直流电机

直流电机或直流电机是一种将直流电能转换为机械能的设备。通过电流产生的能量用于驱动电机。

直流电机被认为是具有连续角旋转的最简单的电机，其应用范围从家庭到工业。例如，包括汽车中的电动车窗、机床、打印机、电动汽车、电梯等。在这里，我们将讨论直流电机的工作原理、分类和直流电机类型。

直流电机的旋转是可以控制的，这使其非常适合在不同类别中使用。大多数直流电机的工作依赖于磁场力。

让我们讨论一下直流电机是如何工作的。

直流电机的工作原理

直流电机的工作取决于接收到的电流。只要有电流流过其电路，它就会持续旋转。在这里，我们将详细讨论直流电机的工作原理。

原则

当一个导体（允许电流流动）置于磁场（表示电流的磁效应）中时，它会受到一个力矩，导致电机旋转。

直流电机的旋转方向是由一位英国电气工程师约翰·安布罗斯·弗莱明给出的。该规则称为弗莱明左手定则。根据弗莱明的规则，如果我们知道另外两个参数（电流和磁场）的方向，就可以轻松找到一个参数（力）。

组成部分

直流电机的主要组成部分是电枢、定子、电刷和换向器。

定子

定子是直流电机中静止或固定的部分。它为电枢提供磁场，该磁场集中在铁芯上。电机的定子可以是电磁体（由带绝缘线圈的铁芯制成）或永磁体。

电磁体的铁芯由铜线缠绕的线圈组成。当电流通过铁芯线圈时，会产生磁场。磁能流向电枢，产生运动。

直流电机的线圈通常是金属铁芯，可以是铝或铁。金属作为铁芯会增加磁通密度。绝缘线圈的材料通常是铜线。今天，我们也可以使用漆包线，一种铜线，但带有薄涂层。我们通常选择铜线作为绕组材料，因为它能减少损耗。

电枢

电枢是直流电机中旋转的部分。定子产生的磁场帮助电枢旋转。直流电机的电枢与定子磁体在气隙中产生的磁场相互作用。电枢定向于力、力矩、磁场和运动方向。电枢承载电流，因此它总是允许电流流动的导体。

我们可以使用金属线圈作为电枢，或者任何其他带有线圈的导体。例如，带有绝缘线圈的金属铁芯。

换向器

它被定义为直流电机中的一个电源开关，它将电流施加到电枢的绕组上。换向器是一个带有间隙的圆环，如下图所示

它会反转电枢和外部电路之间电流的方向。它以金属段的形式存在，与电枢接触。具有单个电枢线圈的直流电机在其电枢线圈的两端连接有两个换向器段。

换向器从电枢拾取电流，并在每半圈后反转电流方向。它产生力矩。直流电机还带有连接到换向器的电刷。让我们来了解一下电刷。

电刷

电刷安装在换向器的侧面。直流电机两侧各有两个电刷，它们会沿着换向器旋转滑动。

电刷由贵金属制成，例如石墨，以提高其导电性。电刷末端带有弹簧加载，以保持压力，帮助其始终与换向器保持接触。

工作方式

磁体的作用是产生流向电枢的磁场。电磁体（电枢）的作用就像一个磁性翻盖。换向器连接到电枢，电枢是一个带有两侧间隙的圆环。电刷通过导线连接到电池，完成电路，如下图所示。

电流由电池产生，通过导线流向电刷。电刷将电流传递给换向器环，然后传递给电枢。另一侧也是如此。现在，当电枢旋转时，电磁体就会旋转。电枢从定子接收能量并旋转。它将继续旋转，直到相对的极对齐。换向器将随着电枢一起旋转。连接在换向器侧面的两个电刷也将旋转。如下图所示

完成半圈旋转后，电刷将切换到换向器环的另一侧。由于有两个电刷，它会在两侧都发生。在电刷切换侧面后，电流会反转方向。这将导致电磁体切换极性，从而使电枢继续旋转。

这次，换向器将继续自行旋转。只要连接完整并连接到电池，它就会继续旋转。当我们断开电池连接时，旋转就会停止。

单个电磁体可能会导致速度不均匀。我们也可以在电枢中添加另一个导体线圈。这将导致添加另外两个换向器段。这意味着对于两个线圈；将有四个换向器段。一些直流电机在电枢中装有多个导电线圈。这确保了电机中连续的旋转运动。

直流电机分类

直流电机有四种分类，列出如下

• 永磁式直流电机
• 有刷直流电机
• 无刷直流电机
• 无换向器直流电机

让我们详细讨论以上直流电机分类。

永磁式直流电机

永磁式直流电机与其他类型的直流电机工作原理相同。它使用永磁体作为定子，而不是电磁体。这意味着这类电机结构包含定子（永磁体）、电枢、电刷和换向器。

永磁体负责提供磁场，电枢与之相互作用产生力矩。永磁式直流电机由于磁场固定，不能用于调速。它通常用于消除励磁绕组的功率消耗。优选高能永磁体以减小电机重量和尺寸。

有刷电机

有刷电机的结构与无刷电机相似，只是增加了电刷。有刷直流电机初始成本低，易于控制电机速度。让我们详细讨论有刷电机的工作原理。

它包括定子、电枢、电刷和换向器。定子是电机的固定部分，而电枢是旋转部分。

电枢通常是旋转电磁体。电刷安装在换向器的一侧。直流有刷电机两侧各有两个电刷。

无刷电机

无刷电机与有刷电机相同，只是没有电刷。它还包括定子、电枢和换向器三个基本部件。与有刷电机相比，无刷电机的设计更简单。

工作方式

定子是电机中固定的部分，可以是电磁体或永磁体。电磁体由带有铜线绕组的金属铁芯组成。当电流通过线圈时，它会产生磁场。可以通过调节电流或开关电路的通断来控制电磁体的磁性。

这两个磁体的作用是产生流向电枢的磁场。电枢可以是导电线圈或绕有线圈的线圈。换向器连接到电枢。电枢的末端连接到完成电路的导线上。一旦电流通过电机，电枢就开始旋转。换向器也随着电枢的旋转而旋转。没有换向器，手动旋转电枢会变得困难。

让我们在下表中讨论一下有刷电机和无刷电机之间的一些区别。

无换向器直流电机

无换向器式直流电机不需要任何计算。它进一步分为同极电机和滚珠轴承电机。

同极（Homopolar）表示极性恒定，无需换向器即可工作。这意味着线圈只旋转一次。因此，这类电机在实际应用中并不使用。

滚珠轴承电机由两个滚珠轴承组成，带有内外圈，安装在导电轴和电源上。电源具有高电流和低电压。这类电机的内外圈也可以安装在非导电轴和内金属管上。作为飞轮的管子是滚珠轴承电机的主要优点。

直流电机类型

直流电机有三种类型，列出如下

• 串联直流电机
• 并联直流电机
• 复式直流电机

电机类型决定了定子与电枢或转子的连接方式。让我们详细讨论以上直流电机类型及其特性。

串联直流电机

在串联直流电机中，励磁绕组和转子是串联连接的。

铜线（绝缘线）的匝数较少，可以轻松地将满载电流输送到直流电机。因此，串联电机的绕组电阻很低。

由于电阻低，启动时的电流产生高力矩。因此，直流串联电机通常因其高启动力矩能力而受到推荐。例如，起重机用于抓取重物。

串联直流电机的示意图如下所示

根据上述图应用基尔霍夫电流定律（KCL），我们得到

I=I_a=I_f

其中，

I_a是电枢电流

I_f是励磁电流

I 是输入电流

应用基尔霍夫电压定律（KVL）

V=E+I(R_a+R_f)

其中，

R_a是电枢电阻

R_f是励磁电阻

并联直流电机

在并联直流电机中，励磁绕组和转子是并联连接的，如下图所示

装有许多匝铜线（绝缘线），为电机提供恒定的电流。并联直流电机的启动性能不如串联直流电机。因此，它适用于恒速运行。

让我们开始介绍其特性。

根据上述图应用基尔霍夫电流定律（KCL），我们得到

I=I_a+I_f

应用KVL得到励磁绕组的方程

V=I_f R_f

应用KVL得到电枢绕组的方程

V=E+I_a R_a

复式直流电机

在复式直流电机中，电机的励磁绕组是并联连接的，但装有少数几匝铜线。

复式直流电机的特性是通过结合串联和并联直流电机的特性获得的。复式直流电机的串联和并联励磁绕组与电枢串联并联连接，如下图所示

直流电机的优点

直流电机的优点列出如下

• 良好的速度控制
  我们可以通过改变
  • 电压
  • 励磁绕组的电流
  • 电枢电阻
• 极少的维护
  电刷是易损件，可以轻松更换。因此，直流电机所需的维护极少。
• 高启动力矩
  直流电机通常用于驱动重载，因为其启动力矩高。但它只能持续很短的时间。这是因为长时间的高力矩会损坏线圈。每当我们增加直流电机的电压时，它就会增加励磁电流和电枢电流，从而使电机在启动时产生高力矩。
• 快速启动，高可靠性，无谐波
  设备中的谐波可能导致电能质量问题。直流电机通常没有此类谐波。它还具有高可靠性。高启动力矩为直流电机提供了快速加速。

直流电机与交流电机

我们已经讨论了直流电机的优点和缺点。但是，在与交流电机相比时，我们可能感到困惑。

交流电机和直流电机通过将电能转换为机械能来工作。但是，这两种电机的构造和电源是不同的。

所以，让我们来讨论一下直流电机和交流电机之间的一些区别。