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，所以微型的直流電機(jī)在電動玩具、個人護(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)的定子上一般是勵磁極，用剛鑄成極芯，極芯會纏繞上通入恒流直流電的勵磁繞組。一個極一段突出的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磁場中旋轉(zhuǎn)時出現(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，定子勵磁繞組通勵磁電流 以后就會在電機(jī)內(nèi)部形成一條從勵磁極到軛，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)生一個磁極，這個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恒定磁場。這個恒定磁場一般都由定子的勵磁繞組通電產(chǎn)生磁場來提供。也就是定子勵磁產(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，推動轉(zhuǎn)子不停運(yùn)動。如果用永磁體，也可以達(dá)到同樣的勵磁效果，所以原理上勵磁繞組可以用永磁體等效替代。

  關(guān)于直流電機(jī)勵磁磁場的假設(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，勵磁在電機(jī)鋼鐵部分是可以忽略不計的， 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，磁通只在一個確定的磁路里運(yùn)行，磁場線只會從極靴和氣隙垂直方向進(jìn)出。氣隙里則是由一個磁通密度恒定，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，計算一條磁場線上的磁動勢，此時由于上述假設(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)的時候就會出現(xiàn)周期逆轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，無法持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)動。

  引入換向器的妙處

  當(dāng)電樞在電機(jī)中是勻速轉(zhuǎn)動的時候，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趧畲糯艌鲋修D(zhuǎn)動時切割磁感線，所以電樞導(dǎo)體上會感應(yīng)出電壓ui,L

  可見，如果勻速轉(zhuǎn)動的話，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)作為電動機(jī)持續(xù)穩(wěn)定工作，應(yīng)該在電樞轉(zhuǎn)動時讓轉(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，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)方式可以僅憑兩個滑環(huán)和電刷構(gòu)成一個換向器。

  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，但是在極缺口還會出現(xiàn)很大的空缺，也就是說，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了很大的脈動和突變沖擊。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，波動的峰谷差值就越小，而且更多錯位布置的導(dǎo)體線圈就會讓電樞有更高的利用率。

  當(dāng)然，在實(shí)際使用中，并不會放很多個相互無關(guān)的換向器，而是會把它們做成一束，有很多片。每個換向片會正好和兩個線圈端相接觸，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被通電，其他的換向片都是斷路的。而如果一個線圈上使用多匝數(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

  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，就會帶來更大的漏磁，這樣在高頻的電樞轉(zhuǎn)動下(f=p·n)會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，盡可能提高電動機(jī)利用效能，同時也要滿足簡易經(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，換向器繞組就會專門使用一種鼓形繞線法。

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

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

  每層總是會把線圈終端導(dǎo)向另一個線圈的開端

繞線槽和繞線技術(shù)

使用了槽，會有以下特點(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，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，同時也會強(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 ，每一個線圈的匝數(shù) ,電樞上總的導(dǎo)體數(shù)z，每個槽的導(dǎo)體數(shù)zQ，那么有

那么下面用一個極對極數(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極寬內(nèi)直接相鄰的換向片上，這意味著每個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)就是一個線圈，它會與另一個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，那么這四個電刷中會導(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

  波形繞組法是一個串聯(lián)繞線法，線圈邊會每每在間隔約莫兩個極寬的間距接上換向片，每個線圈會在下一個同極性的極上終止，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，會有極數(shù)一樣多的并聯(lián)電樞支路，故每個支路通入電流強(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，但往往也會裝上p對電刷對，電路終端電壓會是疊繞繞組法的p倍，所以會在電機(jī)上輸出較小的功率(有兩個并聯(lián)電樞支路時)，在p對極對時會只有2個并聯(lián)支路。