直流電機
直流電機（Direct Current machine）它是一種能將DC能轉化為機械能或機械能轉化為機械能的電機，分別稱為DC電機和DC發電機其基本工作原理遵循電磁感應定律，主要包括定子和轉子。定子的主要作用是在繞組旋轉的位置提供磁場，而轉子的核心是產生電磁轉矩和感應電動勢。根據不同的分類方法，DC電機按能量轉換性質可分為DC電機和DC發電機，其中DC電機可分為無刷DC電機和有刷DC電機，DC發電機可分為永磁DC發電機和電磁直流發電機。DC電機的特點和優勢使其廣泛應用于汽車航空航天等領域。
基本介紹
DC電機是根據兩個基本原理制造的，即導體切割磁感應線會引起電勢變化，感應出電動勢，磁場中載流導體會受到電磁力的作用。因此，在結構上，任何一種電機都包含兩個部分：一個是磁路，一個是電路。理論上任何一種電機都是電和磁的相互作用。DC電動機是可逆的，DC電動機和發電機的結構是一樣的如果DC發電機連接到DC電源，它可以成為一個馬達相反，如果DC電動機由原動機驅動，它也可以用作發電機。與交流電機相比，DC電機結構復雜、造價高、操作維護困難，但DC電機調速性能和過載能力好，起動轉矩大，適用于轉速和起動轉矩較高的場合。
發展簡史
19世紀初，對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，并很快研制出了能將直流電能轉化為機械能的早期電機。經過多次實驗，法拉第在1831年發現了電磁感應定律。根據這一基本定律，次年，法國工程師皮克西（Wiki species Hippolyte P）兄弟制造了一臺原始的手動永磁交流和DC發電機，即現代DC發電機的原型，通過磁鐵和線圈之間的相互運動和一個換向裝置。1834年，英國倫敦的設備制造商克拉克（E.M.Clark）發明了第一臺商用DC發電機。美國發明家托馬斯·達文波特（Thomas Davenport）同年，發明了第一臺電池驅動的電動機，并獲得了DC電動機的專利。
從1834年到1870年，電機研究領域誕生了三大技術創新和進步首先，永磁體被改成了電磁線圈其次是德國科學家西門子兄弟（W.Siemens C.W.Siemens）1866年，電池他勵發展為發電機自勵。最后，在電樞，在1870年由法國物理學家克（Gramme）引進了環型線圈。1870~1890年是DC汽車發展的又一個關鍵時期。德國工程師赫夫納·阿爾泰涅克（Hefner Alteneck）1873年發明了鼓形線圈，大大提高了導線的利用率。1880年，美國發明家愛迪生（Edison）為了進一步降低鐵芯的損耗和線圈的溫度，發明了疊片鐵芯，這種設計沿用至今。
關于電機理論，1886年，英國物理學家霍普金森兄弟（J.Hopkinson E.Hopkinson）歐姆 1891年，DC電樞繞組理論的提出，使更科學地研究和設計電機成為可能。到19世紀90年代，DC汽車已經具備了現代DC汽車的基本結構特征。
工作原理
DC電機的工作原理
DC發動機有能力將電能轉化為機械能它的工作原理是，在一定的環境下，受電磁力驅動的帶電導體會按照電磁感應定律在磁場環境中運動。N、s是一對固定磁極，即定子它把外部DC電源的正極接到電刷A上，負極接到電刷B上，這樣線圈就會產生電流。從左手螺旋定律可以看出：由于電磁力，導線ab和cd產生的力矩是相同的。這個力矩是逆時針方向的，所以電樞會朝這個方向旋轉。電樞旋轉過程中，導體cd向N方向運動，ab向S方向運動。用左手螺旋定律判斷力的方向仍然是逆時針方向，其大小由F=BIL給出，其中B=磁通密度，I=電流，L=導體在磁場中的長度。
這樣， DC電機上的直流電使DC電機電樞繞組中的電流通過換向器和電刷以交替的方向流動，但電樞引起的電磁場的旋轉不會改變，保證了電機以一定的角度連續旋轉。綜上所述，DC電機的工作機理是：外加電壓使其在導體中產生電流，在磁場中，負載導體會受到電磁力的作用但由于換向器的介入，電機的扭矩保持不變，從而實現了DC電機的連續轉動，將DC功率轉化為機械能輸出。
DC發電機的工作原理
DC發電機能將機械能轉化為電能，其原理是基于動態感應電動勢理論，即在一定條件下，導體在磁場中運動，導體會因為切割磁感應線而產生感應電動勢，這就是DC發電機的電源。通過分析DC電機的電勢方程，可以得出感應電動勢的具體大小，并通過右手螺旋法則確定電動勢的方向如果線圈中有一個封閉的通道，感應電流就會在通道中流動。和DC電機一樣，DC發電機電樞繞組中的感應電勢也呈交流趨勢，而電刷 A、B輸出的電勢值為恒定的DC電勢，在電刷A和電刷B之間連接一個負載，使發電機能向負載提供DC功率。在不改變結構的情況下，DC發電機可以用作DC發動機，反之亦然。
在DC發電機內部，線圈中產生的感應電動勢是交流電動勢。當電樞完成半圈時，特定導體的運動方向將向下反轉，每個電樞導體中的電流方向將交替變化。但此時視換向器而定，當電流反向時，電樞導體的連接也會反向，因此在端子處可獲得單向電流。換向器的作用是將電樞線圈中的交流電動勢轉化為脈動的DC電動勢。綜上所述，DC發電機的工作機理是：在原動機的帶動下，DC發電機旋轉，磁場被電樞上的導線切割，形成交變電動勢，再由換向器整流，在電刷之間獲得DC電壓，從而實現機械能向DC能的轉換。
DC電機的可逆原理
從其工作機理和結構可以看出，DC電機是一種可逆電機，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受到電磁力的驅動，產生電磁轉矩，帶動機器旋轉，并轉化為機械能；當該裝置作為發電機使用時，外力驅動轉子旋轉產生感應電動勢，接通負載后提供DC電流，將機械能轉化為電能。從上面的分析可以看出，在使用的時候，電機可以起到電動機或者發電機的作用，關鍵在于外界環境的不同。如果把DC電源加到刷子上，電機就把電能轉化為機械能，帶動機器轉動DC馬達以馬達的形式運行；如果DC電機的電樞由原動機帶動旋轉，輸入機械能，電機將機械能轉化為DC能，DC電動勢被電刷牽引，以發電機的形式運行。同一個DC電機既可以做電動機又可以做發電機，這就是電機的可逆性。
應用領域
汽車領域
DC電機性能優異，可以實現更高的能效和性價比無刷DC電機集成在汽車的執行部件中，如冷卻風扇、暖通空調、刮水器、燃油泵和混合動力系統。由于它高效、低噪、免維護、高可靠性等優點，DC電機已廣泛應用于汽車領域。
航空航天領域
由于其優異的性能，DC電機已廣泛應用于高科技領域航空航天等領域，并為解決相關技術問題提供了強有力的支持。例如，高精度的離心式機組需要很大的驅動力和轉速穩定性；物理模擬設備對電機的輸出功率和響應速度要求很高；陀螺儀需要高電機速度、由于角動量大，DC電機可以很好地達到預定的工作指標，達到其他電機無法達到的效果，大大提高了被驅動系統的性能。
其他領域
DC伺服電機可以將輸入的電壓信號轉換成角位移或角速度輸出，是一種常用的驅動裝置當有控制電壓時，它會使轉子立即旋轉，當沒有控制電壓時，它會立即停止旋轉，可應用于機械領域的電火花加工系統。但是，由于DC轉速表傾角大，在測量和速度上沒有相位差。它除了是測速單元外，還是用于分析設備的微分或積分計算單元，還可以作為阻尼元件在系統中產生電壓信號，提高系統的穩定性和精度。
組成結構
DC電機主要包括兩個主要部件：定子與轉子。定子的作用是向繞組旋轉的區域提供穩定的磁場，并作為電機的機械支撐。定子包括多對具有相反極性的磁體，它們彼此面對并安裝在轉子區域中，其結構包括框架、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等。
主磁極：它由主磁極鐵芯和位于其上的勵磁線圈組成通過向勵磁線圈輸入電流，形成主磁場和一定空間分布的氣隙磁通密度。磁路由1.0~1.5 mm厚的鋼板堆積而成，線圈由絕緣銅線纏繞而成。
換向極：用于改善整流電路的換向特性，通常安裝在兩個相鄰的主極之間，由一個鐵芯和纏繞有線圈和絕緣導線的繞組組成，用螺釘連接在兩個主極的中心，以產生附加磁場。
機座：DC汽車的外框稱為車架，由鑄鋼或厚鋼板制成。作用是為整個總成提供機械強度并承受磁場繞組產生的磁通量，同時作為磁路的一部分。
電刷裝置：電刷裝置包括固定在定子上的電刷和刷握換向器轉動時，電刷與換向器保持滑動接觸，保證換向器與外部負載電路的電氣連接，其主要作用是降低DC電壓、電流引入或引出。
電桿和極靴：電極通過螺栓或焊接連接到底座上它們有磁場繞組，極靴固定在上面。極靴用于固定磁場線圈，可以在氣隙中均勻分布磁通量。
勵磁繞組：通常由銅制成，用于產生主磁通量磁場線圈預先纏繞并放置在每個磁極上，用于串聯連接，并且它們以這樣的方式纏繞，使得它們在通電時形成交替的北極和南極。
電機的旋轉部分稱為轉子，其主要作用是形成電磁轉矩和感應電動勢，實現能量轉換，所以也叫電樞。包括具有槽的開槽鐵片，并且這些槽被堆疊以形成圓柱形電樞鐵芯，以減少由渦流引起的損耗、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等。
電樞鐵芯：電樞鐵芯是DC電機主磁路的一部分，它是圓柱形的，帶有均勻分布的槽以承載電樞繞組。電樞由層壓薄硅鋼片組成，以減少渦流損耗和磁滯損耗。它可以配備一個用于冷卻目的的軸向氣流的空氣導管，電樞用鍵固定在支架或旋轉軸上。
電樞繞組：它是能產生電磁轉矩和感應電動勢，進而實現機械能轉化為電能的重要元件。一般是原銅線圈放在電樞槽內，相互隔離，與電樞鐵芯絕緣銅線常用于小型電機，而異型繞組常用于大中型電機。電樞繞組可以用以下兩種方法之一纏繞：單疊繞組和單波繞組，單疊繞組適用于低壓、大電流DC電機。
換向器：在DC發電機中，換向器的作用是收集電樞電路產生的電流它像整流器一樣工作，通過線圈中 交流和DC電壓的轉換來實現。換向器包括許多孤立的換向片在DC發生器中，它的作用是將交流電勢轉換成DC電勢；在DC電機中，它的作用是將電刷發出的直流電轉換成交流電，交流電通過一個鍵與轉軸相連。
主要分類
直流電動機
無刷直流電機
無刷DC電機是普通DC電機的標準、轉子換位電機的制造方法。它的轉子采用永磁體產生氣隙，定子則是類似永磁體的異步電機結構。為了實現適當的換向，線圈可以連接到逆變器的每個功率管，形成星形或三角形。通常，轉子選擇高矯頑力、高剩磁密度的稀土金屬，如金剛石、欽鐵硼等。在磁極中，磁鐵在磁極中放置的位置，因為放置位置的不同，可以分為表面磁極、分為磁極和環形磁極三種。無刷DC電機采用半導體開關器件實現電子換向，用電子開關代替傳統的接觸式和刷式，可靠性高、無換向火花、無機械噪音等。
有刷直流電機
有刷DC電機的兩個電刷通過絕緣底座連接到電機的后蓋上，正負電源相互連接、負極分別引入轉子的變流器，同時變流器與轉子上的繞組相連，三個線圈的極性不斷變化，它們與固定在外殼上的兩個磁體相互作用旋轉。由于換向器固定在轉子上，電刷固定在定子上，電機轉動時，電機的刷頭與換向器之間會有持續的摩擦，從而使其具有較高的溫度和電阻。因此，雖然有刷電機效率低損耗大，但制造簡單成本低。有刷DC電機可分為兩類：永磁DC電機和電磁DC電機。
電磁直流電機
他勵直流電機：勵磁線圈和電樞繞組之間沒有連接，為勵磁線圈提供其他DC電源的DC電機稱為他勵DC電機。
并勵直流電機：并勵DC電動機的勵磁線圈與電樞繞組并聯，由電動機自身產生的端電壓供電在并勵DC電機中，勵磁線圈和電樞共用一個電源，其特性與其他勵磁電機相同。
串勵直流電機：串勵DC電機的勵磁線圈與電樞繞組串聯，然后接入DC電源供電。這種DC電機的勵磁電流是電樞電流。
復勵直流電機：復合勵磁DC電機有兩種勵磁線圈，即并聯勵磁和串聯勵磁。如果串聯線圈產生的磁場與并聯勵磁線圈產生的磁場位置一致，則稱為乘積復合勵磁，如果兩個磁通的電勢相反，則稱為差動復合勵磁。
永磁直流電機
永磁DC電機主要包括稀土永磁DC電機、鐵氧體永磁DC電機和鋁鎳鈷永磁DC電機。永磁DC電機也包括定子磁極、轉子、刷子、殼等定子磁極由永久磁鐵制成、鐵氧體等組成。按其結構形式可分為圓筒型和瓦型。錄音機用的電機大部分是圓柱形磁鐵，電器和車輛用的電機大部分是以瓦形磁鐵的形式存在。
直流發電機
永磁DC發電機
永磁DC發電機，又稱磁動機，利用永磁體產生磁場，輸出電壓低，效率低它只能應用于需要較少電能的場合，如自行車車燈的發電機和磁電機電話機中的手搖發電機。
電磁DC發電機
電磁DC發電機是由流入磁場的繞組電流激發，從而產生磁場。根據磁極勵磁方式的不同，電磁分為“他激式”和“自激式”兩類。
他激DC發電機
他勵DC發電機是一種磁極繞組和電樞繞組互不相連的發電機。勵磁電流由諸如電池或其他發電機的附加DC電源提供給磁極上的勵磁線圈，從而產生磁場。在實際應用中，為了保證在任何負載條件下都能維持電壓，需要根據負載的變化來調節變阻器，以增大或減小勵磁電流除特殊需要外，這種發電機很少使用。
自激DC發電機
自勵磁DC發電機的勵磁電流由發電機自身提供。根據內部勵磁繞組的接線情況和電樞連接方式的不同，分為“串激式”并激式”和“復激式”三種。
串激式發電機：由一個磁極線圈和一個電樞線圈串聯而成的發電機，其特點是負載變化時，電壓極不穩定，空載時，兩端電壓為零，隨著負載的增加，電壓升高、電流在增加當負載增加到一定限度時，由于消磁的影響，端電壓迅速下降，只有在負載不變時才使用。
并激式發電機：磁極線圈和電樞線圈相互并聯的發電機具有相對穩定的性能空載時，機端電壓最高，負載增加，發電機機端電壓逐漸降低當電壓下降到一定水平時，電壓下降的速度快于負載電流，從而進一步降低負載電流。
復激式發電機：同時具有“串激式”和“并激式”具有結構特點的發電機在負載增大時會增大串聯磁場中的電流，從而提高發電機的磁通，適當降低消磁效果發電機有兩種平滑勵磁電機和過勵磁電機。就負載而言，復合式發電機的輸出電壓最穩定，因此是目前使用最多的DC發電機。