直流发电机的工作原理

图1为直流发电机的物理模型。在图中磁极固定不动，称其为直流电机的定子。abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体是直流电机可转动部分，称为电机转子（又称电枢）。

线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同转动的导电片上，该导电片称为换向片。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。

在定子与转子间有间隙存在，称其为空气隙，简称气隙。 在模型中，当有原动机拖动转子以一定的转速逆时针旋转时，根据电磁感应定律可知，在线圈边ab、cd中将产生感应电动势。每边导体感应电动势的大小可通过下式求得

式中，Bx 为导体所在处的磁通密度，单位为Wb/m2 ；l为导体ab或cd的有效长度，单位为m；v为导体ab或cd与Bx间的相对线速度，单位为m/s；e为导体感应电动势，单位为V。

导体中感应电动势的方向可用右手定则确定。在顺时针旋转情况下，如图1（a）所示，导体ab在N极下，感应电动势的极性为a点高电位，b点低电位；导体cd在S极上，感应电动势的极性为c点高电位，d点低电位，在此状态下电刷A的极性为正，电刷B的极性为负。

如图1（b）所示，当线圈旋转180°，导体ab在S极上，感应电动势的极性为a点低电位，b点高电位；而导体cd则在N极下，感应电动势的极性为c点低电位，d点高电位，此时虽然导体中的感应电动势方向已改变，但由于原来与电刷A接触的换向片已经与电刷B接触，而与电刷B接触的换向片同时换到与电刷A接触，因此电刷A的极性仍为正，电刷B的极性仍为负。

图1 直流发电机模型

综上分析可见，与电刷A接触的导体总是位于N极下，与电刷B接触的导体总是在S极上，因此电刷A的极性总为正，而电刷B的极性总为负，在电刷两端可获得直流电动势。 实际直流发电机的电枢是根据实际应用情况需要有多个线圈，线圈分布于电枢铁芯表面的不同位置上，并按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替放置多对。

直流电动机的工作原理

把电刷A、B接到一直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，此时在电枢线圈中将有电流流过。 根据毕一萨电磁力定律可知导体每边所受电磁力的大小为

式中，I为导体中流过的电流，单位为A；f为电磁力，单位为N。

导体受力方向由左手定则确定。在图2（a）所示情况下，位于N极下的导体ab的受力方向为从右向左，而位于S极上的导体cd的受力方向为从左向右。该电磁力与转子半径之积即为电磁转矩，该转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻力矩时，线圈按逆时针方向旋转。

当电枢旋转到如图2（b）所示位置时，原来位于S极上的导体cd转到N极下，其受力方向变为从右向左；而原来位于N极下的导体ab转到S极上，导体ab受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。

这样虽然导体中流通的电流为交变的，但N极下的导体受力方向和S极上导体所受力的方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。

图2 直流电动机模型

与直流发电机相同，实际直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。