直流电机

直流电机（Direct   Current   machine）它是一种能将DC能转化为机械能或机械能转化为机械能的电机，分别称为DC电机和DC发电机其基本工作原理遵循电磁感应定律，主要包括定子和转子。定子的主要作用是在绕组旋转的位置提供磁场，而转子的核心是产生电磁转矩和感应电动势。根据不同的分类方法，DC电机按能量转换性质可分为DC电机和DC发电机，其中DC电机可分为无刷DC电机和有刷DC电机，DC发电机可分为永磁DC发电机和电磁直流发电机。DC电机的特点和优势使其广泛应用于汽车航空航天等领域。

直流电机

DC电机是根据两个基本原理制造的，即导体切割磁感应线会引起电势变化，感应出电动势，磁场中载流导体会受到电磁力的作用。因此，在结构上，任何一种电机都包含两个部分：一个是磁路，一个是电路。理论上任何一种电机都是电和磁的相互作用。DC电动机是可逆的，DC电动机和发电机的结构是一样的如果DC发电机连接到DC电源，它可以成为一个马达相反，如果DC电动机由原动机驱动，它也可以用作发电机。与交流电机相比，DC电机结构复杂、造价高、操作维护困难，但DC电机调速性能和过载能力好，起动转矩大，适用于转速和起动转矩较高的场合。

19世纪初，对电磁学的研究已经非常深入。1821年，英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael   Faraday）在这些理论的指导下，发现了载流导体在磁场中受力的现象，并很快研制出了能将直流电能转化为机械能的早期电机。经过多次实验，法拉第在1831年发现了电磁感应定律。根据这一基本定律，次年，法国工程师皮克西（Wiki species Hippolyte P）兄弟制造了一台原始的手动永磁交流和DC发电机，即现代DC发电机的原型，通过磁铁和线圈之间的相互运动和一个换向装置。1834年，英国伦敦的设备制造商克拉克（E.M.Clark）发明了第一台商用DC发电机。美国发明家托马斯·达文波特（Thomas Davenport）同年，发明了第一台电池驱动的电动机，并获得了DC电动机的专利。

从1834年到1870年，电机研究领域诞生了三大技术创新和进步首先，永磁体被改成了电磁线圈其次是德国科学家西门子兄弟（W.Siemens   C.W.Siemens）1866年，电池他励发展为发电机自励。最后，在电枢，在1870年由法国物理学家克（Gramme）引进了环型线圈。1870~1890年是DC汽车发展的又一个关键时期。德国工程师赫夫纳·阿尔泰涅克（Hefner  Alteneck）1873年发明了鼓形线圈，大大提高了导线的利用率。1880年，美国发明家爱迪生（Edison）为了进一步降低铁芯的损耗和线圈的温度，发明了叠片铁芯，这种设计沿用至今。

关于电机理论，1886年，英国物理学家霍普金森兄弟（J.Hopkinson   E.Hopkinson）欧姆 1891年，DC电枢绕组理论的提出，使更科学地研究和设计电机成为可能。到19世纪90年代，DC汽车已经具备了现代DC汽车的基本结构特征。

DC电机的工作原理

DC发动机有能力将电能转化为机械能它的工作原理是，在一定的环境下，受电磁力驱动的带电导体会按照电磁感应定律在磁场环境中运动。N、s是一对固定磁极，即定子它把外部DC电源的正极接到电刷A上，负极接到电刷B上，这样线圈就会产生电流。从左手螺旋定律可以看出：由于电磁力，导线ab和cd产生的力矩是相同的。这个力矩是逆时针方向的，所以电枢会朝这个方向旋转。电枢旋转过程中，导体cd向N方向运动，ab向S方向运动。用左手螺旋定律判断力的方向仍然是逆时针方向，其大小由F=BIL给出，其中B=磁通密度，I=电流，L=导体在磁场中的长度。

这样，  DC电机上的直流电使DC电机电枢绕组中的电流通过换向器和电刷以交替的方向流动，但电枢引起的电磁场的旋转不会改变，保证了电机以一定的角度连续旋转。综上所述，DC电机的工作机理是：外加电压使其在导体中产生电流，在磁场中，负载导体会受到电磁力的作用但由于换向器的介入，电机的扭矩保持不变，从而实现了DC电机的连续转动，将DC功率转化为机械能输出。

DC发电机的工作原理

DC发电机能将机械能转化为电能，其原理是基于动态感应电动势理论，即在一定条件下，导体在磁场中运动，导体会因为切割磁感应线而产生感应电动势，这就是DC发电机的电源。通过分析DC电机的电势方程，可以得出感应电动势的具体大小，并通过右手螺旋法则确定电动势的方向如果线圈中有一个封闭的通道，感应电流就会在通道中流动。和DC电机一样，DC发电机电枢绕组中的感应电势也呈交流趋势，而电刷 A、B输出的电势值为恒定的DC电势，在电刷A和电刷B之间连接一个负载，使发电机能向负载提供DC功率。在不改变结构的情况下，DC发电机可以用作DC发动机，反之亦然。

在DC发电机内部，线圈中产生的感应电动势是交流电动势。当电枢完成半圈时，特定导体的运动方向将向下反转，每个电枢导体中的电流方向将交替变化。但此时视换向器而定，当电流反向时，电枢导体的连接也会反向，因此在端子处可获得单向电流。换向器的作用是将电枢线圈中的交流电动势转化为脉动的DC电动势。综上所述，DC发电机的工作机理是：在原动机的带动下，DC发电机旋转，磁场被电枢上的导线切割，形成交变电动势，再由换向器整流，在电刷之间获得DC电压，从而实现机械能向DC能的转换。

DC电机的可逆原理

从其工作机理和结构可以看出，DC电机是一种可逆电机，可以用作电动机或发电机。在其工作状态下，带电的绕组线在磁场中受到电磁力的驱动，产生电磁转矩，带动机器旋转，并转化为机械能；当该装置作为发电机使用时，外力驱动转子旋转产生感应电动势，接通负载后提供DC电流，将机械能转化为电能。从上面的分析可以看出，在使用的时候，电机可以起到电动机或者发电机的作用，关键在于外界环境的不同。如果把DC电源加到刷子上，电机就把电能转化为机械能，带动机器转动DC马达以马达的形式运行；如果DC电机的电枢由原动机带动旋转，输入机械能，电机将机械能转化为DC能，DC电动势被电刷牵引，以发电机的形式运行。同一个DC电机既可以做电动机又可以做发电机，这就是电机的可逆性。

汽车领域

DC电机性能优异，可以实现更高的能效和性价比无刷DC电机集成在汽车的执行部件中，如冷却风扇、暖通空调、刮水器、燃油泵和混合动力系统。由于它高效、低噪、免维护、高可靠性等优点，DC电机已广泛应用于汽车领域。

航空航天领域

由于其优异的性能，DC电机已广泛应用于高科技领域航空航天等领域，并为解决相关技术问题提供了强有力的支持。例如，高精度的离心式机组需要很大的驱动力和转速稳定性；物理模拟设备对电机的输出功率和响应速度要求很高；陀螺仪需要高电机速度、由于角动量大，DC电机可以很好地达到预定的工作指标，达到其他电机无法达到的效果，大大提高了被驱动系统的性能。

其他领域

DC伺服电机可以将输入的电压信号转换成角位移或角速度输出，是一种常用的驱动装置当有控制电压时，它会使转子立即旋转，当没有控制电压时，它会立即停止旋转，可应用于机械领域的电火花加工系统。但是，由于DC转速表倾角大，在测量和速度上没有相位差。它除了是测速单元外，还是用于分析设备的微分或积分计算单元，还可以作为阻尼元件在系统中产生电压信号，提高系统的稳定性和精度。

DC电机主要包括两个主要部件：定子与转子。定子的作用是向绕组旋转的区域提供稳定的磁场，并作为电机的机械支撑。定子包括多对具有相反极性的磁体，它们彼此面对并安装在转子区域中，其结构包括框架、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等。

主磁极：它由主磁极铁芯和位于其上的励磁线圈组成通过向励磁线圈输入电流，形成主磁场和一定空间分布的气隙磁通密度。磁路由1.0~1.5 mm厚的钢板堆积而成，线圈由绝缘铜线缠绕而成。

换向极：用于改善整流电路的换向特性，通常安装在两个相邻的主极之间，由一个铁芯和缠绕有线圈和绝缘导线的绕组组成，用螺钉连接在两个主极的中心，以产生附加磁场。

机座：DC汽车的外框称为车架，由铸钢或厚钢板制成。作用是为整个总成提供机械强度并承受磁场绕组产生的磁通量，同时作为磁路的一部分。

电刷装置：电刷装置包括固定在定子上的电刷和刷握换向器转动时，电刷与换向器保持滑动接触，保证换向器与外部负载电路的电气连接，其主要作用是降低DC电压、电流引入或引出。

电杆和极靴：电极通过螺栓或焊接连接到底座上它们有磁场绕组，极靴固定在上面。极靴用于固定磁场线圈，可以在气隙中均匀分布磁通量。

励磁绕组：通常由铜制成，用于产生主磁通量磁场线圈预先缠绕并放置在每个磁极上，用于串联连接，并且它们以这样的方式缠绕，使得它们在通电时形成交替的北极和南极。

电机的旋转部分称为转子，其主要作用是形成电磁转矩和感应电动势，实现能量转换，所以也叫电枢。包括具有槽的开槽铁片，并且这些槽被堆叠以形成圆柱形电枢铁芯，以减少由涡流引起的损耗、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等。

电枢铁芯：电枢铁芯是DC电机主磁路的一部分，它是圆柱形的，带有均匀分布的槽以承载电枢绕组。电枢由层压薄硅钢片组成，以减少涡流损耗和磁滞损耗。它可以配备一个用于冷却目的的轴向气流的空气导管，电枢用键固定在支架或旋转轴上。

电枢绕组：它是能产生电磁转矩和感应电动势，进而实现机械能转化为电能的重要元件。一般是原铜线圈放在电枢槽内，相互隔离，与电枢铁芯绝缘铜线常用于小型电机，而异型绕组常用于大中型电机。电枢绕组可以用以下两种方法之一缠绕：单叠绕组和单波绕组，单叠绕组适用于低压、大电流DC电机。

换向器：在DC发电机中，换向器的作用是收集电枢电路产生的电流它像整流器一样工作，通过线圈中 交流和DC电压的转换来实现。换向器包括许多孤立的换向片在DC发生器中，它的作用是将交流电势转换成DC电势；在DC电机中，它的作用是将电刷发出的直流电转换成交流电，交流电通过一个键与转轴相连。

直流电动机

无刷直流电机

无刷DC电机是普通DC电机的标准、转子换位电机的制造方法。它的转子采用永磁体产生气隙，定子则是类似永磁体的异步电机结构。为了实现适当的换向，线圈可以连接到逆变器的每个功率管，形成星形或三角形。通常，转子选择高矫顽力、高剩磁密度的稀土金属，如金刚石、钦铁硼等。在磁极中，磁铁在磁极中放置的位置，因为放置位置的不同，可以分为表面磁极、分为磁极和环形磁极三种。无刷DC电机采用半导体开关器件实现电子换向，用电子开关代替传统的接触式和刷式，可靠性高、无换向火花、无机械噪音等。

有刷直流电机

有刷DC电机的两个电刷通过绝缘底座连接到电机的后盖上，正负电源相互连接、负极分别引入转子的变流器，同时变流器与转子上的绕组相连，三个线圈的极性不断变化，它们与固定在外壳上的两个磁体相互作用旋转。由于换向器固定在转子上，电刷固定在定子上，电机转动时，电机的刷头与换向器之间会有持续的摩擦，从而使其具有较高的温度和电阻。因此，虽然有刷电机效率低损耗大，但制造简单成本低。有刷DC电机可分为两类：永磁DC电机和电磁DC电机。

电磁直流电机

他励直流电机：励磁线圈和电枢绕组之间没有连接，为励磁线圈提供其他DC电源的DC电机称为他励DC电机。

并励直流电机：并励DC电动机的励磁线圈与电枢绕组并联，由电动机自身产生的端电压供电在并励DC电机中，励磁线圈和电枢共用一个电源，其特性与其他励磁电机相同。

串励直流电机：串励DC电机的励磁线圈与电枢绕组串联，然后接入DC电源供电。这种DC电机的励磁电流是电枢电流。

复励直流电机：复合励磁DC电机有两种励磁线圈，即并联励磁和串联励磁。如果串联线圈产生的磁场与并联励磁线圈产生的磁场位置一致，则称为乘积复合励磁，如果两个磁通的电势相反，则称为差动复合励磁。

永磁直流电机

永磁DC电机主要包括稀土永磁DC电机、铁氧体永磁DC电机和铝镍钴永磁DC电机。永磁DC电机也包括定子磁极、转子、刷子、壳等定子磁极由永久磁铁制成、铁氧体等组成。按其结构形式可分为圆筒型和瓦型。录音机用的电机大部分是圆柱形磁铁，电器和车辆用的电机大部分是以瓦形磁铁的形式存在。

直流发电机

永磁DC发电机

永磁DC发电机，又称磁动机，利用永磁体产生磁场，输出电压低，效率低它只能应用于需要较少电能的场合，如自行车车灯的发电机和磁电机电话机中的手摇发电机。

电磁DC发电机

电磁DC发电机是由流入磁场的绕组电流激发，从而产生磁场。根据磁极励磁方式的不同，电磁分为“他激式”和“自激式”两类。

他激DC发电机

他励DC发电机是一种磁极绕组和电枢绕组互不相连的发电机。励磁电流由诸如电池或其他发电机的附加DC电源提供给磁极上的励磁线圈，从而产生磁场。在实际应用中，为了保证在任何负载条件下都能维持电压，需要根据负载的变化来调节变阻器，以增大或减小励磁电流除特殊需要外，这种发电机很少使用。

自激DC发电机

自励磁DC发电机的励磁电流由发电机自身提供。根据内部励磁绕组的接线情况和电枢连接方式的不同，分为“串激式”并激式”和“复激式”三种。

串激式发电机：由一个磁极线圈和一个电枢线圈串联而成的发电机，其特点是负载变化时，电压极不稳定，空载时，两端电压为零，随着负载的增加，电压升高、电流在增加当负载增加到一定限度时，由于消磁的影响，端电压迅速下降，只有在负载不变时才使用。

并激式发电机：磁极线圈和电枢线圈相互并联的发电机具有相对稳定的性能空载时，机端电压最高，负载增加，发电机机端电压逐渐降低当电压下降到一定水平时，电压下降的速度快于负载电流，从而进一步降低负载电流。

复激式发电机：同时具有“串激式”和“并激式”具有结构特点的发电机在负载增大时会增大串联磁场中的电流，从而提高发电机的磁通，适当降低消磁效果发电机有两种平滑励磁电机和过励磁电机。就负载而言，复合式发电机的输出电压最稳定，因此是目前使用最多的DC发电机。