直流电机是什么 直流电机介绍及其工作原理

直流电机（Direct Current Machine）是一种能够实现直流电能与机械能互相转换的旋转电机。根据应用场景的不同，直流电机既可以作为直流电动机使用，将电能转换为机械能，也可以作为直流发电机使用，将机械能转换为电能。

一、直流电机的结构

直流电机主要由以下几个关键部件组成：

1. 叠成的铁心：铁心固定在转轴或转子支架上，其外圆开有电枢槽，用于嵌放电枢绕组。
2. 电枢绕组：电枢绕组是直流电机进行能量变换的关键部件，由许多线圈按一定规律连接而成。这些线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，并按上下两层嵌放在电枢槽中。线圈与铁心之间以及上下两层线圈边之间都必须妥善绝缘，槽口用槽楔固定，线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。
3. 换向器：在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变。在直流发电机中，换向器则将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。
4. 转轴：转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。

此外，直流电机还包括磁极、槽线圈、磁铁等组成部分。

二、直流电机的工作原理

直流电机的工作原理基于直流电流与磁场之间的相互作用产生力矩，从而使电机转动。以下是详细的工作过程：

1. 直流电动机的工作原理：
   • 通电过程：直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。
   • 磁场作用：电机内部存在磁场，载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力的作用，根据左手定则，电磁力f的方向垂直于电流I和磁场B所在的平面，并指向电流I与磁场B叉乘的方向。
   • 转子旋转：所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以一定的转速旋转，拖动机械负载。
   • 换向器作用：换向器与电刷配合，确保电枢线圈中的电流方向不断改变，以保持电磁转矩的方向恒定不变。
2. 直流发电机的工作原理：
   • 机械能输入：当机械能作用于直流发电机的转子时，转子开始旋转。
   • 电磁感应：旋转的转子在磁场中切割磁感线，产生感应电动势。
   • 换向器作用：感应产生的交变电动势通过换向器和电刷，转换为正、负电刷上引出的直流电动势。

三、直流电机的分类

直流电机按励磁方式可以分为以下几类：

1. 永磁直流电机：永磁直流电机的磁极由永磁材料制成，无需外部励磁电源。
2. 他励直流电机：他励直流电机的励磁绕组与电枢绕组分别由独立的电源供电。
3. 自励直流电机：自励直流电机的励磁绕组与电枢绕组有一定的电气联系，按励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同，自励直流电机又可分为并励、串励和复励三种。
   • 并励直流电机：励磁绕组与电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源。
   • 串励直流电机：励磁绕组与电枢绕组串联。
   • 复励直流电机：电机具有并励和串励两个励磁绕组。

四、直流电机的应用

直流电机因其转矩大、转速稳定、易于控制等特点，在多个领域有着广泛的应用：

1. 工业生产领域：直流电机在机床、风机、泵、印刷设备、冶金设备、化工设备、食品加工设备、纺织机械等设备中常作为动力源。
2. 交通运输领域：电动车、电动汽车、电动自行车等交通工具采用直流电机作为动力源。此外，在铁路、地铁、电车等运输工具中，直流电机也被用于控制车速、启动和制动。
3. 医疗设备领域：X光机、CT扫描仪、手术钻等医疗设备采用了直流电机，满足医疗设备对电机驱动的高要求。
4. 家用电器领域：洗衣机、冰箱、风扇、家庭电视、空调、吸尘器、电脑风扇等家用电器也广泛采用直流电机，具有高效率、低噪音和长寿命等优点。
5. 其他领域：直流电机还在电动工具、船舶、自动化系统、航空航天等领域有广泛应用。

五、总结

直流电机作为一种将直流电能与机械能互相转换的装置，在工业生产、交通运输、医疗设备、家用电器等多个领域发挥着重要作用。其工作原理基于直流电流与磁场之间的相互作用产生力矩，通过电枢绕组、换向器、转轴等关键部件实现能量的转换和传递。随着技术的不断发展，直流电机将在更多领域展现出其独特的优势和广泛的应用前景。