本节介绍直流电动机的工作原理和基本结构
本节介绍电枢绕组的环形、鼓形结构，波绕组和叠绕组
本节介绍直流电机的换向
能量观点
电机是一种完成机电能量转换的电磁机械装置
具有可逆性，既可以作为电动机，也可以作为（称为）发电机。
功能观点
电机可以担任四种职能：
「注意：执行元件是用来驱动控制对象，控制或改变被控量的元件。一般来说作为动力也就是作为执行元件了。
但比如在液压系统中，作为动力是指电机驱动油泵给液压油加压，而执行元件是液压油缸，因此作为动力和作为执行元件并不是完全重合的」
目前在驱动装置中，主要使用交流电机。但在自动控制领域，尤其是高精度位置伺服系统、以及调速性能要求高或需要大转矩的场所，直流电机有广泛应用。
直流电机优点是：转矩大、调速范围宽、易于控制且可靠性高、调速时能量损耗较小。
缺点是：有换向器，造价贵、需要经常维修，寿命较短，容量受限。
磁极轴线：磁极的平分线，把磁极分成左右对称的两部分
几何中性面：垂直于磁极轴线的平面。当线圈位于中性面上时，穿过线圈的磁通最大，感应电动势和感应电流为0。
通电后导线受到电磁转矩作用而发生转动
转动时导线磁通发生变化产生感应电动势
为保证电机向着同一个方向连续转动，需要保持某一个磁极下线圈的电流方向一定。因此也就需要引入换向器
作为发电机的时候换向器保证了同一电刷的极性相同，输出直流电。
关于额定值还有不少是有点跟直观印象不一样的，这里就只选了这些。
| 额定值 | 内容 |
|---|---|
| 额定功率PN | 输出的机械功率 |
| 额定电压UN | 电枢两端的电压 |
| 额定电流IN | 额定电压下，输出额定功率时的电枢电流 （并励时指励磁电流+电枢电流） |
| 转动惯量 负载惯量 |
符号J，单位kg·m2 在对电机响应需求较高时，电机转子的 转动惯量需要和负载转动惯量相匹配 |
按运动状态
定子——转子
按功能
主磁极——电枢绕组——换向器和电刷
电枢：电机能量变换的枢纽。对于直流电机，电枢是指转子
主磁极和电刷固定在定子上，电枢绕组和换向器在转子上
主磁极相关名词解释
磁极轴线
磁极的平分线，将磁极分成左右对称的两部分
几何中性线 物理中性线
几何中性线，就是相邻主磁极之间的几何分界线
物理中性线，是指在主磁极产生的磁场中，磁密从正过0到负的分界线。
如果没有干扰的话，几何中性线和物理中性线是重合的，但是电枢会对主磁极的磁场有影响，因此物理中性线会偏移一定角度。
极距
不是极座标那个极距，而是主磁极之间的距离。
取这个距离为相邻两个主磁极轴线沿着电枢表面之间的距离，用
τ
\tau
τ表示
τ
=
π
D
2
p
\tau=\frac{\pi D}{2p}
τ=2pπD
D：电枢外直径
p：磁极对数
一对极：
τ
=
π
D
2
\tau=\frac{\pi D}{2}
τ=2πD
两对极：(橙色)
主磁极固定在定子上，对于直流电机而言，也就是固定在机壳上。
主磁极的功能是产生磁场。按照产生磁场的方式，又可以分为永磁式 和励磁式
永磁式就是由永磁体产生恒定磁场。
特点是体积小，重量轻。但是磁场弱。
根据机壳是否导磁，主磁极需要布置成不同的的方向：
励磁式就是通过线圈（称为励磁绕组）产生恒定磁场。
主磁极构造如图：
中间是铁心，缠绕励磁绕组的部分称为极身，靠近转子一端扩大的部分称为极靴。
极靴的作用是减小气隙磁阻，改善主磁极的磁场分布。（磁场分布跟前面导磁材料作为机壳的是一样的就不再画图了）
铁心并不是一整块铁磁材料。而是采用多片低碳钢板叠加固定而成。这样可以减小转子转动时引起的铁耗
电机的励磁方式
既然励磁也是线圈，电枢也是线圈，那么根据线圈的连接方式可以分为以下的几种情况：
他励就是电枢线圈和励磁线圈完全分离，互不干扰，性能最好。所以一般来说默认电机采用他励连接
直观理解就是固定在转子上的导线。在电动机中，通入负载电流，在磁场中受到电磁转矩。在发电机中，受到外力矩转动并产生感应电动势。是电机的中枢和枢纽。
为了减小磁阻，将电枢绕组绕制在电枢铁心上
电枢铁心的作用是传导主磁极产生的磁场，减小磁路的磁阻，并使尽可能多的磁感线穿过线圈平面。
电枢绕组基本概念
有效边
看这两幅图：
在电机中只有垂直于磁感线方向的导线才受到安培力作用。在线圈中，称这种能够切割磁感线的边为有效边，也叫元件边
绕组元件
也就是线圈。每个线圈包含两个元件边，此外还包含端线。电枢铁心沿着有效边刻有槽，有效边放在槽内，端线放在槽外，不切割磁感线，仅作连接用。
以后在讨论电枢的时候直接说元件，指的就是绕组元件。
首端 末端
每一个绕组元件都引出两根线，这两根线分别与两个换向片相连。（任意）称其中一根为首端，另外一根为末端。
在铁心上的每个槽内，要上下叠放两个元件的有效边。跟首端直接相连的有效边放在上层，跟末端直接相连的有效边放下层。
每一个换向片上连接两个不同的线圈，一个连接的首端，一个连接的是末端。
槽数
电机电枢铁心上实际开出的槽的数量。用Q表示。
电枢上实际开出的槽也叫实槽
每层元件边的数量等于虚槽数。在这里不涉及虚槽的内容。
先介绍一种比较原始的构型：
电机结构
这个图比较难懂，可以认真多看一下
铁心：灰色部分。为一个环形，有多个绕组环绕着铁心
绕组：橙色部分
换向器：黑色部分
电刷：绿色部分
电路分析
实际上这里有两个支路
总共八个线圈，被换向器短路了两个，剩下六个分别在两个主磁极下
受力分析
铁心内部是没有磁场的，分析受力只看位于铁心外表面的导线。
总的电流流向是：左边->右边，结合绕组的走向可以看出：N极下流向纸内，S极下流向纸外
左手定则，受力逆时针旋转
存在的问题
磁感线绝大多数都从环形铁心中流过，导致铁心内部没有磁场，靠内侧的导线不受电磁力。因此导线利用率低（导线是铜做的，因此导线利用率低，叫做铜的利用率低）
绕线时必须环绕铁心，制造困难，经济性不好。
把环形绕组铁心内腔里的导体移到鼓形铁心的外圆上，使之成为有效边，就得到了鼓形绕组。
为了使线圈中感应电动势最大，两个有效边分别位于电枢圆周相距（约）一个极距的两个槽内。
鼓形绕组有两种连接方法：
叠绕组
直观理解就是把元件的首端、末端连接在相邻的两个换向片上。（注意并不是去连正对的那一个换向片，而是有半个极距对应的角度差，这是为了保证电枢放置在中性线上）
相邻元件依次串连
其实从电路结构上面看，这个接线方法和环形绕组是一样的。区别就在于，各个元件并不是环绕铁心，而是交叠在铁心的外表面。
如右图，通过颜色的覆盖关系表达了“叠”
波绕组
直观理解就是线圈的首端和末端连接在约一个极距对应的换向片上。(同样没有找最短路径而是偏移了半个极距对应的角度)
在电路结构上，相距一对极距的元件相互串连。串连形成波浪形，因此叫做波绕组。
换向片和电枢绕组相连。线圈的首端和末端分别连接到两个圆弧形换向片上。所有的换向片相互绝缘，构成的整体叫做换向器。
电刷与换向器之间滑动接触，将外部直流电源与电枢绕组相连接。
电刷安装在刷握内，由弹簧压紧在换向器上。
刷握固定在刷杆上，刷杆安装在刷杆座上。刷杆座可以移动来调节电刷的位置。
电机的主磁极极数=换向片个数=电刷个数=电刷杆数
一般我们用电刷杆数来表示电枢组的数目，而电刷组的数目等于主磁极极数
在发电机中，换向器使得元件中的交变电动势变换为电刷间的直流电动势，起整流作用
在电动机中，换向器使外加直流电流变为元件中的交变电流，起逆变作用
确定电刷位置的原则
空载时，正、负电刷之间获得最大电动势。
电刷位置
电刷宽度=2~3换向片宽。
为使正、负电刷间引出的电动势最大，也就是要让被电刷短路的元件电动势为0。也就是被短路的元件正好位于主磁极的几何中性面。
「在元件端接对称的前提下」
电刷的位置应在主磁极轴线下面的换向片上，也就是换向器的几何中性线。
而换向器的几何中性线与主磁极轴线重合。
习惯上说电刷放在几何中性线位置。
「如果元件是不对称端接的」
换向器几何中性线偏离主磁极轴线一个角度。
则电刷也应该偏转相同角度。
而实际上电机运行起来后，几何中性线与物理中性线并不重合，这是应该把电刷放置在物理中性线处。
换向：电枢旋转时，绕组元件经过电刷，从一个支路进入另一个支路，元件中电流方向发生改变的过程。
电刷宽度=2~3换向片宽。为了分析方便，假定电刷宽度等于一个换向片。
观察橙色元件：
换向周期：元件从开始换向到换向终了所经历的时间。
换向周期一般为千分之几秒。
换向火花：换向时会在电刷和换向片之间产生火花。
直流电机工作时允许有轻微的火花，但不允许强烈的火花。
产生换向火花
电磁原因：
换向元件中的合成电动势=自感电动势+互感电动势+切割电动势-换向电动势
换向电动势是指几何中性线处换向元件在换向磁场中感应产生的电动势，是帮助换向的。换向磁场是换向磁极产生的磁场。
机械原因：
改善换向的方法：
