直流電機(jī)（direct current machine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

　　直流電機(jī)的換向

　　旋轉(zhuǎn)著的電樞某元件從一個(gè)支路轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)支路時(shí)，元件中的電流變化的過渡過程稱為換向過程。

　　換向過程分析

　　電刷是支路的分界線；我們研究電刷與1、2片換向片分別和同時(shí)接觸時(shí)的情況。

　　換向剛開始時(shí)，元件仍屬于右邊支路，其電流為+ia（右→左）；

　　處于換向過程中時(shí)，元件被電刷短路，電流大小和方向處于變化的過程中；

　　換向結(jié)束時(shí)，元件進(jìn)入左邊支路，其電流已經(jīng)由+ia變?yōu)?ia（左→右）。

　　一個(gè)元件的電流換向過程所需的時(shí)間就稱為換向周期Th，即一個(gè)換向片通過電刷所用的時(shí)間。換向元件的電流從+ia變到-ia所用的時(shí)間即為一個(gè)換向周期。Th=0.5～2ms

　　換向問題十分復(fù)雜，換向不良會(huì)在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當(dāng)火花大到一定程度時(shí)可能損壞換向器表面，從而使電機(jī)不能正常工作。

　　產(chǎn)生火花的原因除電磁原因外，還有電化學(xué)、工藝、電熱等因素，至今尚無很成熟的理論。

　　換向元件中的電勢(shì)

　　1．電抗電勢(shì) ex

　　一般， 換向周期非常短暫，電流的變化會(huì)在繞組元件中產(chǎn)生自感和互感電勢(shì)，兩者的合成電勢(shì)稱為電抗電勢(shì)，用ex表示。

　　根據(jù)楞次定理，電抗電勢(shì)的性質(zhì)總是阻礙線圈中電流的變化，亦即ex的方向企圖與換向前的電流方向相同?；蛘哒f電抗電勢(shì)是阻礙換向的。

　　電抗電勢(shì)大小反比于換向周期。

　　2．電樞反應(yīng)電勢(shì) ea

　　換向元件切割電樞反應(yīng)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生了電樞反應(yīng)電勢(shì)。其方向與ex相同，即其性質(zhì)也是阻礙換向的。其大小為： Ea=2Wy Ba l va3．換向極電勢(shì) eK

　　換向極電勢(shì)是由于換向元件切割換向磁極感應(yīng)的電勢(shì)，換向磁極是為改善換向而設(shè)置的。其方向企圖與換向后的電流方向相同，或者說換向極電勢(shì)是幫助換向的。

　　影響換向的因素

　　電磁因素：電抗電勢(shì)和切割電勢(shì)阻礙換向。機(jī)械、化學(xué)、材料等原因

　　機(jī)械方面的原因如：換向器偏心、片間絕緣凸出、某個(gè)換向片凸出、電刷與換向器表面接觸不好等等；化學(xué)方面：高空缺氧、缺水、某些化工廠的電機(jī)，都可能破壞換向器表面的氧化亞銅薄膜而產(chǎn)生火花。

　　改善換向的方法

　　1.裝換向極：在換向元件處產(chǎn)生一個(gè)磁勢(shì)以抵消該處的電樞反應(yīng)磁勢(shì)。再產(chǎn)生一個(gè)磁密，換向元件切割該磁密時(shí)產(chǎn)生一個(gè)能抵消電抗電勢(shì)的電勢(shì)。換向極繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)。

　　換向磁極的極性判斷原則： 對(duì)直流發(fā)電機(jī)是：順轉(zhuǎn)向看與主極極性相同； 對(duì)直流電動(dòng)機(jī)是：逆轉(zhuǎn)向看與主極極性相同。

　　2.裝補(bǔ)償繞組：裝置在磁極表面的槽內(nèi)，產(chǎn)生抵消電樞反應(yīng)的磁勢(shì)，與電樞繞組串聯(lián)。

　　3.移動(dòng)電刷位置：對(duì)于未裝換向極的小型串勵(lì)直流電機(jī)，把電刷從幾何中性線（與處于幾何中性線處的導(dǎo)體接觸）移動(dòng)一個(gè)適當(dāng)?shù)男〗嵌?，使得換向元件產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)與換向后的電流方向相同。但是電刷移動(dòng)后，會(huì)產(chǎn)生直軸去磁電樞反應(yīng)，導(dǎo)致電壓有些降低、轉(zhuǎn)速稍有升高，可能引起運(yùn)行不穩(wěn)定，故此方法旨在小容量電機(jī)中采用。

　　判斷電刷移動(dòng)的方向： 對(duì)直流發(fā)電機(jī)是順轉(zhuǎn)向移動(dòng)一個(gè)小角度；

　　對(duì)直流電動(dòng)機(jī)是逆轉(zhuǎn)向移動(dòng)一個(gè)小角度。

　　空載時(shí)直流電機(jī)的磁場(chǎng)

　　直流電機(jī)的磁通路徑

　　磁路從主磁極1出發(fā)經(jīng)氣隙1－電樞齒1－電樞軛－電樞齒2－氣隙2－主磁極2－定子軛--主磁極1。

　　空載磁通密度波形

　　空載時(shí)電樞電流為0，氣隙磁場(chǎng)是由勵(lì)磁電流單獨(dú)決定。

　　磁極面下氣隙較小且均勻，磁密較強(qiáng)且均勻。

　　極面外，氣隙迅速增大，磁密也迅速減弱，幾何中性線處磁密為0。

　　空載氣隙磁密沿電樞外圓的分布用函數(shù)B0（x）表示；分析可知它是平頂波。

　　氣隙磁場(chǎng)

　　空載磁場(chǎng)是在無載情況下（即電樞電流為零），勵(lì)磁繞組中通入電流后由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)建立的磁場(chǎng)。

　　空載時(shí)主磁場(chǎng)分布情況及計(jì)算方法已在第一節(jié)至第三節(jié)中介紹。

　　空載時(shí)主磁場(chǎng)的磁通分兩部分，即主磁通和漏磁通。

　　由于磁極極靴寬度總是小于極距，在極靴下氣隙較小，所以極靴下沿電樞表面主磁場(chǎng)較強(qiáng)，極靴以外，氣隙加大，主磁場(chǎng)明顯削弱，在兩極間的幾何中性線處磁密為零。氣隙磁場(chǎng)磁密分布波形為一禮帽形，如下圖：