直流電機(jī)的簡介和應(yīng)用
什么是直流電機(jī)？
直流電機(jī)（DC）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備。直流電機(jī)通過直流電源獲取電能，進(jìn)而將此能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)通過電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，為固定在輸出軸上的轉(zhuǎn)子提供驅(qū)動(dòng)力，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的輸出扭矩和速度受到電力輸入的強(qiáng)度以及電機(jī)設(shè)計(jì)特性的共同影響。直流電機(jī)的工作原理
術(shù)語“直流電機(jī)”指那些能夠?qū)⒅绷麟娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。此類直流電機(jī)的尺寸與功率差異顯著，既可見于玩具與家用電器中的小型電機(jī)，也能在大型設(shè)備中見到其身影，如為車輛提供動(dòng)力、拉動(dòng)電梯和起重機(jī)以及驅(qū)動(dòng)軋鋼機(jī)等。那么，直流電機(jī)究竟是如何實(shí)現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)換的呢？ 直流電機(jī)主要由兩個(gè)核心部件構(gòu)成：定子與電樞。定子，作為電機(jī)的固定部分，扮演著提供穩(wěn)定磁場(chǎng)的重要角色；而電樞，則承載著旋轉(zhuǎn)的功能。在直流電機(jī)工作過程中，定子所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電樞發(fā)生相互作用，從而驅(qū)動(dòng)電樞進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種能量的轉(zhuǎn)換與傳遞，使得直流電機(jī)能夠?qū)㈦娔芨咝У剞D(zhuǎn)化為機(jī)械能。 在簡單的直流電機(jī)中，定子由一組固定磁鐵構(gòu)成，而線圈則通過電流以生成與線圈中心相對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)。電機(jī)的鐵芯上纏繞著一圈或多圈絕緣線，這樣設(shè)計(jì)能有效集中磁場(chǎng)，從而優(yōu)化電機(jī)的性能。 絕緣線的繞組與換向器相連接（即旋轉(zhuǎn)電氣開關(guān)），其作用是向繞組施加電流。通過換向器的精確調(diào)控，每個(gè)電樞線圈得以依次通電，從而生成穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)力，即扭矩。 當(dāng)線圈按照一定順序進(jìn)行開合操作時(shí)，會(huì)生成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與定子中固定磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，進(jìn)而生成扭矩，推動(dòng)電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)。直流電機(jī)正是基于這一核心工作原理，實(shí)現(xiàn)了直流電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，并廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)物體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)的歷史
這種神奇的電氣設(shè)備在諸多領(lǐng)域改變了我們的日常生活，但誰發(fā)明了直流電機(jī)呢？如同眾多重大創(chuàng)新一樣，多位先驅(qū)在電動(dòng)機(jī)相關(guān)機(jī)制的開發(fā)和完善過程中均做出了重要貢獻(xiàn)。 在美國，托馬斯•達(dá)文波特（Thomas Davenport）因其在1837年獲得電動(dòng)機(jī)專利而被譽(yù)為電動(dòng)機(jī)的發(fā)明者之一。然而，經(jīng)過深入探究歷史，我們發(fā)現(xiàn)達(dá)文波特并非電動(dòng)機(jī)的最初創(chuàng)造者。在他申請(qǐng)專利之時(shí)，歐洲的發(fā)明家們已開發(fā)出更為強(qiáng)大的電動(dòng)機(jī)版本。 1834年，莫里茨•雅可比（Moritz Jacobi）便提出了一種電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，其功率高達(dá)達(dá)文波特后來申請(qǐng)專利電機(jī)的三倍，與此同時(shí)，西布蘭德斯•斯特拉格（Sibrandus Stratingh）和克里斯托弗•貝克爾（Christopher Becker）則成為了將電動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用于操作場(chǎng)景的早期先驅(qū)，他們?cè)?835年成功地讓一輛小型模型車運(yùn)行起來。 數(shù)年后，弗蘭克•朱利安•斯普拉格（Frank Julian Sprague）于1886年成功研制出一臺(tái)實(shí)用的直流電機(jī)。這一偉大的發(fā)明迅速推動(dòng)了技術(shù)的進(jìn)步，1887年，他利用直流電機(jī)開創(chuàng)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電車系統(tǒng)；而在1892年，他又進(jìn)一步將直流電機(jī)應(yīng)用于電梯，從而誕生了電動(dòng)電梯。斯普拉格的直流電機(jī)無疑是一項(xiàng)具有里程碑意義的發(fā)明，它的出現(xiàn)引導(dǎo)了眾多創(chuàng)新應(yīng)用，為工業(yè)和制造業(yè)的革新奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。直流電機(jī)的類型
本文至此已對(duì)直流電機(jī)的工作原理、發(fā)展歷程進(jìn)行了簡單闡述。盡管各類直流電機(jī)變體在基本原理上大同小異，但實(shí)際上直流電機(jī)種類繁多，每種類型都擁有其特有的優(yōu)勢(shì)與局限。本篇文章介紹直流電機(jī)的類型主要有四種：直流無刷電機(jī)、有刷直流電機(jī)、并勵(lì)電機(jī)和串勵(lì)電機(jī)。
直流無刷電機(jī)
什么是直流無刷電機(jī)？ 直流無刷電機(jī)，亦被稱為電子換向電機(jī)或同步直流電機(jī)，是電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新，它得益于固態(tài)電子學(xué)的飛速發(fā)展，與經(jīng)典的有刷電機(jī)有著顯著區(qū)別。直流無刷電機(jī)的特點(diǎn)在于其摒棄了傳統(tǒng)的換向器設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)而采用電子伺服機(jī)構(gòu)來精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)子的角度。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅提升了電機(jī)的性能，還使其在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中表現(xiàn)出色。 傳統(tǒng)的換向器依賴稱為“電刷”的軟觸點(diǎn)進(jìn)行工作，這些觸點(diǎn)在長期使用過程中會(huì)自然磨損，從而可能影響電機(jī)的整體性能和壽命。相比之下，直流無刷電機(jī)由于沒有使用換向器和電刷，因此具有更高的耐用性和安全性。 直流無刷電機(jī)如何工作？ 電動(dòng)機(jī)的工作原理是通過交替改變轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)磁體與定子周圍的固定磁體極性來產(chǎn)生扭矩。在這些磁體組中，至少包含一組為電磁體，這些電磁體由圍繞鐵芯纏繞的線圈構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)使得電動(dòng)機(jī)能夠高效地產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。 在直流電機(jī)中，當(dāng)直流電流通過繞組時(shí)會(huì)形成一個(gè)磁場(chǎng)。隨著電樞每完成半圈（即180°）的旋轉(zhuǎn)，其磁極的北極和南極會(huì)相互交換位置。若磁場(chǎng)的強(qiáng)度保持恒定，轉(zhuǎn)子將無法持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。為確保直流電機(jī)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的單向旋轉(zhuǎn)扭矩，每當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，電流的方向就需要相應(yīng)地改變。 在傳統(tǒng)的有刷電機(jī)中，換向器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電流方向的改變。但在在直流無刷電機(jī)中，這一功能由電子傳感器和精確控制的半導(dǎo)體開關(guān)共同承擔(dān)。電子傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的角度，而半導(dǎo)體開關(guān)則在恰當(dāng)?shù)奈恢米詣?dòng)反轉(zhuǎn)電流方向或關(guān)閉電流，而確保電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中能夠持續(xù)產(chǎn)生單向扭矩。有刷直流電機(jī)
什么是有刷直流電機(jī)？ 有刷直流電機(jī)作為早期的直流電機(jī)，其設(shè)計(jì)可追溯至Sprague的開創(chuàng)性發(fā)明。這類傳統(tǒng)電機(jī)配備了換向器，能夠在每半個(gè)周期反轉(zhuǎn)電流，從而確保持續(xù)的單向扭矩輸出。盡管有刷直流電機(jī)在電力推進(jìn)、起重機(jī)、造紙機(jī)以及軋鋼機(jī)等領(lǐng)域依然占據(jù)著重要的地位，但近年來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的場(chǎng)景開始選擇更為高效的無刷電機(jī)作為其替代品。 有刷直流電機(jī)如何工作？ 有刷直流電機(jī)依賴稱為“電刷”的軟觸點(diǎn)來確保電機(jī)的穩(wěn)定單向旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，通過靈活調(diào)整工作電壓或磁場(chǎng)強(qiáng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有刷電機(jī)運(yùn)行速度的精確控制。直流電機(jī)的應(yīng)用
直流電機(jī)類型非常多，且直流電機(jī)應(yīng)用范圍非常廣泛。比如，前文已提到直流電機(jī)在不同應(yīng)用和環(huán)境中的使用情況，以及各類電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。雖然各類型電機(jī)均具備其特有優(yōu)點(diǎn)，但總體而言直流電機(jī)因功能的多樣性而備受青睞。在國內(nèi)，小型直流電機(jī)常用于工具、玩具及家用電器等領(lǐng)域；在零售行業(yè)中，直流電機(jī)則應(yīng)用于輸送機(jī)和轉(zhuǎn)盤等設(shè)備；而在工業(yè)環(huán)境中，大型直流電機(jī)更是發(fā)揮著重要作用，包括制動(dòng)和換向等關(guān)鍵應(yīng)用。 以下是直流電機(jī)更具體的用途： A、直流電機(jī)在風(fēng)扇行業(yè)的應(yīng)用 盡管傳統(tǒng)風(fēng)扇多使用交流電機(jī)，但直流電機(jī)吊扇的市場(chǎng)份額正逐漸增長。這些吊扇之所以受到越來越多人的青睞，是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)吊扇在運(yùn)行效率上相對(duì)于同類交流風(fēng)扇更為經(jīng)濟(jì)高效。正如上文所述，直流電機(jī)利用磁場(chǎng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過采用無刷電機(jī)技術(shù)，使直流電機(jī)吊扇能夠直接利用標(biāo)準(zhǔn)家用交流電進(jìn)行工作。盡管直流電機(jī)風(fēng)扇的初始投資成本可能稍高，但其能源的節(jié)省在長期使用中可以彌補(bǔ)這一差異，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)吊扇的運(yùn)行效率更高，能源消耗更低，為長久使用可為用戶帶來了更經(jīng)濟(jì)的選擇。 B、泵用直流電機(jī) 液壓泵作為一種重要的工業(yè)工具，在建筑、采礦、制造和鋼鐵等多個(gè)行業(yè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在這些應(yīng)用中，直流電機(jī)為液壓泵提供動(dòng)力支持，其易于變速控制以及在移動(dòng)時(shí)展現(xiàn)的出色的響應(yīng)使其備受歡迎。如同吊扇一樣，壓泵中的直流電機(jī)也受益于直流無刷電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，這種技術(shù)不僅降低了成本，還使得這些電機(jī)在廣泛的工業(yè)應(yīng)用范圍內(nèi)更加易于維護(hù)。 C、直流電機(jī)在玩具行業(yè)的應(yīng)用 直流電機(jī)在玩具制造中備受歡迎，無論是制造商還是愛好者都對(duì)其青睞有加，這些被稱為“玩具電機(jī)”的小型動(dòng)力裝置，在兒童玩具中扮演著不可或缺的角色，特別是在遙控汽車和模型火車等玩具中。這些小型直流電機(jī)以其易用性和堅(jiān)固性在玩具領(lǐng)域表現(xiàn)出色。同時(shí)，直流電機(jī)具備多樣化的電壓選擇，能夠靈活滿足不同速度和運(yùn)動(dòng)類型的玩具需求，也適用于配備控制器的玩具電機(jī)，為玩具提供更為豐富和精準(zhǔn)的操控體驗(yàn)。 D、直流電機(jī)在電動(dòng)汽車行業(yè)的應(yīng)用 雖然電動(dòng)汽車領(lǐng)域采用了各種不同類型的電機(jī)，但直流電機(jī)因其卓越的能源效率和耐用性而廣受歡迎。除了專業(yè)制造商外，許多愛好者和套件汽車制造商也更傾向于使用大型直流電機(jī)，這主要?dú)w因于它們出色的啟動(dòng)扭矩，特別是串聯(lián)繞線電機(jī)。此外，直流電機(jī)的運(yùn)行速度可通過電壓輸入進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，從而滿足不同的駕駛需求。 E、直流電機(jī)在機(jī)器人行業(yè)的應(yīng)用 “機(jī)器人”是一個(gè)廣泛的術(shù)語，但對(duì)于眾多愛好者和工程師而言，機(jī)器人指的是那些能完成特定任務(wù)的機(jī)電一體化設(shè)備。在這些機(jī)器人中，直流電機(jī)扮演著至關(guān)重要的角色，它們負(fù)責(zé)“驅(qū)動(dòng)”各種物體，如軌道、機(jī)械臂或相機(jī)。直流電機(jī)之所以備受青睞，原因在于其高扭矩和出色的效率，這些特性使得直流電機(jī)成為機(jī)器人技術(shù)中的優(yōu)選動(dòng)力源。簡而言之，直流電機(jī)因其易用性和高效能，在機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
F、直流電機(jī)在自行車行業(yè)的應(yīng)用 電動(dòng)自行車因其便捷性和環(huán)保性而備受青睞，尤其是當(dāng)輔助速度保持在每小時(shí)32公里數(shù)及以下速度時(shí)，無需額外的駕駛許可。為了滿足電動(dòng)自行車所需的功率和扭矩標(biāo)準(zhǔn)，直流無刷電機(jī)通常被選為驅(qū)動(dòng)核心。這些電機(jī)被精巧地設(shè)計(jì)在內(nèi)置于后輪或前輪的輪轂中，或是被安裝在自行車的中心部位，并與踏板鏈輪相連接，以此確保動(dòng)力傳輸?shù)母咝c穩(wěn)定。 
