- 已发布 2024年1月19日
- 最后修改 2024年4月19日
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什么是直流电动机？直流电动机的工作原理和直流电动机类型
本指南是我们的“工业自动化中心”之一，您可以在其中了解更多有关人工智能、自动化和控制的信息。 本指南旨在提供关于直流电机*的深入信息，包括什么是直流电动机、直流电动机的工作原理、直流电动机类型、谁发明了直流电机、可用的各种类型的电机以及这些组件的众多应用。 *
什么是直流电机?
直流电机是一种将电能转化为机械能的电机。直流电机通过直流电取电，将这种能量转化为机械旋转。
直流电机利用由所生成的电流所产生的磁场，来推动固定在输出轴内的转子的运动。输出扭矩和速度取决于电气输入和电机设计。
直流电机的工作原理
“直流电机”这个术语用于指任何将直流电能转换为机械能的旋转电机。直流电机的大小和功率可以从玩具和家用电器中的小电机，到用于驱动车辆、提升机和起重机、以及驱动钢轧机等大型机械。但是直流电机是如何工作的呢？
直流电机包括两个关键组件：一个定子和一个转子。定子是电机的固定部分，而转子则旋转。在直流电机中，定子提供旋转磁场，驱动转子旋转。
简单的直流电机使用定子中的一组静态磁铁，以及通过其运行电流的线圈，来形成与线圈中心对齐的电磁场。一个或多个绝缘线绕组缠绕在电机的芯上，以集中磁场。
绝缘线的绕组连接到一个换向器（旋转电气开关），该换向器将电流施加到绕组上。换向器允许逐个激活每个转子线圈，创建稳定的旋转力（称为扭矩）。
当线圈按照顺序开关时，会产生旋转磁场，该磁场会与定子中的固定磁场发生相互作用，从而产生转矩，使其旋转。直流电动机的这些关键工作原理使其能够通过旋转运动将直流电能转换为机械能，可以用于推动物体。
谁发明了直流电动机？
这个令人惊叹的电气设备以多种方式改变了我们的生活，但是谁发明了直流电动机呢？与所有重大创新一样，许多人在类似机制的发展中都扮演了一定的角色。
在美国，托马斯·达文波特被广泛认为是第一个电动机的发明人，毫无疑问，他是首个在1837年获得可用电动机专利的人。不过，达文波特并非第一个制造电动机的人，早在达文波特申请专利之前，欧洲已经有多位发明家研制出了更强大的版本。
1834年，莫里茨·雅各比（Moritz Jacobi）展示了一台功率比达文波特后来申请专利的电动机大三倍的电动机，而西布兰达斯·斯特拉廷和克里斯托弗·贝克尔（Sibrandus Stratingh and Christopher Becker）则首次演示了电动机的实际应用，他们在1835年驱动了一辆小型模型车。
第一个实用的直流电动机在后来的1886年由弗兰克·朱利安·斯普雷格（Frank Julian Sprague）发明，他的发明导致了1887年第一个由电动机驱动的电车系统的问世，以及1892年第一台电动电梯的诞生。斯普雷格的直流电动机是一个极其重要的发展，引发了各种应用，从而改变了工业和制造业的面貌。
直流电动机类型
到目前为止，本指南广泛解释了直流电动机的工作原理、这些机构的历史以及它们的外观。虽然各种变型的原理是相同的，但实际上有几种不同类型的直流电动机，它们在彼此之间提供了特定的优势和劣势。
本指南的这一部分将介绍直流电机类型主要有四种：无刷电机、有刷电机、分流电机和串联电机。
无刷直流电机
什么是无刷直流电机？
无刷直流电机也被称为电子换向电机或同步直流电机，与有刷电机相比，它们在固态电子技术的发展下有所区别。
无刷直流电机和其他类型电机之间的关键区别在于它们没有旋转换向器，而是用电子伺服系统来检测和调整转子的角度。
无刷直流电机有几个优点。旋转换向器使用称为“刷子”的软触点，随着时间的推移会磨损。因此，无刷直流电机更耐用，也比更传统的设计更安全。
无刷直流电机如何工作？
所有电动机通过改变转子上的旋转磁铁和定子上的静止磁铁的极性来产生转矩。这些磁铁中至少有一个是电磁铁，由绕在铁芯上的线圈组成。
在直流电机中，电流通过线圈绕组产生磁场。每当电枢转动180°时，北极和南极的位置就会互换。如果极性的磁场保持不变，转子就不会转动。为了在直流电机中创造一个方向的转矩，电流的方向必须在每次180°旋转电枢时反向。
在传统的有刷电机中，这是通过旋转换向器来实现的，但在无刷直流电机中，电子传感器代替旋转换向器来检测转子的角度，控制的半导体开关要么反向电流的方向，要么在旋转的正确时间关掉电流，以创造一个方向的转矩。
有刷直流电机（Brushed DC motors）
什么是有刷直流电机？
有刷直流电机是最早的直流电机，可以追溯到斯普雷格(Sprague)的最初设计。正如我们在本指南中已经讨论过的那样，经典的有刷直流电机采用换向器，以在每个半个周期内反转电流，并产生单方向的转矩。
虽然有刷直流电机在电力推动、起重机、造纸机和钢轧机等领域仍然很受欢迎，但近年来，许多有刷直流电机已经被更高效的无刷模型取代。
有刷直流电机的工作原理是什么？
正如本指南中已经解释的那样，有刷直流电机利用称为“刷子”的软触点来确保电机只能顺时针或逆时针旋转。有刷直流电机的速度可以通过操作电压或磁场强度进行调节。
有刷直流电机有几种不同的类型，根据与电枢的连接方式而有所不同，在下面的章节中将进行讨论。
什么是并联直流电机？
并联直流电机是一种有刷直流电机的变种，其励磁绕组与电枢并联连接。并联直流电机由于并联绕组的存在，电流较低。
并联电机适用于需要恒定转矩的应用，其中负载对速度的变化不会有显著影响，例如输送带、搅拌机和起重机。
特定的励磁绕组提供了独特的分流电机特性，使其成为恒转矩应用的有效选择。许多并联直流电机具有恒定转速特性，无负载和满负载转速之间的微小差距是这种电机的主要优点。
什么是串联直流电机？
串联直流电机是本指南中涉及的有刷直流电机的最后一种类型。与并联电机相比，它们的关键区别在于励磁绕组是串联连接的。这意味着整个电枢电流通过励磁绕组，从而产生更快的转速。
由于供电电压无法调节，串联直流电机无法很好地调节转速。
虽然这对于某些应用是个问题，但它们对于需要高起动转矩的任务非常有用，如电动工具和缝纫机。
直流串联电机的特定特性提供了明确而独特的用途。Aulhaber 有刷直流齿轮电机就是串联绕组电机的优势的一个很好的例子，它具有高起动转矩，非常适合家电应用。
直流电机的应用
由于不同类型的直流电机可用，因此可以应用于各种各样的领域。前面的章节讨论了一些使用直流电机的各种应用和情况，以及不同类型电机的优势。
虽然每种类型都有其优点，但广义上讲，直流电机有各种用途。在家庭中，小型直流电机用于工具、玩具和各种家用电器。在零售业中，直流电机的应用包括输送机和转盘，而在工业环境中，大型直流电机的用途还包括制动和倒车应用等。
以下是直流电机的一些更具体的用途:
直流电机用于风扇
尽管风扇传统上使用交流电机，但越来越多的直流电机吊扇出现在市场上。这些风扇由于它们的操作方式而比AC电机更经济，因此越来越受欢迎。
正如本指南中所了解的那样，直流电机利用磁场将电能转化为机械能，通过使用无刷电机，直流电机吊扇可以从标准家用交流电力驱动。直流电机风扇真正缺点是成本，但其节能效果很容易抵消这个成本。
直流电机用于泵
液压泵是一种必不可少的工业工具，被用于几乎所有行业，包括建筑、采矿、制造和钢铁。直流电机被用于驱动这些泵，因为它们易于进行变速控制，并且移动时响应速度非常好。
与吊扇类似，直流电机泵也受益于成本更低的无刷直流电机的发展，这些电机在这样一个大型工业范畴中更容易维护。
直流电机用于玩具
直流电机被广泛用于玩具制造商和爱好者中，这些“玩具电机”通常用于儿童玩具，如遥控汽车和模型火车。小型直流电机在这种情况下很好地工作，因为它们易于使用且非常坚固。
直流电机的宽电压范围意味着它们可以用于需要不同速度和运动类型以及需要带控制器的直流电机的玩具。
电动汽车用直流电机
虽然电动汽车使用各种不同的电机类型，但直流电机用于电动汽车的广泛使用是因为它们的能源效率和耐久性。
除了专业制造商外，许多爱好者和组装车制造商都喜欢更大的直流电机，尤其是串联直流电机，因为它们具有更高的起动转矩和随电压输入变化的可调速度。
机器人用的直流电机
机器人所指的是一个广泛的概念，但对于很多爱好者和工程师来说，机器人是指为完成特定任务而设计的任何机电设备。直流电机用于机器人是为了"驱动"某些部件，例如履带、机械臂或相机，而这种电机因为其高扭矩和高效率而受到欢迎，非常适合用于机器人技术。
直流电机非常方便，因为它们具有高扭矩和高效率，非常适合机器人技术。
自行车用的直流电机
电动自行车由于不需要驾照而非常受欢迎，如果最大辅助速度低于20英里/小时。为确保所需要的功率和扭矩，电动自行车通常使用无刷直流电机。
电动自行车使用内置在后轮或前轮轴中心的紧凑型直流电动机，或安装在车辆中心并连接到踏板齿轮的中央直流电机。
