直流电机的特点及应用

电机是目前应用最为广泛的能量转换设备，能够将其它形式的能量转换为电能，也能够将电能转换为机械能，在工业制造和民用电器领域，电机都是不可缺少的重要设备。

自从400年前，法拉第发明了第一台使用电流驱动的机械设备开始，电机就成为工业发明创造的宠儿，安迪生和特斯拉分别在直流和交流领域做出了突出贡献，推动了电能的采集和应用。

经过几代工程师的辛勤努力，电机已经发展出三大系列，即直流电机、交流异步电机和交流同步电机。从这三大类出发，又衍生出伺服电机、测速电机等专门用于精细控制的设备，为工业控制发展提供了可行性保障。

直流电机作为电机的雏形，利用通电导体在磁场中产生力的作用原理进行能量转换，当通电导体置于磁场当中，导体就会受到力的作用而产生力矩发生位移，其运动方向可以通过左手定则进行判断。

如果将导体制成闭合回路置于磁场中，并且适时改变导体内电流方向，那么这个导体环就会在磁场中旋转起来。直流电机的整流子就是实现电流变向的部件。

直流电机的能量转换具有可逆性，当导体在磁场中垂直于磁力线运动时，会在导体两端产生感应电动势，感应电动势的方向可以由右手定则进行判断。

当导体形成闭合回路时，就会在导体中产生感应电流，这就是直流发电机的基本原理。

一台直流电机在拥有励磁的情况下，可以从发电机向电动机进行转换。吸收电能便会产生转矩成为电动机，将电能转换为机械能输出，而被动旋转便会产生电流成为发电机，将机械能转换为电能输出。直流电机的这一特性也让它在很长一段历史内主导了能源和应用领域。

我们把电机分为直流电机与交流电机两类，即直流电机通过直流电机驱动;交流电机通过交流电机驱动，下面天孚微电机对这两种类型电机的结构、调速方式及特点来详细讲解。

1. 直流电机

1)有刷直流电机

①直流电机结构

转子：转子上有铜线绕组;

定子：使用永磁或电磁，励磁方式有串励、并励、他励、复励。

②启动

直流电机只要通入直流电就能转动。

③换向方式

永磁直流电机通过换向器与电刷的摩擦接触，改变定子或转子电流的方向。

④调速方式

直流电机的调速方法是所有电机中，非常简单的，通过调节转子的电压就可以调速，如需要精准调速增加编码器即可。

⑤优点与缺点

有刷直流电机在于启动转矩大，调速方便，成本低的优点，不过由于在电机的转子上装有换向器，在运转时会和电刷不断的摩擦，所以使用寿命较磁短，像一些高寿命的应用，有刷直流电机是无法满足的，大点的有刷直流电机还需要定期的维护/更换碳刷，维护工作量太大。

2)无刷直流电机

①直流电机结构

转子：永磁结构

定子：绕组、霍尔传感器

②启动

驱动器EN接地打开

③换向方式

电子换向，无刷直流电机没有电刷和换向器，通过霍尔传感器实现电子换向，这也是无刷直流电机名称的由来。

④调速控制方式

常见的是以6个MOSFET搭配成全桥电路，并以控制电路、驱动电路组合。硬件方面概况起来，主要包含以下几个版块：全桥驱动电路、霍尔反馈电路、电流采样电路等。软件实现上，可以使用方波、或者正弦波(PMSM)方式控制。

⑤优点与缺点

无刷直流电机转速高、使用寿命也极长，几乎有刷直流电机的缺点无刷直流电机都补全了，但是无刷直流电机的成本高、控制调速比较复杂，所以除非是有刷直流电机参数无法满足，一般用是的还是有刷电机。

从儿时的四驱车到四旋翼无人机，从两轮电动自行车到高速列车，从客厅的空调到厨房的抽烟机，从妈妈的吹风机到爸爸的剃须刀，似乎我们的平日所见能动的东西大多都联系一个共同的东西——电机。

直流电机加电后可以自行启动，并不需要专门的启动策略和装置。对于永磁同步、直流无刷、单相异步等电机来说启动就不是那么容易的一件事情了。

当然启动电流大的情况仍然存在，因为启动阶段电机速度较低电枢绕组的反电动势较小因此直流电机尽管可以自启动但是仍然存在启动电流冲击的问题(启动冲击电流最大可能超过额定电流的10倍)，进而造成电刷换向火花增大及对电网产生冲击。对于小功率电机(通常认为3千瓦时一个门槛)、启动并非特别频繁的情况来说这些问题并不需要特别在意。

对于功率通常情况下采用限流电阻或者降压启动的方式实现启动，但是如果是带载启动的话为了保证启动转矩电阻值需要随着电机转速提高而减小，或者电源电压随着转速提高而增加，当达到额定转速后限流电阻需要及时退出电源电压升至额定电压，这样才能够保证整个启动过程的电磁转矩。

针对直流电机调速内容较多后面会单独篇幅进行讲解，这里只需要知道:

(1)降低电源电压会使直流电机速度变慢，这就是为什么小时候四驱车新电池的情况下跑的快的原因，也就是我们常说的新电池劲大。家理电风扇调速大多也是这种方式.

(2)串电阻调速同样会使电机转速变慢，方式最为简单但是会使系统效率降低，几乎不用。

(3)对于电励磁的直流电机减小电枢绕组的磁通也可以实现直流电机(弱磁调速)，通常来讲弱磁控制会使直流电机的电机速度变快，这也就是弱磁升速说法的由来。