直流電機（Direct Current Machine）是一種能將直流電能轉換為機械能或將機械能轉換為直流電能的電機，分別稱之為直流電動機和直流發電機，其基本工作原理遵循電磁感應定律，主要包括定子與轉子這兩個主要元件。定子的主要作用是在繞組轉動處供給磁場，而轉子則以產生電磁轉矩和感應電動勢為核心。根據不同的分類方式，可以將直流電機按能量轉換性質分為直流電動機和直流發電機，其中直流電動機可分為無刷直流電機和有刷直流電機，直流發電機可分為永磁直流發電機和電磁直流發電機。直流電機的特點和優越性使其在汽車和航空航天等領域得到了廣泛的使用。
介紹
直流電機是根據兩個基本原理生產制造的，即導體切割磁感線會引起電勢變化產生感應電動勢以及在磁場中的載流導體將受到電磁力的影響。所以，在構造上，任何一種電機都包含了兩個部件：一是磁路，二是電路。理論上，任何一種電機都是電與磁之間的交互作用。直流電機具有可逆性，直流電動機和發電機的結構相同，將直流發電機接上直流電源，就可以成為電動機，反之，將直流電動機用原動機帶動旋轉，亦可以作為發電機使用。與交流電機比較，直流電機結構復雜、造價高、運行和維修難度大，但是，直流電機具有良好的調速性能和過載能力，啟動轉矩大，適用于高轉速和啟動轉矩的場合。
發展簡史
在19世紀早期，關于電磁學的研究已經非常深入。1821年，英國物理學家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）在這些理論的指導下，發現了載流導體在磁場中受力的現象，并迅速地研制出了一種能夠將直流電能轉化為機械能的早期電機。經過許多的試驗，法拉第于1831年發現了電磁感應定律。根據該基礎法則，次年，法國工程師皮克西（Hippolyte Pixii）兄弟通過磁體和線圈之間的相互移動以及一個換向裝置，制造出了一種原始的手動永磁體交流和直流發電機，即現代直流發電機的原型。1834年，英國倫敦的設備生產商克拉克（E.M.Clark）發明了首個商業型的直流發電機。美國發明家托馬斯·達文波特（Thomas Davenport）在同一年發明了第一臺以電池供電的電機，并獲得了該直流電機的專利權。
1834至1870年間，三個主要的技術創新與進步在電機研究領域中誕生，首先，從永磁體轉變成了采用電磁線圈，其次，德國科學家西門子股份公司兄弟（W.Siemens & C.W.Siemens）在1866年將蓄電池他勵發展到了發電機自勵。最后，在電樞方面，1870年由法國物理學家格拉姆（Gramme）引進了環型線圈。1870~1890年是又一個直流電機發展的關鍵時期。德國工程師海夫納·阿爾泰涅克（Hefner?Alteneck）于1873年發明了鼓形線圈，從而使導線的利用率得到了極大的改善。1880年，美國發明家托馬斯·愛迪生（Edison）發明了一種疊層鐵芯，以進一步減小磁芯損失和降低線圈溫度，這種設計至今仍被使用。
關于電機的理論，1886年英國物理學家霍普金森兄弟（J.Hopkinson & E.Hopkinson）創立了歐姆定律，1891年，直流電樞繞組理論被提出，從而使得對電機可以進行更加科學的研究和設計。到了到十九世紀九十年代，此時的直流電機已具有了現代直流電機的基本構造特征。
原理
直流電動機工作原理
直流電動機具有把電能轉化為機械能的能力，它的工作原理是根據電磁感應定律，在特定的情況下，被電磁力驅動的通電導體會在磁場環境下移動。N、S是一對固定的磁極，也就是定子，它把外部直流電源的正極附于電刷A上，而把負極附于電刷B上，這樣，線圈就會產生電流。從左手螺旋定律中可以看出：這一對電磁力形成了作用于電樞的一個力矩（導線ab和cd產生的扭矩是相同的）。這個力矩在旋轉電機里稱為電磁轉矩，其方向是逆時針的，企圖使電樞逆時針方向轉動。在電樞轉動的過程中，導線cd向N方向移動，而ab向S方向移動。用左手螺旋定律來判定作用力的方向，仍然是逆時針的，其大小由F=BIL給出，式中，B=磁通密度，I=電流，L=磁場內導體的長度。
這樣，直流電動機上的直流電就通過換向器和電刷來使得直流電動機的電樞繞組中的電流在交變的方向上流動，但是由電樞所引起的電磁場的轉動是不會改變的，這保證了電機在一定的角度上持續地轉動。綜上，直流電動機的工作機理是：通過外部施加的電壓使其在導線內產生電流，而在磁場中，負載導線會受到電磁力的影響，但因換向器的干預，確保了電機的轉矩保持恒定，從而實現了直流電機的持續轉動，將直流電力轉化為機械能量輸出。
直流發電機工作原理
直流發電機可以將機械能轉換為電能，該能源轉化建立在動態感應電動勢的理論基礎上，即在一定條件下，導體在磁場中運動，因切割磁感線，導線就會產生感應電動勢，該電動勢就是直流發電機的供電電源。通過對直流電動機的電勢方程進行分析，可以得到感應電動勢的具體大小，電動勢的方向可用右手螺旋定則來確定，如果在線圈中存在封閉通路時，電感電流將在通道中流動。與直流電動機相同，直流發電機電樞繞組內的電感電位也呈交流的趨勢，電刷?A、B輸出的電勢值為恒定的直流電位，并在電刷A和電刷B間連接一個負載，使發電機能夠將直流電力提供到負載。在沒有結構改變的情況下，直流發電機可以作為直流電動機使用，反之亦然。
在直流發電機的內部，線圈中產生的感應電動勢是交變電動勢。當電樞完成半轉時，特定導體的運動方向將反轉為向下，每個電樞導體中的電流方向將是交替的。但此時依靠換向器的作用，當電流反向時，電樞導體的連接也會反向，因此可以在終端得到單向電流。換向器的功能是把電樞線圈內的交流電動勢轉化為脈動直流電動勢。綜上，直流發電機的工作機理是：在原動機的驅動下直流發電機旋轉，由電樞上的導線切割磁場，形成交變電動勢，然后由換向器整流，在電刷之間得到直流電壓，從而實現了將機械能量轉化為直流電能。
直流電機可逆原理
從其工作機理和構造上可以看出，直流電機是一種可逆的電機，可以用作電動機或發電機。在其工作狀態下，帶電的繞組線在磁場中被電磁力驅動，產生電磁扭矩，帶動機器旋轉，使之轉換為機械能；該裝置在用作發電機時，通過外力帶動轉子轉動，使其產生感應電動勢，并在接通負載后提供直流電流，這樣，就可以將機械能轉化為電能。由上述分析可知，在使用時，電機具體能起到電動機或發電機的作用，其關鍵在于外部環境的不同。如果在電刷處施加直流供電，電機將電能轉化成機械能，帶動機器轉動，直流電機以電動機的形式運轉；如果用原動力牽引直流電動機的電樞轉動，輸入機械能，電機就會把機械能轉化成直流電能，由電刷牽引出直流電動勢，并以發電機的形式運轉。同一直流電機既可以用作電動機，也可以用作發電機，這就是電機的可逆性。
組成結構
定子
直流電機主要包括兩個主要元件：定子與轉子。定子的作用就是給繞組轉動的區域提供一個穩定磁場并作為電機的機械支撐。定子包括多對極性相反的磁體，它們彼此面對，被安裝在轉子區域內，其結構由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。
主磁極：主磁極的作用是產生氣隙磁場，由主磁極鐵芯和位于其上方的勵磁繞組組成。通過將電流輸入到勵磁繞組中，形成一個主磁場和一定空間分布的氣隙磁通密度。磁路由1.0~1.5毫米厚鋼板堆砌而成，線圈由絕緣銅導線纏繞而形成。
換向極：換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極繞組用絕緣導線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數目與主磁極相等。
機座：直流電機的外框稱為機座，由鑄鋼或厚鋼板制成。作用是為整個組件提供了機械強度和承載磁場繞組產生的磁通量，同時作為磁路的一部分。
電刷裝置：電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內蓋上，圓周位置可以調整，調好以后加以固定。
電桿和極靴：電桿通過螺栓或焊接連接到機座上，它們帶有磁場繞組，極靴固定在上面。極靴用于固定磁場線圈，并且能均勻分布氣隙中的磁通量。
勵磁繞組：通常由銅制成，作用是產生主磁通，磁場線圈預先纏繞并放置在每個磁極上進行串聯連接，它們的纏繞方式使其在通電時形成交替的南北極。
轉子
電機運作時旋轉的部分叫做轉子，主要功能是形成電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，因此也被稱作電樞。包括帶有槽的開槽鐵片，這些槽堆疊形成圓柱形電樞鐵芯，以減少渦流引起的損耗，其結構由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。
電樞鐵芯：電樞鐵心是直流電機的主磁路的主要部分，形狀是圓柱形的，帶有均勻分布的槽以承載電樞繞組。電樞由薄層壓圓硅鋼片疊壓構成，以減少渦流損耗和磁滯損失。它可以配備用于冷卻目的的軸向氣流的空氣管道，電樞用鍵固定在支架或轉軸上。
電樞繞組：電樞繞組的作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量變換的關鍵部件。一般是置于電樞凹槽內的原始銅制線圈，它們相互隔離，并與電樞芯絕緣，銅導線常用于小型電動機，成形繞組則通常用于大中型電機。電樞繞組可通過以下兩種方法之一纏繞：單疊繞組和單波繞組，單疊繞組適合用于低電壓、大電流的直流電機。
換向器：在直流發電機里，換向器的功能是把電樞線路產生的電流匯集到一起，它的工作方式類似于整流器，由線圈內的 交流和直流電壓轉換而實現的。換向器包括很多相互隔離的換向片，在直流發電機中，它的功能是把交流電勢變換到直流電位；在直流電動機中，它的功能是將直流電從電刷中經過，轉化成交流電，其通過鍵連接到轉軸上。
主要分類
直流電動機
無刷直流電機
無刷式直流電動機是對普通直流電動機的定、轉子進行換位的一種電機制造方法。其轉子用永磁鐵產生空氣間隙，而定子則是一種類似于永磁鐵的異步電動機的結構。為了實現合適的換相，線圈可以連接到逆變器的各個功率管上，形成星型或三角型。轉子一般選用高矯頑力、高剩磁密度的稀土金屬，如釤鈷、釹鐵硼等。在磁極中，磁極中磁體放置的部位因其放置部位的差異，可將其分成表面式磁極、入式磁極和環形磁極三種。無刷直流電動機采用了一種半導體開關器件來實現電子換向，它以電子開關代替傳統的接觸式和刷式，具有可靠性高、無換向火花、無機械噪聲等優點。按照供電方式的不同，無刷直流電機又可以分為兩類：方波無刷直流電動機，其反電勢波形和供電電流波形都是矩形波，又稱為矩形波永磁同步電動機；正弦波無刷直流電動機，其反電勢波形和供電電流波形均為正弦波。
有刷直流電機
有刷直流電機的兩個刷子由一個絕緣底座連接在電機的后罩上，把電源的正、負極分別導入到轉子的轉換裝置中，同時，該換相裝置與轉子上的繞組相連，三個線圈的極性變化不停地變化，并與兩個固定在殼體上的磁性體產生作用而轉動起來。由于換相器是固定在轉子上的，而電刷是固定在定子上的，電機旋轉時，電機的刷頭與換相器之間會有持續的摩擦，從而使其具有較高的溫度和阻力。因此，有刷電機雖然效率很低，而且損失也很大，但它制造簡單，成本也很低。有刷式直流電動機可分為兩類：永磁直流電機和電磁直流電機。
電磁直流電機
他勵直流電機：勵磁線圈與電樞繞組之間沒有任何連接關系，而用其它直流電源供給勵磁線圈的直流電動機叫做它勵直流電動機。
并勵直流電機：并勵直流電機的勵磁線圈與電樞繞組并聯，它是由電動機自身產生的終端電壓供給勵磁線圈，在并勵電機中，勵磁線圈與電樞共用一個功率源，其特性與他勵磁電機是一樣的。
串勵直流電機：串勵直流電動機的勵磁線圈與電樞繞組串連，然后連接到直流電源以供電。這樣的直流電機的勵磁電流就是電樞電流。
復勵直流電機：復勵直流電動機有兩種勵磁線圈，分別為并勵和串勵。如果串聯線圈所生成的磁場與并激勵線圈所生成的磁場位置一致，稱之為積復勵，如果兩個磁通量的電勢反向，則稱之為差復勵。
永磁直流電機
永磁直流電機主要有稀土永磁直流電機、鐵氧體永磁直流電機和鋁鈷永磁直流電機。永磁型直流電機也包括定子磁極、轉子、刷子、殼體等，定子磁極是由永久磁鐵、鐵氧體等組成。根據其構造形態，可以將其分成圓筒式和瓦塊式兩類。錄音機所用的電動機大多是圓筒式磁鐵，而用于電動器具和車輛的大部分電動機則是以瓦塊式磁體的形式存在。
直流發電機
永磁式直流發電機
永磁式直流發電機，也稱為磁石電機，利用永久磁石來產生磁場，輸出電壓較低，效率也小，只能適用于需要電能較小的場合，如常見的自行車燈用的發電機和磁石式電話里的手搖發電機。
電磁式直流發電機
電磁式直流發電機是借電流通入磁場的繞組來激發從而產生磁場。按照對磁極的激磁方法不同，電磁式又分為“他激式”和“自激式”兩類。
他激式直流發電機
他激式直流發電機，是磁極繞組和電樞繞組互不聯接的發電機。其激勵電流是通過額外的直流電源供電，例如電池或者其它的發電機，提供給磁極上的激勵線圈，從而產生磁場。在實際應用中，為保證在任意負載條件下均能維持穩壓，則要根據負載的改變而調整變阻器以增加或減少勵磁電流，這種發電機除特殊需要外較少使用。
自激式直流發電機
自激式直流發電機的激磁電流則是由發電機本身提供。根據內部激磁繞組的接線情況和電樞連接方法的不同又分為“串激式”“并激式”和“復激式”三種。
串激式發電機：一種由磁極線圈和銜鐵線圈相互串聯組成的發電機，它的特點是當負荷發生改變時，電壓極不穩定，無負荷時，兩端的電壓為零，隨著負荷的增大，電壓、電流都在增大，當負載增大到某一極限時，由于消磁的影響，端部電壓快速降低，僅在負荷恒定的場合使用。
并激式發電機：一種由磁極線圈和銜鐵線圈相互并聯的發電機，它具有相對穩定的性能，無負載時端電壓最高，負載增大，發電機末端的電壓逐步下降，當電壓降低到某一水平時，由于并激勵線圈的電流降低，使得電壓的降低速度快于負載電流的增大，從而使負載電流進一步降低。
復激式發電機：同時具有“串激式”和“并激式”結構特點的發電機，在負載增大的情況下，串聯磁場中的電流會增大，從而提高了發電機的磁通量，適當減少消磁影響，有平復激發電機和過復激發電機兩種。在負載方面，復激式發電機的輸出電壓是最穩定的，因而是目前使用最多的直流發電機。
應用領域
汽車領域
直流電機具有優異的性能，能實現更高的能效和性價比，其中無刷直流電機被整合至汽車的執行元件中，如散熱風扇、暖通空調、刮水器、燃油泵和混合動力系統等部件里。由于它高效、低噪、免維護、高可靠等種種優勢，直流電機在汽車領域得到了廣泛應用。
航空航天領域
直流電機由于其優良的性能，在高科技領域航空航天等領域得到了廣泛的運用，并為解決相關技術難題提供了有力的支持。比如，高精度的離心機組，需要大的驅動動力和轉速穩定性；物理仿真設備對電機的輸出功率和響應速度都有很高的要求；陀螺儀需要電機轉速高、角動量大，直流電機都能很好地達到預定的工作指標，實現其他電機無法達到的效果，極大地改進了被驅動系統的性能。
其他領域
直流伺服電動機能把輸入的電壓信號轉化為角位移或角速度輸出，這是一種常用的驅動裝置，當有控制電壓時，它會使轉子立刻轉動，當沒有控制電壓的時候，它就會立刻停止轉動，可應用于機械領域的電火花加工系統中。而直流測速電機由于其具有大的轉軸傾角特性，在測量和速度方面不存在任何的相位差。除了是速度測量單元之外，它還是一種用于分析設備中的差分或積分式的計算單元，也可以在系統中作為阻尼元件產生電壓信號以提高系統的穩定性和精度。
參考資料 >