (Commutator)
- 作用：与电刷配合，实现机械整流（发电机）或机械逆变（电动机）
- 结构：由许多相互绝缘的梯形铜片（换向片）围成的圆筒。电枢绕组的线圈末端连接在换向片上。
3. 气隙
定子和转子之间的很窄的空气，是机电能量转换的主要媒介
二、直流电机的基本工作原理
1. 交流发电机模型
将直流发电机换向器的部分拿掉，就得到了交流发电机
基本结构
在磁场中放置一个单匝线圈，两端连接到两个相互绝缘的滑环上，通过电刷引出电流。
工作过程
当原动机拖动线圈在磁场中旋转时，线圈的两个边（ab和cd）切割磁感线，产生交变的感应电动势。
输出特性
由于线圈中的电动势是交变的，通过滑环和电刷引出的输出电压也是交流的。
2. 直流发电机原理 —— 机械整流
结构改造
将交流发电机模型中的滑环替换为换向器。
核心作用
换向器与电刷配合，起到了机械整流的作用。
工作过程
- 线圈在磁场中旋转，其内部产生的感应电动势本质上仍然是交流的。
- 当线圈转到平衡位置（垂直位置），感应电动势将要反向的瞬间，与线圈相连的换向片也随之转过电刷。
- 这使得一个电刷始终接触正电动势的换向片，而另一个电刷始终接触负电动势的换向片。
输出特性
最终从电刷两端引出的电动势，其方向不再改变，成为脉动的直流电动势。这是将机械能转换成电能的过程。
这是单个线圈的电动势波形。当直流电机有很多个线圈时，它们产生的电动势叠加就会产生纹波很少的直流电动势
3. 直流电动机原理 —— 机械逆变
工作方式
由外部直流电源通过电刷、换向器向电枢线圈供电。
核心作用
换向器与电刷配合，起到了机械逆变的作用。
工作过程
- 通电线圈在磁场中会受到电磁力（安培力）的作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转。
- 当线圈转过平衡位置（磁中性线）后，磁场的方向改变，为了保持转矩方向不变，必须改变线圈中的电流方向。
- 换向器此时自动地将流入该线圈的电流方向反向。
输出特性
保证了电枢上所有极下的导体受力方向（转矩方向）始终不变，从而使电动机能朝一个方向连续旋转。这是将电能转换成机械能的过程。
4. 机电能量转换及可逆性原理
4.1. 直流发电机 (DC Generator)
- 能量流向：输入机械功率 输出电功率
- 工作过程：原动机输入机械功率，驱动电枢旋转，克服与转动方向相反的电磁转矩（制动转矩），电枢线圈因切割磁感线而产生感应电动势，向外电路输出电功率。
数学推导：发电机的机电功率等价
- 设每边导体所受电磁力：
- 设线速度：。则电枢导体的感应电动势：，一对并行有效边合计为
- 电枢电压电流输出电功率：
- 由能量守恒，原动机克服电磁制动转矩输入的机械功率应等于电功率：
- 将转矩按力与力臂表示：每边电磁力 作用在半径 处，且有两边导体，得
- 又有角速度与线速度关系：，因此
- 亦可用转速 表示角速度：。
4.2. 直流电动机 (DC Motor)
- 能量流向：输入电功率 输出机械功率
- 工作过程：电源输入电功率，克服旋转导体在磁场中产生的反电动势，在电枢导体上产生电磁转矩，驱动电枢旋转，向外输出机械功率。
数学推导：电动机的机电功率等价
- 反电动势：
- 电源对电枢做功的电功率：
- 每边导体受力 ，作用半径 ，两边导体合成转矩：
- 角速度与线速度：，因此电枢输出的机械功率：
- 亦可写作 。
可逆性原理
- 基本原理："机电能量转换具有可逆性"是旋转电机的普遍原理。同一台直流电机，既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。
- 耦合关系：在机电能量转换的过程中，感应电势() 和电磁转矩() 总是同时存在，是一对"机电耦合项"。
- 有能量转换，必然同时存在 和 。
- 是能量转换在电路方面的体现。
- 是能量转换在机械方面的体现。
- 电磁功率公式：机电能量转换的功率（也称电磁功率）的统一表达式为：
三、直流电机的额定值（铭牌数据）
1. 额定状态与额定值
- 额定状态：电机制造厂按固定标准，根据电机设计与试验数据规定的、能保证电机正常运行的状态与条件。在该状态下，各物理量符合同一组额定值，运行可靠、性能优良。
- 额定值：表征额定状态的各项数值，如：电压 ，电流 ，功率 ，转速 等，统称铭牌数据。
2. 型号示例与含义（铭牌识读）
- 示例：
- ：直流电机
- ：第四次设计系列
- ：机座中心高
- ：极对数
- 1：铁芯长度代号
3. 额定容量（额定功率）定义
- 定义：电机在额定状态下的输出功率，单位 。
- 发电机（作为电源）：端电压与端电流的输出功率
- 电动机（作为负载）：轴上输出的机械功率。若以电源侧参数表示，有效率 ：
- 轻载 ，满载 ，过载 （短时允许、需满足温升与保护要求）。
4. 常见铭牌参数说明
- 额定电压 ：额定运行时电机出线端的电压；
- 额定电流 ：额定运行时电机出线端的电流；
- 额定转速 ：额定运行时的转速；
- 励磁方式：并励、串励、复励、他励等；
- 额定励磁电压 ：额定运行时的励磁电压；
- 额定励磁电流 ：额定运行时的励磁电流。
