直流电机
电机的定义及分类
是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。用于电能的产生、传输与分配。
依据运动方式分类：
发电机：将机械能转换为电能。
电动机：将电能转换为机械能。
变压器：将某一电压等级的电能转换为另一电压等级的电能。
静止电机-----------------变压器
电机 直流电机 ：
旋转电机
交流电机： 异步电机、同步电机
发展情况：
基本系列、派生系列、特种电机、专用电机、节能电机
直流电机由定子和转子两大部分组成：
| 定子 | 转子 |
| 主磁极（励磁绕组 主极铁心） | 电枢绕组 |
| 换向极（绕组和铁心） | 电枢铁心 |
| 机座 | 换向器 |
| 端盖 | 转轴、风扇 |
| 电刷装置 |
一、定子结构
1、主磁极：主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 N，S 极交替出现。
2、机座：机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。 机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。
3、换向极：换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。
4、端盖：端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。
5、电刷装置：电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。
二、转子的结构
1、电枢铁心：电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如左图所示。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。
2、电枢绕组：电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘（右图），并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。
3、换向器：在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成，如图所示。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。
直流电机的额定参数
额定参数是制造厂家对直流电机在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定参数也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定参数通常标在各电器的铭牌上，故又叫铭牌值或名牌数据。
直流电机的主要额定值主要有：
额定功率 PN：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以瓦特 "W" 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 千瓦kW 或 兆瓦MW 表示。
额定电压 UN： 指额定状态下电枢出线端的电压，以伏特 "V" 为量纲单位。
额定电流 IN： 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 安培"A" 为量纲单位。
额定转速 nN： 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。
额定励磁电流 If： 指电机在额定状态时的励磁电流值。
注:
对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN
对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN
直流发电机和直流电动机的工作原理
一、直流发电机
机械能转换为直流电能。
定子（不动部件）上的励磁绕组通过直流电流(称为励磁电流If)时产生恒定磁场（励磁磁场，主磁场）；
原动机带动电枢线圈旋转切割主磁场B,转速n(r/min)；
电枢线圈的导体中将产生感应电势e=Blv；
通过换向器与电刷的作用，可以引出单向（直流）的端电势eAB。
为了得到稳定的直流电势，直流电机的电枢圆周上一般有多个线圈分布在不同的位置，并通过多个换向片联接成电枢绕组。
二、直流电动机
将直流电源通过电刷和换向器接入电枢绕组，使电枢导体有电流流过。
电机内部有磁场存在。
载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用 f=Blia （左手定则）
所有导体产生的电磁力作用于转子，拖动机械负载旋转。
直流电机之特点
1、直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。
2、直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。
3、直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。
4、由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。
直流电机的用途
直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用。用作发电机可以获得直流电源，用作电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。
1、提供电源:发电机
2、提供动力:电动机
3、进行信号的转换、传递:测速发电机,伺服电动机。
做励磁机用：一般小于10万kW即00MW的单机同步发电机要用直流发电机作为励机。
作电源用:直流发电机将机械能转化为直流电能
作动力用:直流电动机将直流电能转化为机械能；
信号传递:直流测速发电机将机械信号转换为电信号；直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。
直流电动机的电枢绕组
电枢绕组是直流电机的电路部分，是实现机电能量转换的枢纽。
电枢绕组的设计，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定多电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。
大致分为两类为环形和鼓形。
环形绕组只曾在原始电机用过，由于容易理解故讲原理时也用此类绕组；
鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。
鼓形绕组有许多个形状相同的线圈组成，每个线圈有两个有效边，分别位于电枢圆周相距一个极距的两个槽中。 一个边在上层时，另一个边一般在下层。每个换向片接两个不同的线圈端头。将所有的电枢线圈按照一定的规律联接起来，就构成电枢绕组。 在实际电机中，电枢绕组有多种形式。
第2章直流电机的基本理论
直流电机的主磁场一般由套在主极铁心上的励磁绕组产生。励磁绕组与电枢回路之间的连接方式有：他励/并励/串励/复励。不同的励磁方式对电机的性能将产生较大的影响。
直流电机空载时的磁场由励磁绕组单独激励，其分布取决于磁路的情况。一般情况下，直流电机的空载磁通密度分布为平顶波（帽形）。
当直流电机负载时，电枢绕组绕组中的电枢电流将产生电枢磁势，电枢磁势对主磁场的分布和主磁通的大小将产生一定的影响，这种影响称为电枢反应。
交轴电枢反应将使主磁场发生畸变，当磁路饱和时会对主磁场产生去磁作用。当电刷偏离几何中性线时，还将产生去磁或者增磁的直轴电枢反应。
发电机和电动机是直流电机的两种运行状态。在两种状态下，电枢绕组中均产生感应电势。感应电势的公式Ea=CeΦn表明感应电势的大小正比于转速及每极磁通。在发电机中Ea>U,在电动机中U>Ea。
同样，直流发电机和电动机中均存在电磁转矩。其公式T=CTΦIa表明电磁转矩的大小正比于电枢电流和每极磁通。在发电机中，电磁转矩是阻力转矩，在电动机中电磁转矩是拖动转矩。
直流电机的电势平衡方程反映了电机电路中各种量之间的关系。功率平衡方程表明了输入功率、输出功率和各种损耗之间的关系。电磁功率PM=TΩ=EaIa显示了机械功率和电磁功率之间的转换关系。
2-1直流电机的励磁方式
一、定义
直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接。
二、分类
除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有他励和自励（串励、并励和复励）。
2-2 空载时直流电机的磁场
一、直流电机的磁通路径
磁路从主磁极1出发经气隙1－电枢齿1－电枢轭－电枢齿2－气隙2－主磁极2－定子轭--主磁极1。
二、空载磁通密度波形
空载时电枢电流为0，气隙磁场是由励磁电流单独决定。
极极面下气隙较小且均匀，磁密较强且均匀。
极面外，气隙迅速增大，磁密也迅速减弱，几何性中线处磁密为0。
空载气隙磁密沿电枢外圆的分布用函数B0（x）表示；分析可知它是平顶波。
2-3 负载时直流电机的磁场――电枢反应
直流电机负载后，电枢绕组有电流通过,并产生电枢磁场。
负载时气隙磁场由主磁场和电枢磁场共同决定
电枢磁场会对主磁场产生一定的影响，这一影响称为电枢反应。
电枢反应会使得每极磁通发生变化，也会使气隙磁场发生畸变，从而影响电机的性能。
一、电枢磁势的分布
电枢磁势的分布与电枢电流的分布有关。
电枢电流的方向由电刷来界定。图中电刷以上电流为流入纸里，电刷以下为流出纸面。
这样的电流分布所产的磁力线如图所示。（右手定则）
可见，电枢磁势的轴线总是与和电刷接触的导体的连线重合。或者说电刷位置决定了电枢磁势的轴线。
当电刷与处于几何中性线上的导体相接触时，电枢磁势的轴线在交轴方向。并把这一磁势称为交轴电枢反应磁势。
设直轴线与电枢外圆的交点为0点，在距0点为x处作一闭合磁力线回路。该闭路包围的电流数即为总磁势Fa。
电枢表面单位长度上的电流数A称为电机的线负荷。
二、电枢磁势单独产生的磁感应强度的分布
该磁密由磁势和气隙共同决定。
极面下气隙基本不变，磁密正比于磁势；
两极之间的区域内，气隙变大，磁密迅速减小。一个周期的磁密波形呈马鞍形。
三、电枢磁场与励磁磁场（主磁场）的合成及电枢反应
主磁场为平顶波，电枢磁场为马鞍形波。
在一个极距内相加时，一半极距内磁密加强，另一半极距内磁密减弱。
如果电机的磁场不饱和，则半个极距内增加的磁通量与另半个极距内减少的磁通量相等。即每极总磁通Φ与空载时一样。
实际上由于饱和，使得每极磁通总体上有所减少。
由图可知，原来的磁场发生了畸变，0点发生了位移。
电枢反应：气隙磁场发生畸变/每极磁通减少。此反应会对电机性能产生不良影响。
四、直轴电枢反应
电枢磁势的轴线总是与和电刷接触的导体的连线相一致。
当电刷与几何中性线上的导体相接触时，电枢磁势的轴线也处于几何中性线上，即与主极轴线正交，称其为交轴电枢磁势。
以上讨论的实际上是交轴电枢反应。
如果将电刷位置逆时针移动β角，则电枢磁势可分为两部分。
2β范围内的磁势为直轴电枢磁势Fad。
(π-2β)角度内的磁势为交轴电枢磁势Faq。
直轴电枢磁势的作用为：
对发电机来说，电刷顺转向偏移时为去磁，逆转向偏移时为增磁；
对电动机来说，电刷顺转向偏移时为增磁，逆转向偏移时为去磁。