直流电机

直流电机是任何一类旋转的电动马达该直流电能转换成机械能。最常见的类型依赖于磁场产生的力。几乎所有类型的直流电机都有一些内部机制，无论是机电的还是电子的，以周期性地改变部分电机的电流方向。

直流电机是广泛使用的xxx种电机形式，因为它们可以由现有的直流照明配电系统供电。直流电机的速度可以在很宽的范围内控制，使用可变电源电压或通过改变励磁绕组中的电流强度。小型直流电机用于工具、玩具和电器。在通用汽车可以在直流操作，但是是一个轻量级的拉丝用于便携式电动工具和电器电机。较大的直流电机目前用于电动汽车、电梯和起重机的推进装置，以及轧钢厂的驱动装置。的出现电力电子取得了更换直流电机与交流电机在许多应用成为可能。

有电流通过的线圈会产生与线圈中心对齐的电磁场。线圈产生的磁场的方向和大小可以随着流过它的电流的方向和大小而改变。

一个简单的直流电机在定子中有一组固定的磁铁和一个电枢，电枢有一个或多个绝缘线缠绕在软铁芯上，以集中磁场。绕组通常围绕铁芯有多匝，在大型电机中可能有多个并联的电流路径。导线绕组的末端连接到换向器。换向器允许每个电枢线圈依次通电，并通过电刷将旋转线圈与外部电源连接。（无刷直流电机具有电子设备，可以打开和关闭每个线圈的直流电流，并且没有电刷。）

发送到线圈的电流总量、线圈的尺寸以及它所缠绕的物体决定了所产生的电磁场的强度。

打开或关闭特定线圈的顺序决定了有效电磁场指向的方向。通过依次打开和关闭线圈，可以产生旋转磁场。这些旋转磁场与电机（定子）静止部分中的磁铁（永磁体或电磁体）的磁场相互作用，在电枢上产生扭矩，使其旋转。在某些直流电机设计中，定子磁场使用电磁铁来产生磁场，从而可以更好地控制电机。

在高功率水平下，直流电机几乎总是使用强制空气冷却。

不同数量的定子和电枢磁场以及它们的连接方式提供了不同的固有速度和转矩调节特性。直流电机的速度可以通过改变施加在电枢上的电压来控制。电枢电路或励磁电路中的可变电阻允许速度控制。现代直流电机通常由电力电子系统控制，该系统通过将直流电流“斩波”到具有有效较低电压的开和关周期来调整电压。

由于串励直流电动机在低速时产生xxx扭矩，因此常用于电力机车和有轨电车等牵引应用中。多年来，直流电机一直是电力机车和柴电机车、有轨电车/电车和柴油电动钻机的电力牵引驱动器的主要支柱。从1870年xxx始，直流电机和用于运行机械的电网系统的引入开启了新的第二次工业xxx。直流电机可以直接由充电电池供电，为最早的电动汽车和今天的混合动力汽车和电动汽车提供动力以及驾驶许多无绳工具。今天，直流电机仍可用于玩具和磁盘驱动器等小型应用，或用于操作轧钢机和造纸机的大型电机。具有他励磁场的大型直流电机通常与矿井提升机的卷扬机驱动器一起使用，以实现高扭矩以及使用晶闸管驱动器的平稳速度控制。这些现在被带有变频驱动器的大型交流电机所取代。

如果将外部机械动力施加到直流电机，它就充当直流发电机、发电机。此功能用于使混合动力汽车和电动汽车的电池减速和充电，或者在减速时将电力返回到街车或电动火车线路上使用的电网。这个过程在混合动力汽车和电动汽车上称为再生制动。在柴油电力机车中，他们还使用直流电机作为发电机来减速但耗散电阻堆中的能量。较新的设计正在添加大型电池组以重新获取部分能量。

有刷直流电机通过使用内部换向、固定磁铁（永磁体或电磁体）和旋转电磁体直接从提供给电机的直流电中产生扭矩。

有刷直流电机的优点包括初始成本低、可靠性高和电机速度控制简单。缺点是高强度使用的高维护和低寿命。维护包括定期更换承载电流的碳刷和弹簧，以及清洁或更换换向器。这些组件对于将电力从电机外部传输到电机内部转子的旋转线绕组是必需的。

刷子通常由石墨或碳制成，有时会添加分散的铜以提高导电性。在使用中，软刷材料磨损到适合换向器的直径，并继续磨损。刷架有一个弹簧，可以在刷子缩短时保持对刷子的压力。对于打算承载超过一两安培电流的电刷，飞线将模制在电刷中并连接到电机端子。非常小的电刷可能依靠与金属刷架的滑动接触来将电流带入电刷，或者可能依靠压在电刷末端的接触弹簧。非常小的、寿命很短的电机（例如玩具中使用的电机）中的电刷可能由与换向器接触的折叠金属条制成。

典型的无刷直流电机在转子中使用一个或多个永磁体，在电机外壳上使用电磁体作为定子。电机控制器将直流电转换为交流电。这种设计在机械上比有刷电机更简单，因为它消除了将动力从电机外部传输到纺纱转子的复杂性。电机控制器可以通过霍尔效应感应转子的位置传感器或类似设备，可以精确控制转子线圈中电流的时序、相位等，以优化扭矩、节省功率、调节速度，甚至施加一些制动。无刷电机的优点包括使用寿命长、很少或无需维护以及效率高。缺点包括初始成本高，电机速度控制器更复杂。一些这样的无刷电机有时被称为“同步电机”，尽管它们没有要与之同步的外部电源，就像普通的交流同步电机一样。

其他类型的直流电机不需要换向。

• 单极电机-单极电机具有沿旋转轴的磁场和在某些点与磁场不平行的电流。名称同极是指没有极性变化。单极电机必须有一个单匝线圈，这将它们限制在非常低的电压。这限制了这类电机的实际应用。
• 滚珠轴承电机——滚珠轴承电机是一种不寻常的电机，它由两个滚珠轴承型轴承组成，内圈安装在公共导电轴上，外圈连接到高电流、低电压电源。另一种结构将外圈安装在金属管内，而内圈安装在具有非导电部分的轴上（例如绝缘杆上的两个套管）。这种方法的优点是管子将充当飞轮。旋转方向由初始自旋决定，通常需要让它运转。

永磁(PM)电机在定子框架上没有励磁绕组，而是依靠PM提供磁场，转子磁场与该磁场相互作用以产生扭矩。与电枢串联的补偿绕组可用于大型电机，以改善负载下的换向。由于该字段是固定的，因此无法为速度控制进行调整。PM场（定子）在微型电机中很方便，可以消除励磁绕组的功耗。大多数较大的直流电机是“发电机”类型的，具有定子绕组。从历史上看，如果拆卸PM，就无法使它们保持高通量；励磁绕组更实用，以获得所需的磁通量。然而，大型PM成本高昂，而且危险且难以组装；这有利于大型机器的伤口区域。

为了尽量减少整体重量和尺寸，微型永磁电机可能会使用由钕或其他重要元素制成的高能磁铁；大多数是钕铁硼合金。由于磁通密度更高，具有高能PM的电机至少可以与所有优化设计的单馈同步和感应电机竞争。微型电机类似于插图中的结构，不同之处在于它们至少具有三个转子磁极（以确保启动，无论转子位置如何），并且它们的外壳是一根钢管，通过磁性连接弯曲磁场磁铁的外部。