直流电机

直流电机（Direct Current Machine）是一种能将直流电能转换为机械能或将机械能转换为直流电能的电机，分别称之为直流电动机和直流发电机^[7]，其基本工作原理遵循电磁感应定律^[4][5][6]，主要包括定子与转子这两个主要元件。定子的主要作用是在绕组转动处供给磁场，而转子则以产生电磁转矩和感应电动势为核心^[8]。根据不同的分类方式，可以将直流电机按能量转换性质分为直流电动机和直流发电机，其中直流电动机可分为无刷直流电机和有刷直流电机^[9][10]，直流发电机可分为永磁直流发电机和电磁直流发电机^[11][12]。直流电机的特点和优越性使其在汽车和航空航天等领域得到了广泛的使用^[1][2]。

直流电机是根据两个基本原理生产制造的，即导体切割磁感线会引起电位变化产生感应电动势以及在磁场中的载流导体将受到电磁力的影响。所以，在构造上，任何一种电机都包含了两个部件：一是磁路，二是电路。理论上，任何一种电机都是电与磁之间的交互作用。直流电机具有可逆性，直流电动机和发电机的结构相同，将直流发电机接上直流电源，就可以成为电动机，反之，将直流电动机用原动机带动旋转，亦可以作为发电机使用^[7]。与交流电机比较，直流电机结构复杂、造价高、运行和维修难度大，但是，直流电机具有良好的调速性能和过载能力，启动转矩大，适用于高转速和启动转矩的场合^[13]。

在19世纪早期，关于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，并迅速地研制出了一种能够将直流电能转化为机械能的早期电机。经过许多的试验，法拉第于1831年发现了电磁感应定律^[14]。根据该基础法则，次年，法国工程师皮克西（Hippolyte Pixii）兄弟通过磁体和线圈之间的相互移动以及一个换向装置，制造出了一种原始的手动永磁体交流和直流发电机，即现代直流发电机的原型。1834年，英国伦敦的设备生产商克拉克（E.M.Clark）发明了首个商业型的直流发电机。美国发明家托马斯·达文波特（Thomas Davenport）在同一年发明了第一台以电池供电的电机，并获得了该直流电机的专利权^[15]。

1834至1870年间，三个主要的技术创新与进步在电机研究领域中诞生，首先，从永磁体转变成了采用电磁线圈，其次，德国科学家西门子兄弟（W.Siemens & C.W.Siemens）在1866年将蓄电池他励发展到了发电机自励。最后，在电枢方面，1870年由法国物理学家格拉姆（Gramme）引进了环型线圈。1870~1890年是又一个直流电机发展的关键时期。德国工程师海夫纳·阿尔泰涅克（Hefner Alteneck）于1873年发明了鼓形线圈，从而使导线的利用率得到了极大的改善。1880年，美国发明家爱迪生（Edison）发明了一种叠层铁芯，以进一步减小磁芯损失和降低线圈温度，这种设计至今仍被使用^[14][15]。

关于电机的理论，1886年英国物理学家霍普金森兄弟（J.Hopkinson & E.Hopkinson）创立了欧姆定律，1891年，直流电枢绕组理论被提出，从而使得对电机可以进行更加科学的研究和设计。到了到十九世纪九十年代，此时的直流电机已具有了现代直流电机的基本构造特征^[14]。

直流电动机具有把电能转化为机械能的能力，它的工作原理是根据电磁感应定律，在特定的情况下，被电磁力驱动的通电导体会在磁场环境下移动。N、S是一对固定的磁极，也就是定子，它把外部直流电源的正极附于电刷A上，而把负极附于电刷B上，这样，线圈就会产生电流。从左手螺旋定律中可以看出：由于电磁力的作用，导线ab和cd产生的扭矩是相同的。这个力矩是逆时针的，所以电枢就会沿着该方向转动^[4]。在电枢转动的过程中，导线cd向N方向移动，而ab向S方向移动。用左手螺旋定律来判定作用力的方向，仍然是逆时针的，其大小由F=BIL给出，式中，B=磁通密度，I=电流，L=磁场内导体的长度^[5][6]。

这样， 直流电动机上的直流电就通过换向器和电刷来使得直流电动机的电枢绕组中的电流在交变的方向上流动，但是由电枢所引起的电磁场的转动是不会改变的，这保证了电机在一定的角度上持续地转动。综上，直流电动机的工作机理是：通过外部施加的电压使其在导线内产生电流，而在磁场中，负载导线会受到电磁力的影响，但因换向器的干预，确保了电机的转矩保持恒定，从而实现了直流电机的持续转动，将直流电力转化为机械能量输出^[4][5][6]。

直流发电机可以将机械能转换为电能，该能源转化建立在动态感应电动势的理论基础上，即在一定条件下，导体在磁场中运动，因切割磁感线，导线就会产生感应电动势，该电动势就是直流发电机的供电电源。通过对直流电动机的电势方程进行分析，可以得到感应电动势的具体大小，电动势的方向可用右手螺旋定则来确定，如果在线圈中存在封闭通路时，电感电流将在通道中流动。与直流电动机相同，直流发电机电枢绕组内的电感电位也呈交流的趋势，电刷 A、B输出的电势值为恒定的直流电位，并在电刷A和电刷B间连接一个负载，使发电机能够将直流电力提供到负载。在没有结构改变的情况下，直流发电机可以作为直流电动机使用，反之亦然^[4][5][6]。

在直流发电机的内部，线圈中产生的感应电动势是交变电动势。当电枢完成半转时，特定导体的运动方向将反转为向下，每个电枢导体中的电流方向将是交替的。但此时依靠换向器的作用，当电流反向时，电枢导体的连接也会反向，因此可以在终端得到单向电流。换向器的功能是把电枢线圈内的交流电动势转化为脉动直流电动势。综上，直流发电机的工作机理是：在原动机的驱动下直流发电机旋转，由电枢上的导线切割磁场，形成交变电动势，然后由换向器整流，在电刷之间得到直流电压，从而实现了将机械能量转化为直流电能^[4][5][6]。

从其工作机理和构造上可以看出，直流电机是一种可逆的电机，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被电磁力驱动，产生电磁扭矩，带动机器旋转，使之转换为机械能；该装置在用作发电机时，通过外力带动转子转动，使其产生感应电动势，并在接通负载后提供直流电流，这样，就可以将机械能转化为电能。由上述分析可知，在使用时，电机具体能起到电动机或发电机的作用，其关键在于外部环境的不同。如果在电刷处施加直流供电，电机将电能转化成机械能，带动机器转动，直流电机以电动机的形式运转；如果用原动力牵引直流电动机的电枢转动，输入机械能，电机就会把机械能转化成直流电能，由电刷牵引出直流电动势，并以发电机的形式运转。同一直流电机既可以用作电动机，也可以用作发电机，这就是电机的可逆性^[4]。

直流电机主要包括两个主要元件：定子与转子。定子的作用就是给绕组转动的区域提供一个稳定磁场并作为电机的机械支撑。定子包括多对极性相反的磁体，它们彼此面对，被安装在转子区域内，其结构由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成^[8]。

主磁极：由主磁极铁芯和位于其上方的励磁线圈组成，通过将电流输入到励磁线圈中，形成一个主磁场和一定空间分布的气隙磁通密度。磁路由1.0~1.5毫米厚钢板堆砌而成，线圈由绝缘铜导线缠绕而形成^[8]。

换向极：用于提高整流电路的换向特性，通常是安装在两个邻近的主磁极间，由铁芯和用线圈与绝缘丝缠绕的绕组共同组成，并用螺丝连接于两个主磁极的中心，作用是产生附加磁场^[8]。

机座：直流电机的外框称为机座，由铸钢或厚钢板制成。作用是为整个组件提供了机械强度和承载磁场绕组产生的磁通量，同时作为磁路的一部分^[8]。

电刷装置：电刷装置包括电刷及电刷座，它们固定在定子上，当换向器旋转时，电刷与换向器保持滑动接触，以确保换向器和外部负载电路之间的电气连接，主要作用是将直流电压、电流引入或引出^[8]。

电杆和极靴：电杆通过螺栓或焊接连接到机座上，它们带有磁场绕组，极靴固定在上面。极靴用于固定磁场线圈，并且能均匀分布气隙中的磁通量^[8]。

励磁绕组：通常由铜制成，作用是产生主磁通，磁场线圈预先缠绕并放置在每个磁极上进行串联连接，它们的缠绕方式使其在通电时形成交替的南北极^[8]。

电机运作时旋转的部分叫做转子，主要功能是形成电磁转矩和感应电动势，以实现能量转换，因此也被称作电枢。包括带有槽的开槽铁片，这些槽堆叠形成圆柱形电枢铁芯，以减少涡流引起的损耗，其结构由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成^[8]。

电枢铁芯：电枢芯是直流电机的主磁路的一部分，形状是圆柱形的，带有均匀分布的槽以承载电枢绕组。电枢由薄层压圆硅钢片叠压构成，以减少涡流损耗和磁滞损失。它可以配备用于冷却目的的轴向气流的空气管道，电枢用键固定在支架或转轴上^[8]。

电枢绕组：它是一种能够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。一般是置于电枢凹槽内的原始铜制线圈，它们相互隔离，并与电枢芯绝缘，铜导线常用于小型电动机，成形绕组则通常用于大中型电机。电枢绕组可通过以下两种方法之一缠绕：单叠绕组和单波绕组，单叠绕组适合用于低电压、大电流的直流电机^[8]。

换向器：在直流发电机里，换向器的功能是把电枢线路产生的电流汇集到一起，它的工作方式类似于整流器，由线圈内的 交流和直流电压转换而实现的。换向器包括很多相互隔离的换向片，在直流发电机中，它的功能是把交流电位变换到直流电位；在直流电动机中，它的功能是将直流电从电刷中经过，转化成交流电，其通过键连接到转轴上^[8]。

无刷式直流电动机是对普通直流电动机的定、转子进行换位的一种电机制造方法。其转子用永磁铁产生空气间隙，而定子则是一种类似于永磁铁的异步电动机的结构。为了实现合适的换相，线圈可以连接到逆变器的各个功率管上，形成星型或三角型。转子一般选用高矫顽力、高剩磁密度的稀土金属，如衫钻、钦铁硼等。在磁极中，磁极中磁体放置的部位因其放置部位的差异，可将其分成表面式磁极、入式磁极和环形磁极三种^[9]。无刷直流电动机采用了一种半导体开关器件来实现电子换向，它以电子开关代替传统的接触式和刷式，具有可靠性高、无换向火花、无机械噪声等优点^[10]。

有刷直流电机的两个刷子由一个绝缘底座连接在电机的后罩上，把电源的正、负极分别导入到转子的转换装置中，同时，该换相装置与转子上的绕组相连，三个线圈的极性变化不停地变化，并与两个固定在壳体上的磁性体产生作用而转动起来。由于换相器是固定在转子上的，而电刷是固定在定子上的，电机旋转时，电机的刷头与换相器之间会有持续的摩擦，从而使其具有较高的温度和阻力。因此，有刷电机虽然效率很低，而且损失也很大，但它制造简单，成本也很低。有刷式直流电动机可分为两类：永磁直流电机和电磁直流电机^[9]。

他励直流电机：励磁线圈与电枢绕组之间没有任何连接关系，而用其它直流电源供给励磁线圈的直流电动机叫做它励直流电动机^[9]。

并励直流电机：并励直流电机的励磁线圈与电枢绕组并联，它是由电动机自身产生的终端电压供给励磁线圈，在并励电机中，励磁线圈与电枢共用一个功率源，其特性与他励磁电机是一样的^[9]。

串励直流电机：串励直流电动机的励磁线圈与电枢绕组串连，然后连接到直流电源以供电。这样的直流电机的励磁电流就是电枢电流^[9]。

复励直流电机：复励直流电动机有两种励磁线圈，分别为并励和串励。如果串联线圈所生成的磁场与并激励线圈所生成的磁场位置一致，称之为积复励，如果两个磁通的电位反向，则称之为差复励^[9]。

永磁直流电机主要有稀土永磁直流电机、铁氧体永磁直流电机和铝镍niè钴永磁直流电机。永磁型直流电机也包括定子磁极、转子、刷子、壳体等，定子磁极是由永久磁铁、铁氧体等组成。根据其构造形态，可以将其分成圆筒式和瓦块式两类。录音机所用的电动机大多是圆筒式磁铁，而用于电动器具和车辆的大部分电动机则是以瓦块式磁体的形式存在^[9][10]。

永磁式直流发电机，也称为磁石电机，利用永久磁石来产生磁场，输出电压较低，效率也小，只能适用于需要电能较小的场合，如常见的自行车灯用的发电机和磁石式电话里的手摇发电机^[11]。

电磁式直流发电机是借电流通入磁场的绕组来激发从而产生磁场。按照对磁极的激磁方法不同，电磁式又分为“他激式”和“自激式”两类^[11][12]。

他激式直流发电机，是磁极绕组和电枢绕组互不联接的发电机。其激励电流是通过额外的直流电源供电，例如电池或者其它的发电机，提供给磁极上的激励线圈，从而产生磁场。在实际应用中，为保证在任意负载条件下均能维持稳压，则要根据负载的改变而调整变阻器以增加或减少励磁电流，这种发电机除特殊需要外较少使用^[11][12]。

自激式直流发电机的激磁电流则是由发电机本身提供。根据内部激磁绕组的接线情况和电枢连接方法的不同又分为“串激式”“并激式”和“复激式”三种^[11][12]。

串激式发电机：一种由磁极线圈和衔铁线圈相互串联组成的发电机^[16]，它的特点是当负荷发生改变时，电压极不稳定，无负荷时，两端的电压为零，随着负荷的增大，电压、电流都在增大，当负载增大到某一极限时，由于消磁的影响，端部电压快速降低，仅在负荷恒定的场合使用^[17]。

并激式发电机：一种由磁极线圈和衔铁线圈相互并联的发电机^[16]，它具有相对稳定的性能，无负载时端电压最高，负载增大，发电机末端的电压逐步下降，当电压降低到某一水平时，由于并激励线圈的电流降低，使得电压的降低速度快于负载电流的增大，从而使负载电流进一步降低^[17]。

复激式发电机：同时具有“串激式”和“并激式”结构特点的发电机^[16]，在负载增大的情况下，串联磁场中的电流会增大，从而提高了发电机的磁通，适当减少消磁影响，有平复激发电机和过复激发电机两种。在负载方面，复激式发电机的输出电压是最稳定的，因而是目前使用最多的直流发电机^[17]。

直流电机具有优异的性能，能实现更高的能效和性价比，其中无刷直流电机被整合至汽车的执行元件中，如散热风扇、暖通空调、刮水器、燃油泵和混合动力系统等部件里。由于它高效、低噪、免维护、高可靠等种种优势，直流电机在汽车领域得到了广泛应用^[1]。

直流电机由于其优良的性能，在高科技领域航空航天等领域得到了广泛的运用，并为解决相关技术难题提供了有力的支持。比如，高精度的离心机组，需要大的驱动动力和转速稳定性；物理仿真设备对电机的输出功率和响应速度都有很高的要求；陀螺仪需要电机转速高、角动量大，直流电机都能很好地达到预定的工作指标，实现其他电机无法达到的效果，极大地改进了被驱动系统的性能^[2]。

直流伺服电动机能把输入的电压信号转化为角位移或角速度输出，这是一种常用的驱动装置，当有控制电压时，它会使转子立刻转动，当没有控制电压的时候，它就会立刻停止转动，可应用于机械领域的电火花加工系统中。而直流测速电机由于其具有大的倾角特性，在测量和速度方面不存在任何的相位差。除了是速度测量单元之外，它还是一种用于分析设备中的差分或积分式的计算单元，也可以在系统中作为阻尼元件产生电压信号以提高系统的稳定性和精度^[3]。