直流电动机类型和速度控制的方法

直流电动机是依靠直流电驱动的电动机，像交流电动机一样，直流电动机也将电能转换为机械能。它们的操作与产生电流的直流发电机相反。与交流电动机不同，直流电动机以直流电源（非正弦单向电源）运行。

直流电动机在小型电器上应用较为广泛，是电子设备中普遍使用的机器。通常，电动机部署在需要某种形式的旋转或运动控制装置的设备中，是许多电气工程项目中必不可少的组件。

一、直流电动机的组成结构

直流电动机的零件约可分为:托架/煞车片/外扇/轴承盖/弹簧销/弹簧垫圈/调整螺栓/皿型弹簧/轴承/轴承马达轴心/整流器/内六角螺丝/垫圈等零件。

可主要划分为以下4部分：

转子（机器的旋转部件；也称为“电枢”）

定子（励磁绕组或电动机的“固定”部分）

换向器（有刷或无刷，取决于电机类型）

磁场磁铁（提供使连接到转子的轴旋转的磁场）

实际上，DC电动机基于旋转电枢产生的磁场与定子或固定组件的磁场之间的相互作用进行工作。

无传感器直流无刷电机控制器

图源Kenzi Mudge

二、直流电动机的工作原理

直流电动机根据法拉第电磁原理运行，该原理指出，载流导体在磁场中时会受到作用力。根据弗莱明（Fleming）的“电动机的左手定则”，该导体的运动始终沿垂直于电流和磁场的方向。

从数学上讲，我们可以将该力表示为F=BIL（其中F是力，B是磁场，I代表电流，L是导体的长度）。

三、直流电动机的接线方式

直流电机（发电机及电动机）的自激磁系统有三种接线方式，分别是并激式、串激式和复激式。

另外，有他励式，励磁系统由独立电源供应电力。特性与并激式相同。

并激式

激磁系统及电枢并联接驳到直流电源。负载增加时，扭力增加，转速不太受影响。

串激式

串激式电动机，负载增大时，扭力增大但转速减慢。

串激式直流电动机即是通用电动机，可用于交流电。但受到电抗影响，扭力和转速会较用直流电时低。

复激式

具有并激式和串激式的特性，大起动扭力及较稳定转速。

四、直流电动机的特性

直流电动机的好处为在控速方面比较简单，只需控制电压大小即可控制转速，但此类电动机不宜在高温、易燃等环境下操作，而且由于电动机中需要以碳刷作为电流变换器的部件（有刷电动机），所以需要定期清理炭刷磨擦所产生的污物。

无碳刷之电动机称为无刷电动机，相对于有刷，无刷电动机因为少了碳刷与轴的摩擦因此较省电也比较安静。制作难度较高、价格也较高。

交流电动机则可以在高温、易燃等环境下操作，而且不用定期清理碳刷的污物，但在控速上比较困难，因为控制交流电动机转速需要控制交流电的频率（或使用感应电动机，用增加内部阻力的方式，在相同交流电的频率下降低电动机转速），控制其电压只会影响电动机的扭力。

一般工业用直流电动机之电压有DC 110V(125V)和DC 220V两种。

五、直流电动机的类型

直流电动机根据其结构分为不同的类别。最常见的类型包括有刷或无刷，永磁，串联和并联。

①、有刷和无刷电机

有刷直流电动机使用一对石墨或碳刷，用于传导或传递来自电枢的电流。这些电刷通常保持在换向器附近。直流电动机中电刷的其他有用功能包括确保无火花运行，在旋转过程中控制电流方向以及保持换向器清洁。

无刷直流电动机不包含碳刷或石墨刷。它们通常包含一个或多个围绕固定电枢旋转的永磁体。无刷直流电动机代替电刷，利用电子电路控制旋转方向和速度。

②、永磁电动机

永磁电动机由被两个相对的永磁体包围的转子组成。直流电通过时，磁铁会提供磁场通量，这会导致转子根据极性沿顺时针或逆时针方向旋转。这种电动机的主要优点是，它可以以恒定的频率以同步速度运行，从而实现最佳的速度调节。

③、绕线式直流电动机

串联电动机的定子（通常由铜条制成）绕组和励磁绕组（铜线圈）串联连接。因此，电枢电流和励磁电流相等。高电流直接从电源流入励磁绕组，励磁绕组比并联电动机中的绕组厚且更少。励磁绕组的厚度增加了电动机的负载能力，并且还产生了强大的磁场，为串联直流电动机提供了非常高的扭矩。

④、并联直流电动机

并联直流电动机的电枢和励磁绕组并联连接。由于并联，两个绕组都接受相同的电源电压，尽管它们分别被激励。与串联电动机相比，并联电动机的绕组匝数通常更多，串联电动机在运行过程中会产生强大的磁场。即使负载变化，并联电动机也可以具有出色的速度调节。但是，它们通常缺少串联电动机的高启动转矩。

微型钻中安装的电动机和速度控制电路

图源：Dilshan R.Jayakody

六、直流电动机如何速度控制？

在串联直流电动机中，可通过三种主要方法来实现速度调节：磁通控制，电压控制和电枢电阻控制。

1.助焊剂控制方法

在磁通控制方法中，变阻器（一种可变电阻器）与励磁绕组串联连接。该组件的目的是增加绕组中的串联电阻，这将减小磁通量，从而提高电动机的速度。

2.电压调整方法

可变调节方法通常用于并联直流电动机中。同样，有两种方法可以实现电压调节控制：

将并联磁场连接到固定的励磁电压，同时为电枢提供不同的电压（也称为多电压控制）

改变提供给电枢的电压（又称沃德·伦纳德方法）

3.电枢电阻控制方法

电枢电阻控制基于以下原理：电动机的速度与反电动势成正比。因此，如果电源电压和电枢电阻保持恒定值，则电动机的速度将与电枢电流成正比。