直流電機(jī)在各行各業(yè)產(chǎn)品上非常多，一般直流電機(jī)由定子，轉(zhuǎn)子和一個(gè)控制電路組成。直流電機(jī)是常見是電機(jī)，通入電流為直流電，所以直流電機(jī)只需要直流電機(jī)，可以電池直接驅(qū)動(dòng)，所以微型的直流電機(jī)在電動(dòng)玩具、個(gè)人護(hù)理、電子鎖等產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用。

  在直流電機(jī)應(yīng)用中，有無刷電機(jī)與有刷電機(jī)之分，直流電機(jī)的定子上一般是勵(lì)磁極，用剛鑄成極芯，極芯會(huì)纏繞上通入恒流直流電的勵(lì)磁繞組。一個(gè)極一段突出的U型環(huán)面叫做極靴，它是用來增大磁通面積，減小主磁場以外的漏磁，在極靴和轉(zhuǎn)子之間有一個(gè)很窄的縫隙，叫做氣隙，它一般在0.3mm-10mm左右。定子剩下的部分稱為機(jī)座軛，它可以用來傳導(dǎo)勵(lì)磁磁場，使磁路主要留在電機(jī)內(nèi)部。

  直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子上一般會(huì)纏繞很多線圈并通電，所以往往又叫做電樞，電樞的線圈繞組即電樞繞組，電樞中心是用很多涂層過的硅鋼片疊在一起，這樣就可以避免在勵(lì)磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的較大渦流。硅鋼片上有很多繞線用的槽，當(dāng)硅鋼片疊成一個(gè)完整疊片鐵芯，就可以把電樞線圈均勻繞在上面了。所有電機(jī)的線圈繞組上的導(dǎo)線一般都是銅線，且做過表面絕緣處理，防止相互短路。

  電樞通過兩端的軸承固定在定子底座上，它的一端連接著轉(zhuǎn)軸，用以輸出轉(zhuǎn)矩，另一側(cè)則會(huì)連著換向器。它由兩部分組成，電刷以及導(dǎo)電環(huán)。定子上的導(dǎo)電刷(比如碳刷)被彈簧壓在轉(zhuǎn)子上所有接出線圈導(dǎo)線端的導(dǎo)電環(huán)，兩部分是完全獨(dú)立分離的，僅在旋轉(zhuǎn)時(shí)相互摩擦接觸，用以構(gòu)成回路，給電樞通電。體積較大，功率也很大的直流電機(jī)上會(huì)裝上風(fēng)扇，一般也是從定子回路中直接引線出來供電。

  直流電機(jī)電樞轉(zhuǎn)子

  剛開始電樞不通電，定子勵(lì)磁繞組通勵(lì)磁電流 以后就會(huì)在電機(jī)內(nèi)部形成一條從勵(lì)磁極到軛，到另一極，再到氣隙，到電樞，再通過氣隙返回的磁路。

  直流電機(jī)的運(yùn)行原理

  直流電機(jī)的基本運(yùn)行原理可以理解為日常生活中的磁鐵的同性相斥，異性相吸。一段線圈繞組通電后自然在鐵芯上產(chǎn)生一個(gè)磁極，這個(gè)磁極和外部磁場作用，就有了吸引力和排斥力，所以除了電樞繞組產(chǎn)生的等效電磁鐵還必須要在外部有一個(gè)恒定磁場。這個(gè)恒定磁場一般都由定子的勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生磁場來提供。也就是定子勵(lì)磁產(chǎn)生的電磁鐵和轉(zhuǎn)子通電產(chǎn)生的電磁鐵相互作用，施加作用力，推動(dòng)轉(zhuǎn)子不停運(yùn)動(dòng)。如果用永磁體，也可以達(dá)到同樣的勵(lì)磁效果，所以原理上勵(lì)磁繞組可以用永磁體等效替代。

  關(guān)于直流電機(jī)勵(lì)磁磁場的假設(shè)

  為了使復(fù)雜的磁場變化過程的問題簡單一些，可以做出一些合理的假設(shè)：鐵芯磁導(dǎo)率  ,也就是說，勵(lì)磁在電機(jī)鋼鐵部分是可以忽略不計(jì)的， 氣隙δ? 在極靴下保持大小不變在氣隙處的漏磁是可以忽略的(包括槽漏磁和端漏磁)在上述假設(shè)下，磁通只在一個(gè)確定的磁路里運(yùn)行，磁場線只會(huì)從極靴和氣隙垂直方向進(jìn)出。氣隙里則是由一個(gè)磁通密度恒定，完全的中心輻散場主導(dǎo)。并且在極靴沒覆蓋到的地方，極缺口是可以認(rèn)為無場的。

  先不考慮換向器，計(jì)算一條磁場線上的磁動(dòng)勢，此時(shí)由于上述假設(shè)，有效磁路只包含兩段氣隙長度

  上圖為在整個(gè)截面上分布的氣隙磁通密度的大小和不同位置角度的關(guān)系。是極寬， 是劃分一段極的距離，即極距。在給定了各種假設(shè)的理想情況是紅色虛線，實(shí)際情況黑色實(shí)線，可見除了邊緣處，基本符合，可見這個(gè)假設(shè)是很合理的。

  轉(zhuǎn)子圓周表面加一根電樞線圈上的一段通電導(dǎo)體，電流大小為，這段被考察的電樞導(dǎo)體和起始線夾角為a，因?yàn)閷?dǎo)體總在氣隙中和磁通密度垂直，那么在這個(gè)在電樞半徑為r的導(dǎo)體上應(yīng)當(dāng)受到安培力和轉(zhuǎn)矩M(a)

  在其他參數(shù)恒定情況下，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩現(xiàn)在跟角度位置有關(guān)，顯然，轉(zhuǎn)矩和角度的關(guān)系與磁通密度和角度的關(guān)系只是倍數(shù)關(guān)系，從而可知，在的地方轉(zhuǎn)矩為正;的地方(極缺口)，亦為零； 的地方，轉(zhuǎn)矩也為負(fù)。如此電樞在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)周期逆轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，無法持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。

  引入換向器的妙處

  當(dāng)電樞在電機(jī)中是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，其角速度為ω，電樞轉(zhuǎn)子最大半徑上的線速度為U 

  因?yàn)樗趧?lì)磁磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)切割磁感線，所以電樞導(dǎo)體上會(huì)感應(yīng)出電壓ui,L

  可見，如果勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的話，電樞導(dǎo)體上感應(yīng)出的電壓和也是關(guān)于角度a同樣形狀的。但是為了讓直流電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)持續(xù)穩(wěn)定工作，應(yīng)該在電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)讓轉(zhuǎn)矩始終為正。

  一種可行的思路，就是讓 始終保持同樣的正負(fù)號(hào)，實(shí)現(xiàn)方法即，讓電樞換極，即電流換向。換極可以通過換向器，在極缺口處執(zhí)行，此處的感應(yīng)電壓ui,L=0，這樣電壓電流不需要突變。最簡單的實(shí)現(xiàn)方式可以僅憑兩個(gè)滑環(huán)和電刷構(gòu)成一個(gè)換向器。

  通過換極以后，在電樞導(dǎo)體上的感應(yīng)電壓也發(fā)生了相應(yīng)變化，可見 ui,L≥0 。

  通過換極，轉(zhuǎn)矩雖然恒不為負(fù)了，但是在極缺口還會(huì)出現(xiàn)很大的空缺，也就是說，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了很大的脈動(dòng)和突變沖擊。想要獲得更加連續(xù)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，需要多根電樞上的線圈導(dǎo)體串聯(lián)且均勻分布在電樞圓周上。

  三組線圈均勻分布，兩兩之間在空間上相差120°，所以分別獨(dú)立貢獻(xiàn)的轉(zhuǎn)矩之和就會(huì)形成連續(xù)恒正的轉(zhuǎn)矩漣波，可以想象，如果線圈和換向器越多，波動(dòng)的峰谷差值就越小，而且更多錯(cuò)位布置的導(dǎo)體線圈就會(huì)讓電樞有更高的利用率。

  當(dāng)然，在實(shí)際使用中，并不會(huì)放很多個(gè)相互無關(guān)的換向器，而是會(huì)把它們做成一束，有很多片。每個(gè)換向片會(huì)正好和兩個(gè)線圈端相接觸，以便于讓線圈首尾串聯(lián)。

  如圖線圈的導(dǎo)線端都被做成了一束，分在四個(gè)端上，黑色的電刷通入電樞電流，從換向片1經(jīng)由標(biāo)紅導(dǎo)線流通，在換向片3由另一個(gè)換向片流出。標(biāo)黑的導(dǎo)線表示沒有接通電流，但還被串聯(lián)在一起。這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于，兩電刷刷到換向片才會(huì)被通電，其他的換向片都是斷路的。而如果一個(gè)線圈上使用多匝數(shù)而不只是一匝，那么就可以獲得更大的轉(zhuǎn)矩和更高的感應(yīng)電壓。

  多極對數(shù)

  極對極數(shù)描述了一個(gè)電機(jī)的定子或者轉(zhuǎn)子上總共有多少對極對(N,S)。直流電機(jī)的勵(lì)磁極在定子上，如果極對極數(shù)為P，那么總極數(shù)為2P，那么極距就可以計(jì)

  D為電機(jī)定子直徑。如果引入p對極，那么轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)一圈，定子上的極對就要變化P次。多對極的電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，這樣它的鐵芯磁路就更短了，它的繞組頭也更短了，設(shè)計(jì)的機(jī)座軛的橫截面就可以更小，因?yàn)槊繕O上的磁通更小了。缺點(diǎn)則是兩極之間距離更短，就會(huì)帶來更大的漏磁，這樣在高頻的電樞轉(zhuǎn)動(dòng)下(f=p·n)會(huì)有更大的能量損耗在鐵芯上，即所謂的鐵損。

  繞組繞線方式

  為了滿足制造直流電動(dòng)機(jī)的商業(yè)需求，需要盡可能均勻同形的轉(zhuǎn)矩和電磁力，盡可能提高電動(dòng)機(jī)利用效能，同時(shí)也要滿足簡易經(jīng)濟(jì)制造的需求。那么繞組繞線需要多匝線圈，電樞幾何形狀也要優(yōu)化，換向器繞組就會(huì)專門使用一種鼓形繞線法。

  線圈邊會(huì)均勻在電樞外沿圓周上放入槽中，并且離氣隙很近。每個(gè)線圈的線圈邊會(huì)相互相隔差不多一個(gè)極距。

  線圈邊會(huì)在在電樞鐵芯外通過繞組頭相連，另一端的線圈邊會(huì)通過彎鉤狀的端連接鉤連接上換向片

  每層總是會(huì)把線圈終端導(dǎo)向另一個(gè)線圈的開端

繞線槽和繞線技術(shù)

使用了槽，會(huì)有以下特點(diǎn)：

用槽來堆放繞組的話，氣隙寬度的選擇可與繞組尺寸無關(guān)；

槽可以機(jī)械固定繞組；

在很高轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用槽封楔，防止繞組脫落；

轉(zhuǎn)矩生成的力，總作用在槽齒上并且相比在導(dǎo)體上的總是更小，這就是接觸面力；

常用的槽有開槽和半閉槽。使用開槽，可以讓線圈先在電樞外繞起來，然后作為一個(gè)整件裝入；使用半開槽，線圈必須直接在電樞上繞起來，不過半開槽可以帶來更高的磁導(dǎo)能力，同時(shí)也會(huì)強(qiáng)化漏磁。

線圈繞組必須絕緣處理，繞組上的導(dǎo)線和導(dǎo)體棒必須相互絕緣，對其他線圈邊絕緣，對槽壁也要絕緣。這樣就要做好幾層保護(hù)。絕緣保護(hù)也可以防水，防污。一般絕緣處理可以使用浸漬法或者用絕緣的樹脂浸潤。

令線圈邊數(shù)為S，那么線圈數(shù)應(yīng)該等于換向片數(shù)K，而槽數(shù)Q應(yīng)該小于線圈邊數(shù)，槽內(nèi)每層線圈邊數(shù)u ，每一個(gè)線圈的匝數(shù) ,電樞上總的導(dǎo)體數(shù)z，每個(gè)槽的導(dǎo)體數(shù)zQ，那么有

那么下面用一個(gè)極對極數(shù) P=1 ，槽數(shù)Q=16，線圈匝數(shù)的雙層繞組舉例。

線圈數(shù)/換向片數(shù) K=Q·u=16×3=48

每槽導(dǎo)體數(shù) 

總導(dǎo)體數(shù) 

繞組簡圖

繞線的目的是為了讓一組通電繞組在圓周上能夠成功經(jīng)過一對磁極，這樣才可以產(chǎn)生力和轉(zhuǎn)矩。對于多極對極數(shù)的直流電機(jī)來說，有不同的方式來實(shí)現(xiàn)換向片和線圈的閉合回路接線。

疊繞繞組法是一種并聯(lián)繞線法，兩側(cè)線圈邊每每接在一個(gè)極寬內(nèi)直接相鄰的換向片上，這意味著每個(gè)線圈都每每在輸出極上終止。下圖紅色實(shí)線虛線圍成的環(huán)就是一個(gè)線圈，它會(huì)與另一個(gè)線圈在換向片上并聯(lián)，這樣電流就可以通過換向片進(jìn)入另一個(gè)線圈。下圖左邊的是線圈邊不交叉的方式，右邊的是線圈邊交叉的方式。

  在一個(gè)單道未交叉的疊繞繞組(Q=K=20,u=1,2p=4)上通入電流，那么這四個(gè)電刷中會(huì)導(dǎo)通的電樞支路和電流流向?yàn)?/span>

  紅色支路：4→5→6→7→8

  綠色支路：3→2→1→20→19 

  藍(lán)色支路：13→12→11→10→9

  黑色支路：14→15→16→17→18

  波形繞組法是一個(gè)串聯(lián)繞線法，線圈邊會(huì)每每在間隔約莫兩個(gè)極寬的間距接上換向片，每個(gè)線圈會(huì)在下一個(gè)同極性的極上終止，接連接完一整圈的極對后，串聯(lián)后的線圈會(huì)再度達(dá)到原初的極。

  ?疊繞繞組法，一對電刷通電只能遍歷一對極，p對極就需要p對電刷對。電刷都是同極性并聯(lián)而接，在大型電機(jī)上使用大電流小電壓，會(huì)有極數(shù)一樣多的并聯(lián)電樞支路，故每個(gè)支路通入電流強(qiáng)度為。

波形繞組法，一對電刷通電，可以遍歷所有極對。所以在理論上只需要一對電刷，但往往也會(huì)裝上p對電刷對，電路終端電壓會(huì)是疊繞繞組法的p倍，所以會(huì)在電機(jī)上輸出較小的功率(有兩個(gè)并聯(lián)電樞支路時(shí))，在p對極對時(shí)會(huì)只有2個(gè)并聯(lián)支路。