图2-1：直流电机的物理模型图

 

图2-1表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分称为定子，上面装设了一对直流励磁（或是永磁铁）的主磁极N和S；旋转部分称为转子，上面装设电枢铁心；定子与转子之间有一气隙。电枢铁心表面上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈（绕组），线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2与换向器接触。整个旋转部分为机电能量转换中枢，故称电枢。电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
 

2.1直流电机工作原理

 

                                     图2-2：直流电机工作原理示意图

 

将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图2-2(a)所示。当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图2-2(b)所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。

由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。简单来说，直流电动机就是利用通电导体在磁场中受力运动而“切割”其磁力线的原理工作的。

 

2.2直流电机的结构

图2-3（a）：直流电动机纵向剖视图                                                                           图2-3(b) ：直流电动机轴向剖视图
 

 （1）定子

①　主磁极

主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上

②　换向极

换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。

③　机座

电机定子的外壳称为机座，机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。

④　电刷装置

电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。
 

（2）转子(电枢)

①　电枢铁心

电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。

②　电枢绕组

电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。

③　换向器

在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以

电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向片的紧固通常部做成鸽尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定，再用4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘

螺母锁紧。

④　转轴

    转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。
 

2.3直流电机的励磁方式

用直流电流来转动的电动机叫直流电动机。按励磁方式的不同，直流电动机又可分为他励电动机和自励电动机，自励电动机又分为串励、并励及复合励电动机。直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。
 

 

                                图2-4：直流电动机的励磁方式
 

（1）他励直流电机

励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图2-4(a)所示。永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。

（2）并励直流电机

励磁绕组与电枢绕组并联。如图2-4(b)所示。励磁电压等于电枢绕组端电压。以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的1%～5%，所以励磁绕组的导线细而匝数多。

（3）串励直流电机                         

励磁绕组与电枢绕组串联，如图2-4(c)所示。励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线粗而匝数较少。

（4）复励直流电机

每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图2-4(d)所示。两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。
 

3、交流电机
 

3.1交流电机的工作原理

在一个可以自由旋转的圆筒内嵌装上磁铁，将别一个磁铁装在轴上，并架在圆筒中间，如图3-1所示。当转动圆筒时，由于磁铁互相吸引，装在轴上的磁铁随之转动。转动速度与圆筒相同，这就是最简单的同步电机模型，如初始转动过快，转子不会旋转，称为失步。

如果把装在轴上的磁铁换成一个闭合的线圈，如图3-2所示。当转动圆筒时，线圈切割磁力线，产生感应电动势。由于线圈闭合，有电流通过，载流导体在磁场中要受到力的作用。使线圈转动起来，转速低于圆筒转速，这就是最简单的感应电机模型。线圈转速永远不等于圆筒转速，否则线圈不切割磁力线，不会产生感应电动势、电流和转矩，线圈也不会转动了，因此也称为异步电机。

 

转动圆筒时，使磁铁周围空间的磁场旋转，旋转的磁场称为旋转磁场，正是由于旋转磁场的存在，使同步电机和感应电机转动起来。

人工转动磁铁产生旋转磁场的方法实用价值不大。因此人们在固定的铁心上装有三相对称绕组，通以对称的正弦交流电来代替转动磁铁，自动地产生旋转磁场。铁心和绕组统称为定子，旋转部分称为转子。对于同步电机，转子如果采用永久磁铁，称为永磁电机。永磁电机的容量有限，因此人们用直流励磁产生一个恒定磁场，如图3-3所示。当用原动机拖动转子旋转时，定子绕组中将感生电动势。对于感应电机转子往往采用多相绕组，如图3-4所示。