导语：一文读懂直流电动机的原理及结构

直流电动机具有调速范围宽广，调速特性平滑，过载能力较强，启动和制动转矩较大的特点。为什么？

首先我们需要知道直流电动机是如何工作的？

根据电磁力定律：载流导体在磁场中会受到电磁力作用，电磁力的方向是由左手定则判定，即磁力线垂直穿过掌心，四指方向指向电流方向（或正电荷运动方向），大拇指的指向即为电磁力方向。

我们的目的是让直流电动机的转子转起来，而恒定磁场中的一根导体无法实现，于是我们在磁场中再加一根导体，且流过一个相反的电流，这样就得到了我们想要的转矩。

在外加直流电源的情况下，由两根导体构成的线圈是否可以一直旋转？

根据通电螺线管中的安培定则：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

通电的一匝线圈可以看成一个平面磁体，当线圈受电磁力运动到如图二所在位置时，转矩为零，根据电磁铁同性相斥，异性相吸，此时线圈将不会再转动。如果想要线圈持续转动，就必须在此时切换电线。为了方便切换，直流电动机在电枢上增加换向器，如图一所示，换向器和电枢绕组焊接在一起并随电枢一起旋转，换向片之间彼此绝缘，并利用碳刷和外部直流电源构成回路。达到换向的目的，从而实现了电机转子的连续转动。

当一匝线圈运动到垂直磁导线时，这时转矩为零，如果使用这种直流电机，电机运动会很不平稳，该如何解决？

解决这个问题的办法就是增加线圈和换向器数量。当一匝线圈运动到垂直磁导线的位置之前，碳刷从原线圈的换向器脱离，接触到另一个线圈的换向器，新的线圈构成电流回路，形成转矩。因此，线圈和换向器数量越多，电机转动越平稳。

了解了直流电机转动的原理，接下里来我们看看实际的电机结构是什么样的？它们各自又起到什么作用？

实际电机主要由主磁极、机座、电枢铁心、电枢绕组、换向器和碳刷组成。

主磁极：产生气隙磁场，其结构为主极铁心外套励磁绕组（集中绕组），由于电机中磁极的N极和S极只能成对出现，故主极的极数一定是偶数，并且要以交替极性方式沿机座内圆均匀排列，极性相反的相邻两磁极称为一对极。

机座：除了支撑固定的作用外，主体还是极间磁通路径的一部分。

换向器和电刷：简单的说就是用来切换电线的。

电枢铁心：用来构成磁通路径并嵌放电枢绕组的。为了减少涡流损耗，电枢铁心一般用厚0.35mm～0.5mm 的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。

电枢绕组：通过电流并产生电磁力或电磁转矩，使电机能够实现机电能量转换的核心构件。电枢绕组由多个用绝缘导线绕制的线圈连接而成。各线圈以一定规律与换向器焊连。导体与导体之间，线圈与线圈之间以及线圈与铁心之间都要求可靠绝缘；电枢绕组结构较励磁绕组复杂许多，接下来我们重点分析。

为什么直流电机电枢绕组必须形成闭合回路？为什么直流电机要做成双层绕组？直流电机的碳刷该如何布置？解决这些疑问自然要了解电枢绕组绕制的方法。

前面我们初步了解了直流电机的组成结构，直流电机电枢绕组不是由固定点与外电路连接的，而是由换向器加碳刷结构与外部电源相连的，因此在电机旋转过程中各支路元件在不停变化。为了使各支路电势、电流稳定不变，绕组必须是闭合的。结合直流电机转动条件，电枢绕阻的绕制必须符合这些要求。

首先想到的一种比较简单的绕制方式便是将电枢绕组直接缠绕在电枢铁芯上，如图四所示，称为环形电枢绕组。环形电枢绕组虽然符合让电机转起来的条件，但是缺点也很明显。由于电枢铁芯的磁阻要远小于转轴和空气的磁阻，因此磁力线几乎都从电枢铁心中流过，位于电枢铁芯内部的那部分导体仅仅只起到连接作用，不会产生电磁转矩，导体利用率低。且电枢铁芯要和转轴连接，因此内部的这部分导体也不易放置。

既然导体放置在电枢铁芯的内部不行，那我们将它拿出来放在电枢铁芯表面嘞？

我们发现这种绕制形式克服了环形绕组的缺点，称之为鼓形绕组。实际电机都采用鼓形绕组。

鼓形绕组按电枢线圈分布及连接方式又分为叠绕组、波绕组和蛙绕组。在分析这些绕组之前先来看看有关的一些概念。

元件数S、元件边和端部：实际的绕组被做成一个个线圈，称为元件。每一个元件有两个放在槽中切割磁力线的有效边称为元件边，而槽外起连接作用引线称为端部。

实槽Z和虚槽：为改善电机性能，往往采用较多元件组成电枢绕组。本应该将每个元件分别放在不同槽中，但由于工艺原因，电枢铁心不能开槽太多，于是在一个槽中放置多个元件边。实槽就是电枢铁心上实际开槽数，虚槽是为了分析方便而引入的概念。由于每个元件总有两个元件边，一个换向片上总接有两个元件边，故元件数=虚槽数=换向片数。图六中实槽数都为一，虚槽数分别是一、二、三。

第一节距y1：每个元件两个元件边在电枢表面的跨距，用虚槽数表示。y1必须是整数。

是什么？为什么第一节距这样计算？

公式中的P为极对数，2P就是主磁极的极数，为虚槽数。就是每极磁场在电枢表面所占槽数。通常，y1=称为整距；相应的，y1＞为长距；y1＜为短距。

之所以要求第一节距要尽量接近极距，是为了在任意时刻元件的上下元件边或同处于相反磁极下或同处于极间。至于为什么？在后面碳刷的放置中会提到。

第二节距y2：与同一元件中第一个元件下元件边到第二元件上元件边在电枢表面的跨距。

换向器节距yK：与每个元件相联的两片换向片在换向器表面的跨距，用换向片数表示。跨距等于1为单叠，跨距等于2为双叠。规定 yK＞0 为右行绕组。yK＜0 为左行绕组。

有了上面的概念做铺垫，我们现在尝试分析一个叠绕组，加深对电枢绕组的认识。

一、已知电机极数2p=4，且Z= Zi =S=K=16，试绕制一单叠右行整距绕组。

1、节距计算。

单叠右行：yK=1

第一节距：==4

第二节距：y2=y –y1=1– 4=–3

2、绕组连接表。

规定元件编号与槽编号相同，例如1号元件的上元件边就在1槽。上元件边直接用槽编号表示，下元件边用所在槽编号加撇以示区别。上元件边与下元件边之间用实线连接，两元件通过换向器串联用虚线表示。

3、绕组展开图。

根据绕组连接表将线圈放置到对应的槽中，然后将上元件边连接到对应编号的换向器上，由于是单叠右行绕组，下元件连接到靠右相邻的换向器上。

4、电刷放置。

为了使电机能够旋转起来，相邻的一对磁极下电枢绕组流过电流的方向必须相反。因此电刷的数量必须等于磁极数量。

电刷的位置又该如何放置？

电刷放置的一般原则是确保产生的电枢转矩最大，或者说，被电刷短路的元件正好处在一对极的中间。由于电刷的存在，任意时刻电路中总有和电刷数量相等的元件被电刷短接。正是由于这个原因，直流电动机第一节距要尽量接近极距。这样被电刷短接的元件总是那些处在极间没有磁场区域的元件。如下图的1、5、9、13这四个元件。

对单叠绕组，并联支路数a和主极数p的关系就是：a=p。

单叠绕组是把一个主极下的元件串联成一条支路，以保证串联元件中流过的电流同方向。

当然也可以设想把电枢上所有处于相同极性下的元件都串联起来构成一条支路，这就是单波绕组的特点。

单波绕组的并联支路数与主极数无关，只有两条并联支路，a=2。由于波绕组并联之路数少，电枢通过电流较小，一般用在小容量低转速或高电压的电机上。叠绕组主要用在中等容量，中等电压和转速的电机上。复式绕组用在大容量电机上。

后面会对直流电动机的一些基本理论和特性进行分析。

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