導讀在我們的日常生活中，我們會遇到各種將電能轉化為機械能的電池供電的小電器，例如吹風機、玩具車、微型風扇、修剪器等。負責此操作的電氣組件是這些小工具內的直流(D....

在我們的日常生活中，我們會遇到各種將電能轉化為機械能的電池供電的小電器，例如吹風機、玩具車、微型風扇、修剪器等。負責此操作的電氣組件是這些小工具內的直流 (DC) 電機。直流電動機是一種利用直流電工作并將其轉換為機械功的裝置。發明直流電機的官方功勞歸功于美國鐵匠 Thomas Davenport；然而，包括威廉·斯特金和弗蘭克·朱利安·斯普拉格在內的其他幾位科學家也為直流電機的開發做出了貢獻。如今，直流電機已成為工業部門不可或缺的一部分，并用于各種應用，例如電動汽車推進、電梯、起重機和軋鋼機驅動。

直流電機的組成部分

直流電機通常看起來像一個圓柱形裝置，軸伸出它外，在施加直流電時旋轉。此操作是通過以特定方式排列以下組件來執行的。

定子

定子或鋼軛是一個圓柱形金屬外殼，直流電機的所有其他元件都放置在其中。定子的一個面包含一個從中伸出的垂直軸，而另一個面則有兩個端子，直流電源連接到該端子。

磁鐵

直流電機的定子內部安裝有兩個固定的永磁體。它們通過在它們之間建立水平磁場來充當磁鐵的北極和南極。

銜鐵

在電氣工程中，電樞一詞是指在電磁力作用下旋轉線圈的結構。在直流電機中，電樞由放置在兩個磁鐵之間的轉子組成。轉子是由導電場線圈纏繞的疊片盤結構。伸出電機的軸沿著電樞的軸線穿過并隨之旋轉。

勵磁線圈

直流電機中的勵磁線圈或勵磁繞組是一個銅線線圈，它取代了固定在定子內壁上的永磁體。當來自電池的直流電通過該線圈時，它會形成一個可以控制極性的電磁體，從而建立所需的磁場。

換向器

換向器是一個空心圓柱體，在許多點上分段，以反轉直流電機內部電磁電樞線圈的極性。在直流電源上工作是電機的關鍵部分。它位于圍繞軸的電樞末端。電樞線圈的末端連接到換向器，而除電刷外的所有其他部件與其電隔離。

畫筆

直流電機中的電刷是將靜態端子連接到電機旋轉部件的組件。它們通常由碳石墨制成，因為它是一種很好的電導體并且具有出色的潤滑性能。換向器位于兩個電刷之間，這兩個電刷進一步連接到電機的端子，與直流電源完成電路。

直流電機的工作原理

直流電機的工作原理是，每當將載流導體放置在磁場中時，它都會受到磁場力，其方向由弗萊明左手定則給出。換句話說，直流電機由于永磁體的磁場與載流電磁體的磁場相互作用而旋轉。

弗萊明左手定則

弗萊明的左手定則是一種助記工具，用于理解電流、外加磁場和電動機中的感應力之間相互垂直的關系。如果我們將左手的食指、中指和拇指向相互垂直的方向伸出，將中指對準電流內的常規電流方向，食指對準外加磁場，則拇指給出導體所受力的方向。要了解這如何在直流電機內部起作用，讓我們更詳細地討論直流電機的工作原理。

直流電機的工作

要了解直流電機的工作原理，讓我們先舉一個簡單的案例，即在永磁體的北極和南極內放置一個矩形線環。當電流流過線圈時，它會在線圈周圍產生一個磁場，該磁場與永久磁鐵的預先存在的磁場相互作用，從而產生排斥力，其方向可以使用弗萊明的左手定則確定。永磁體北極附近的線段的電流方向是正向的（遠離電池的正極），這導致力向下。類似地，對于靠近永磁體南極的導線部分，電流向后流動（流向電池的負極），導致力向上。

盡管如此，單個線圈的磁力不足以克服永磁體的磁通量，最終會停止，形成平衡。電磁鐵的磁場強度通過將其纏繞在轉子的四肢上而得到增強。在直流電機中，電流通過換向器進入線圈，該換向器與連接到直流電源的電刷之一發生摩擦。當電流通過線圈時，轉子由于作用在其上的扭矩而開始旋轉。換向器的分段使電樞通過切斷電源的一些線圈并確保單向扭矩來避免平衡位置。這個循環周期性地重復，導致連接到電樞的軸旋轉。

直流電機的類型

直流 (DC) 電機在當今的工業領域無處不在，服務于各種中小型電機應用，從機器人技術到交通運輸。由于其多功能的功能，市場上有多種類型的直流電機，可根據它們的連接方式進行分類如下：

永磁直流電機

永磁直流電機是直流電機的典型例子，其中永磁體在定子內部提供橫截面磁場。一對（或多對）徑向磁化的永磁體固定在定子的內壁上，北極和南極交替面對，并在它們之間產生均勻的磁場。除了固定永磁體之外，鋼質定子的圓柱形形狀還用作磁通量的低磁阻返回通道。這些類型的直流電機的缺點是永磁體會隨著時間的推移而失去磁性；然而，在一些先進的永磁直流電機中，磁鐵與額外的勵磁線圈一起工作以補償失去的磁化。

應用

永磁直流電機通常用于那些不消耗太多功率并且不需要非常有效地控制電機速度的電氣設備中。玩具車、雨刷器、熱風機、光盤驅動器等此類電氣設備的例子很少。

他勵直流電機

勵磁直流電機包含一個電磁場線圈而不是永磁體，以在定子內部建立磁場。這些電機具有安裝在電機內部的勵磁裝置，該裝置使用電流產生磁場。在他勵直流電機中，為勵磁裝置提供電流的電路與為電樞線圈提供電流的電路具有不同的電壓源。換句話說，流過電樞線圈的電流不會流過勵磁裝置的線圈。勵磁裝置以恒定電壓工作，而電樞線圈可以具有可變電壓以調節電機的速度。此外，通過切換勵磁線圈的極性，可瞬間翻轉電機軸的旋轉方向。盡管如此，存在激勵勵磁線圈所需的額外電壓源成本的缺點。

應用

他勵直流電機常見于需要雙向旋轉和精確速度控制的電器中。它們被用于各種電器，包括卷紙機、電力推進船，甚至是電動火車的牽引控制器。

自勵直流電機

顧名思義，自勵直流電機是那些具有用于勵磁線圈和電樞線圈的公共電壓源的電機。兩個線圈都可以串聯或并聯連接，或者串聯-并聯配置的某種組合。根據它們的連接配置，自激直流電機進一步分為以下三類：

串繞自勵直流電機

在串繞自勵直流電機中，勵磁線圈在內部與電樞線圈串聯。盡管串繞自激直流電機的結構與其他勵磁直流電機類似，但自激直流電機的勵磁線圈匝數相對較少，并且導線比電樞線圈粗，從而確保了低電阻。因此，這種情況下產生的電磁轉矩遠高于平時，從而導致電機速度更快。盡管如此，串繞自激電機的速度控制并不像其他勵磁電機那樣令人印象深刻。

應用

由于速度快，串勵自激電機通常用作起重機和升降機等重型工?業設備的啟動電機。此外，串聯電動機通常只使用很短的時間，例如幾秒鐘，因為高串聯電流會燒毀串聯勵磁線圈，使電動機無用。

并聯自勵直流電機

在并聯自勵直流電機中，勵磁線圈與電機的電樞線圈并聯，從而產生相似的電壓，但兩個線圈的電流量和流量不同。與直流電機的電樞繞組相比，勵磁繞組的匝數要高得多，以增加凈磁通連通性，而導體直徑更小，以增加電阻（較低的電流）。當負載施加到轉子端子的軸上時，這使并聯自激直流電機具有獨特的自我調節速度的能力。換句話說，當電機從空載切換到負載時，電機的速度不會有明顯波動。

應用

并聯自勵直流電機常見于以恒定速度運行的電器中。在需要精確速度控制的地方，例如磨床、印刷機、車床等，它們的自調節速度能力派上用場。但是，必須限制電機啟動期間的負載，因為它不能產生高啟動扭矩。

復繞自勵直流電機

復繞自勵直流電動機又稱直流復合電動機，是串聯和并勵電動機的組合。在直流復合電機中，勵磁線圈以串聯和并聯配置連接到電樞線圈。這種結構組合的目標是獲得兩種類型的最佳品質。并聯電機具有非常有效的速度調節，而串聯電機具有非常高的啟動扭矩。因此，就這些特性而言，復合直流電機是一種極好的折衷方案。兩個勵磁線圈協同工作以提供所需的磁通量和所需的旋轉速度。根據勵磁線圈與電樞線圈的連接方式，復合繞線直流電機可進一步分為兩種基本類型：

• 長并聯復合繞線直流電機是并聯繞組勵磁線圈通過電樞和勵磁線圈的串聯組合并聯連接的電機。
• 短并聯復合繞線直流電動機是電流首先通過串聯繞組勵磁線圈，然后分流成并聯勵磁繞組和電樞線圈的并聯電動機 。

此外，直流復合電機還可以根據勵磁和復合特性分為另外兩類：

• 累積復合：在累積復合直流電機中，并聯勵磁線圈產生的并聯勵磁通量增強了串聯勵磁線圈產生的主勵磁通量的效果。換句話說，并聯線圈繞組產生的磁通與串聯線圈繞組產生的磁通相加得到總磁通。
• 差動復合：如果并聯勵磁磁通減少了主串聯繞組的影響，則電機被稱為差動復合。發生這種情況是因為并繞勵磁線圈和串聯勵磁線圈的極性相反。因為在這種情況下產生的凈通量低于原始通量，這種配置不太可能有任何實際用途。

應用

與并勵自勵直流電機一樣，復合直流電機也經常出現在需要快速恒速運行的設備中。它們效用的主要區別在于直流復合電機可以運行，而與軸上的負載無關。換句話說，在直流復合電機的情況下，負載不是很重要。復合繞線直流電機的常見應用可以在自動扶梯、電梯、沖壓機、軋機、往復機等機器中看到。