直流电动机的基本知识,不同类型工作原理

直流电机是将直流电功率转换为机械功率的任何一类电机。最常见的类型取决于磁场产生的力。几乎所有类型的DC电机都具有某种机电或电子内部机制，以定期更改部分电机的电流方向。大多数类型会产生旋转运动。线性电机直接产生直线上的力和运动。

直流电机是被 广泛使用的第一种类型，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通过使用可变的电源电压或通过改变其励磁绕组中的电流强度来在很宽的范围内进行控制。小型直流电机用于工具，玩具和家用电器。通用电机可以在直流电下运行，但它是用于便携式电动工具和设备的轻型电机。较大的直流电机用于电动汽车，电梯和提升机的推进，或用于轧钢机的驱动器。电力电子技术的出现使得在许多应用中可以用交流电机代替直流电机。

电磁电机

电流流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流过线圈的电流的方向和大小而变化。

一个简单的直流电机在定子中有一组固定的磁铁，在电枢中有一根或多根绝缘电线的绕组，包裹着一根软铁心，该铁心集中了磁场。绕组通常在铁心周围有多个匝数，在大型电机中，可能会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。(无刷直流电机的电子器件可接通和断开流向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，线圈的大小及其包裹的内容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指向有效电磁场的方向。通过依次打开和关闭线圈，可以创建旋转磁场。这些旋转磁场与电机(定子)固定部分中的磁体(永磁体或电磁体)的磁场相互作用，在电枢上产生使电枢旋转的力。在某些直流电机设计中，定子磁场使用电磁体产生其磁场，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进行冷却。

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/转矩调节特性。直流电机的速度可以通过改变施加到电枢的电压来控制。在电枢电路或励磁电路中引入可变电阻可以实现速度控制。现代的直流电机通常由电力电子系统控制，该电力电子系统通过将直流电流“斩波”为具有有效较低电压的开和关周期来调节电压。

由于串联绕组直流电机在低速时会产生最大的扭矩，因此通常用于电力机车和电车等牵引应用中。多年来，直流电机一直是电力和柴油电力机车，有轨电车/电车以及柴油电动钻机上的电力牵引驱动器的支柱。从1870年代开始引入直流电机和用于运行机械的电网系统，引发了新的第二次工业革命。直流电机可以直接通过可充电电池运行，从而为第一批电动汽车，当今的混合动力汽车和电动汽车提供动力，并驱动许多无绳工具。时至今日，直流电机仍被应用在诸如玩具和磁盘驱动器之类的小型应用中，或者用于操作钢轧机和造纸机的大型应用中。带有单独励磁场的大型直流电机通常与矿井提升机的绕线机驱动器配合使用，以实现高转矩以及使用晶闸管驱动器进行平稳速度控制。现在，这些已被带有变频驱动器的大型交流电机所取代。

如果将外部电源施加到直流电机，它将充当直流发电机，即发电机。此功能用于减慢混合动力汽车和电动汽车上的电池并为其充电，或者在速度减慢时将电力返回到街车或电动火车线路上使用的电网。此过程称为混合动力和电动汽车的再生制动。在柴油机车中，他们还使用直流电机作为发电机，以减慢速度，但耗散电阻器组中的能量。较新的设计正在添加大型电池组，以回收部分能量。

有刷直流电机

有刷直流电机通过使用内部换向，固定磁体(永磁体或电磁体)和旋转电磁体，直接从供应给电机的直流电中产生扭矩。

有刷直流电机的优点包括低初始成本，高可靠性和简单的电机速度控制。缺点是高强度用途的维护成本高且使用寿命短。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。这些组件是将电能从电机外部传递到电机内部转子的旋转绕组所必需的。电刷由导体组成。

无刷直流电机

典型的无刷直流电机在转子中使用一个或多个永磁体，在电机壳体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简单，因为它消除了将功率从电机外部传递到旋转转子的麻烦。电机控制器可以通过霍尔效应传感器或类似设备感测转子的位置，并可以精确控制转子线圈中电流的时间，相位等，以优化扭矩，节省功率，调节速度，甚至进行制动。无刷电机的优点包括寿命长，几乎不需要维护或效率高。缺点包括高昂的初始成本和更复杂的电机速度控制器。

不换向

其他类型的直流电机不需要换向。

同极性电机—同极性电机具有沿旋转轴的磁场，并且在某些点上具有不平行于磁场的电流。同极性的名称是指不存在极性变化。

同极性电机必须具有单匝线圈，这将它们限制在非常低的电压下。这限制了这种电机的实际应用。

滚珠轴承电机—滚珠轴承电机是一种不寻常的电机，由两个滚珠轴承式轴承组成，其内座圈安装在同一根导电轴上，而外座圈则连接到高电流，低压电源上。另一种结构是将外圈安装在金属管内，而将内圈安装在带有不导电部分的轴上(例如，绝缘杆上的两个套筒)。该方法的优点是管将充当飞轮。旋转方向由初始旋转确定，通常需要旋转才能使其旋转。

永磁定子电机

永磁电机在定子框架上没有励磁绕组，而是依靠永磁电机提供磁场，转子磁场与该磁场相互作用而产生转矩。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。由于此字段是固定的，因此无法对其进行速度控制调整。PM磁场(定子)在微型电机中很方便，可以消除磁场绕组的功耗。大多数较大的直流电机为“发电机”型，具有定子绕组。从历史上看，如果将PM拆卸下来，就不能使其保持高通量。励磁绕组更实用，以获得所需的磁通量。但是，大型PM不仅价格昂贵，而且危险且难以组装。这有利于大型机器的伤口领域。

为了使总重量和尺寸最小化，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体。大多数是钕铁硼合金。具有较高的磁通密度，具有高能量PM的电机至少可以与所有最佳设计的单馈同步和感应电机竞争。微型电机类似于图中的结构，不同之处在于微型电机至少具有三个转子磁极(无论转子处于什么位置，以确保启动)，并且它们的外壳是钢管，该钢管磁连接弯曲磁场磁体的外部。