（一）直流电机组成

图8-6和图8-7给出了电机结构横、纵剖面示意图。直流电机主要由定子 （固定部分）和转子（转动部分，又称为电枢）两大部分组成。定子的作用是用来产生磁场，提供磁路和作为电机的机械支撑，它由主磁极、换向极、电刷装置、机座、端盖和轴承等部件组成。

图8-6　直流电机横剖面图

1—主极线圈；2—主磁极；3—换向极线圈；4—换向极；5—电枢绕组；6—地脚；7—电枢槽；8—机座 （磁轭）；9—电枢铁心；10—极靴

图8-7　直流电机纵剖面图

1—吊环；2—机座；3—端盖；4—风扇；5—电枢绕组；6—后压圈；7—轴承；8—轴；9—电枢铁心；10—前压圈；11—换向器压圈；12—换向器；13—电刷；14—刷握装置；15—前端盖；16—主极线圈；17—主极铁心

转子部分是用来产生感应电势和电磁转矩从而实现机电能量转换的主要部件，它的组成部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器和转轴等。转子通过轴承与定子保持相对位置，使两者之间有一个空气隙。此外，直流牵引电机通过电刷装置中的电刷和换向器接触，使电枢电路和外电路相连。

（二）直流电机基本工作原理

图8-8为两极直流电动机模型。在不动的磁极N、S中间放置电枢线圈，线圈两端分别连接在两个换向片上，换相片上压着一对固定不动电刷A和电刷B，电刷A加电源的正极，电刷B加电源的负极。将直流电源接在两电刷之间而使电流通过电枢线圈。

由于导体ab中电流的实际方向是从外向里，根据左手定则，导体ab在N极下所受的力的方向是向左的；而导体dc中电流的实际方向是从里向外，导体dc在S极下所受的力的方向是向右的，这样作用在线圈上的电磁转矩的方向为逆时针方向，结果使电枢沿逆时针方向转动。

图8-8　两极直流电动机模型

当导体ab转到S极下，而导体dc转到N极下，由于电刷A和电刷B 是静止的，电流总是从正极性电刷A流入，由负极性电刷B流出。因此，转到N极下的导体电流总是由外向里流，转到S极下的导体的电流总是由里向外流。根据左手定则判断，作用在线圈上的电磁转矩的方向始终不变，并使直流电机继续朝同一方向旋转，这就是直流电动机的工作原理。

当原动机拖动电枢以恒定速度n逆时针方向旋转时，根据电磁感应定律，就会在线圈中感应出电动势，当电机的输出端接入负载时，产生电流输出，这就是直流发电机的基本工作原理。(www.daowen.com)

在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入，电机即将电能变换成机械能而成为电动机；如用原动机或外力矩拖动直流电机的电枢转动，而电刷上不加直流电压，电枢绕组切割定子磁场产生电动势，则电刷端可以引出直流电势作为直流电源，可输送出电能，电机将机械能变换成电能而成为发电机。在牵引系统中，利用这种可逆原理实现了电机的牵引与制动。

（三）直流电机励磁方式

在直流电机中，由磁极的励磁磁势单独建立的磁场是电机的主磁场，也称励磁磁场。励磁方式是指对主磁极励磁绕组的供电方式。直流电动机的运行性能因励磁方式的不同会有很大不同。直流电机根据励磁绕组与电枢绕组的连接方式主要分为他励、并励、串励和复励4种，如图8-9所示。

图8-9 （a）为他励直流电机，励磁绕组与电枢绕组无连接关系，两部分单独供电。

图8-9 （b）为并励直流电机，励磁绕组与电枢绕组并联。

图8-9 （c）为串励直流电机，励磁绕组与电枢绕组串联。

图8-9 （d）为复励直流电机，这种直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢电路并联（称为并励绕组）；另一个与电枢电路串联（称为串励绕组）。若串励绕组产生的磁势与并励绕组产生的磁势方向相同为积复励；若两个磁势方向相反，则称为差复励。其中他励与并励的特性相近似，复励特性由串励和并励两种特性组合而成。

图8-9　直流电机的分类

（a）他励；（b）并励；（c）串励；（d）复励

（四）直流串励电动机机械特性

电动机是用来拖动车辆运行的，而车辆运行对电动机提出的主要要求是转速和转矩。电动机的转速和转矩间的关系被称为电动机的机械特性。在城市轨道牵引中，主要使用的是串励直流电动机，所以主要介绍串励直流电动机的机械特性。图8-10即为串励电动机的机械特性曲线，转速n大体是与成反比。

由于串励电动机具有所谓 “牛马”牵引特性，如图8-10所示，即牵引力大的情况下，电机转矩很大，像头牛，有利于重载起动；牵引力小的情况下，它的速度相当高，像匹马。这种 “牛马特性”使电动机具有恒功率的性能，而且当电源电压波动时，对特性影响较小，各台电机之间负荷也较容易平衡，所以串励电机作为牵引电机使用是比较适宜的，但它具有容易空转的缺点。近年来正在研究采用他励牵引电动机，其磁场由另外可控电源进行励磁，这种励磁方式需要较复杂的控制系统。国内外在这方面已进行研究和试验，并取得了一定的成果。目前世界上直流牵引系统所使用的电机类型，应用最广的还是直流串励牵引电机。

具有串励直流牵引电机的机车，如果保持电机电压不变，此时机车牵引力与速度之间的关系称为恒电压下的牵引特性。显然，每一个恒定端电压对应着一条牵引特性曲线，直流牵引系统正是通过调节电压来达到人们所要求的牵引曲线。