直流電機(jī)（Direct   Current   machine）它是一種能將DC能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或機(jī)械能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電機(jī)，分別稱為DC電機(jī)和DC發(fā)電機(jī)其基本工作原理遵循電磁感應(yīng)定律，主要包括定子和轉(zhuǎn)子。定子的主要作用是在繞組旋轉(zhuǎn)的位置提供磁場，而轉(zhuǎn)子的核心是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢。根據(jù)不同的分類方法，DC電機(jī)按能量轉(zhuǎn)換性質(zhì)可分為DC電機(jī)和DC發(fā)電機(jī)，其中DC電機(jī)可分為無刷DC電機(jī)和有刷DC電機(jī)，DC發(fā)電機(jī)可分為永磁DC發(fā)電機(jī)和電磁直流發(fā)電機(jī)。DC電機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)勢使其廣泛應(yīng)用于汽車航空航天等領(lǐng)域。

DC電機(jī)是根據(jù)兩個(gè)基本原理制造的，即導(dǎo)體切割磁感應(yīng)線會(huì)引起電勢變化，感應(yīng)出電動(dòng)勢，磁場中載流導(dǎo)體會(huì)受到電磁力的作用。因此，在結(jié)構(gòu)上，任何一種電機(jī)都包含兩個(gè)部分：一個(gè)是磁路，一個(gè)是電路。理論上任何一種電機(jī)都是電和磁的相互作用。DC電動(dòng)機(jī)是可逆的，DC電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)是一樣的如果DC發(fā)電機(jī)連接到DC電源，它可以成為一個(gè)馬達(dá)相反，如果DC電動(dòng)機(jī)由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，它也可以用作發(fā)電機(jī)。與交流電機(jī)相比，DC電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、操作維護(hù)困難，但DC電機(jī)調(diào)速性能和過載能力好，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，適用于轉(zhuǎn)速和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較高的場合。

19世紀(jì)初，對電磁學(xué)的研究已經(jīng)非常深入。1821年，英國物理學(xué)家邁克爾·法拉第（Michael   Faraday）在這些理論的指導(dǎo)下，發(fā)現(xiàn)了載流導(dǎo)體在磁場中受力的現(xiàn)象，并很快研制出了能將直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的早期電機(jī)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，法拉第在1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。根據(jù)這一基本定律，次年，法國工程師皮克西（Wiki species Hippolyte P）兄弟制造了一臺(tái)原始的手動(dòng)永磁交流和DC發(fā)電機(jī)，即現(xiàn)代DC發(fā)電機(jī)的原型，通過磁鐵和線圈之間的相互運(yùn)動(dòng)和一個(gè)換向裝置。1834年，英國倫敦的設(shè)備制造商克拉克（E.M.Clark）發(fā)明了第一臺(tái)商用DC發(fā)電機(jī)。美國發(fā)明家托馬斯·達(dá)文波特（Thomas Davenport）同年，發(fā)明了第一臺(tái)電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，并獲得了DC電動(dòng)機(jī)的專利。

從1834年到1870年，電機(jī)研究領(lǐng)域誕生了三大技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步首先，永磁體被改成了電磁線圈其次是德國科學(xué)家西門子兄弟（W.Siemens   C.W.Siemens）1866年，電池他勵(lì)發(fā)展為發(fā)電機(jī)自勵(lì)。最后，在電樞，在1870年由法國物理學(xué)家克（Gramme）引進(jìn)了環(huán)型線圈。1870~1890年是DC汽車發(fā)展的又一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期。德國工程師赫夫納·阿爾泰涅克（Hefner  Alteneck）1873年發(fā)明了鼓形線圈，大大提高了導(dǎo)線的利用率。1880年，美國發(fā)明家愛迪生（Edison）為了進(jìn)一步降低鐵芯的損耗和線圈的溫度，發(fā)明了疊片鐵芯，這種設(shè)計(jì)沿用至今。

關(guān)于電機(jī)理論，1886年，英國物理學(xué)家霍普金森兄弟（J.Hopkinson   E.Hopkinson）歐姆 1891年，DC電樞繞組理論的提出，使更科學(xué)地研究和設(shè)計(jì)電機(jī)成為可能。到19世紀(jì)90年代，DC汽車已經(jīng)具備了現(xiàn)代DC汽車的基本結(jié)構(gòu)特征。

DC電機(jī)的工作原理

DC發(fā)動(dòng)機(jī)有能力將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能它的工作原理是，在一定的環(huán)境下，受電磁力驅(qū)動(dòng)的帶電導(dǎo)體會(huì)按照電磁感應(yīng)定律在磁場環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。N、s是一對固定磁極，即定子它把外部DC電源的正極接到電刷A上，負(fù)極接到電刷B上，這樣線圈就會(huì)產(chǎn)生電流。從左手螺旋定律可以看出：由于電磁力，導(dǎo)線ab和cd產(chǎn)生的力矩是相同的。這個(gè)力矩是逆時(shí)針方向的，所以電樞會(huì)朝這個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。電樞旋轉(zhuǎn)過程中，導(dǎo)體cd向N方向運(yùn)動(dòng)，ab向S方向運(yùn)動(dòng)。用左手螺旋定律判斷力的方向仍然是逆時(shí)針方向，其大小由F=BIL給出，其中B=磁通密度，I=電流，L=導(dǎo)體在磁場中的長度。

這樣，  DC電機(jī)上的直流電使DC電機(jī)電樞繞組中的電流通過換向器和電刷以交替的方向流動(dòng)，但電樞引起的電磁場的旋轉(zhuǎn)不會(huì)改變，保證了電機(jī)以一定的角度連續(xù)旋轉(zhuǎn)。綜上所述，DC電機(jī)的工作機(jī)理是：外加電壓使其在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，在磁場中，負(fù)載導(dǎo)體會(huì)受到電磁力的作用但由于換向器的介入，電機(jī)的扭矩保持不變，從而實(shí)現(xiàn)了DC電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，將DC功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出。

DC發(fā)電機(jī)的工作原理

DC發(fā)電機(jī)能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，其原理是基于動(dòng)態(tài)感應(yīng)電動(dòng)勢理論，即在一定條件下，導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體會(huì)因?yàn)榍懈畲鸥袘?yīng)線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這就是DC發(fā)電機(jī)的電源。通過分析DC電機(jī)的電勢方程，可以得出感應(yīng)電動(dòng)勢的具體大小，并通過右手螺旋法則確定電動(dòng)勢的方向如果線圈中有一個(gè)封閉的通道，感應(yīng)電流就會(huì)在通道中流動(dòng)。和DC電機(jī)一樣，DC發(fā)電機(jī)電樞繞組中的感應(yīng)電勢也呈交流趨勢，而電刷 A、B輸出的電勢值為恒定的DC電勢，在電刷A和電刷B之間連接一個(gè)負(fù)載，使發(fā)電機(jī)能向負(fù)載提供DC功率。在不改變結(jié)構(gòu)的情況下，DC發(fā)電機(jī)可以用作DC發(fā)動(dòng)機(jī)，反之亦然。

在DC發(fā)電機(jī)內(nèi)部，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢是交流電動(dòng)勢。當(dāng)電樞完成半圈時(shí)，特定導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)方向?qū)⑾蛳路崔D(zhuǎn)，每個(gè)電樞導(dǎo)體中的電流方向?qū)⒔惶孀兓５藭r(shí)視換向器而定，當(dāng)電流反向時(shí)，電樞導(dǎo)體的連接也會(huì)反向，因此在端子處可獲得單向電流。換向器的作用是將電樞線圈中的交流電動(dòng)勢轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)的DC電動(dòng)勢。綜上所述，DC發(fā)電機(jī)的工作機(jī)理是：在原動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，DC發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，磁場被電樞上的導(dǎo)線切割，形成交變電動(dòng)勢，再由換向器整流，在電刷之間獲得DC電壓，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向DC能的轉(zhuǎn)換。

DC電機(jī)的可逆原理

從其工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)可以看出，DC電機(jī)是一種可逆電機(jī)，可以用作電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)。在其工作狀態(tài)下，帶電的繞組線在磁場中受到電磁力的驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)機(jī)器旋轉(zhuǎn)，并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；當(dāng)該裝置作為發(fā)電機(jī)使用時(shí)，外力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，接通負(fù)載后提供DC電流，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。從上面的分析可以看出，在使用的時(shí)候，電機(jī)可以起到電動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)的作用，關(guān)鍵在于外界環(huán)境的不同。如果把DC電源加到刷子上，電機(jī)就把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)DC馬達(dá)以馬達(dá)的形式運(yùn)行；如果DC電機(jī)的電樞由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械能，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為DC能，DC電動(dòng)勢被電刷牽引，以發(fā)電機(jī)的形式運(yùn)行。同一個(gè)DC電機(jī)既可以做電動(dòng)機(jī)又可以做發(fā)電機(jī)，這就是電機(jī)的可逆性。

汽車領(lǐng)域

DC電機(jī)性能優(yōu)異，可以實(shí)現(xiàn)更高的能效和性價(jià)比無刷DC電機(jī)集成在汽車的執(zhí)行部件中，如冷卻風(fēng)扇、暖通空調(diào)、刮水器、燃油泵和混合動(dòng)力系統(tǒng)。由于它高效、低噪、免維護(hù)、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，DC電機(jī)已廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。

航空航天領(lǐng)域

由于其優(yōu)異的性能，DC電機(jī)已廣泛應(yīng)用于高科技領(lǐng)域航空航天等領(lǐng)域，并為解決相關(guān)技術(shù)問題提供了強(qiáng)有力的支持。例如，高精度的離心式機(jī)組需要很大的驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性；物理模擬設(shè)備對電機(jī)的輸出功率和響應(yīng)速度要求很高；陀螺儀需要高電機(jī)速度、由于角動(dòng)量大，DC電機(jī)可以很好地達(dá)到預(yù)定的工作指標(biāo)，達(dá)到其他電機(jī)無法達(dá)到的效果，大大提高了被驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。

其他領(lǐng)域

DC伺服電機(jī)可以將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或角速度輸出，是一種常用的驅(qū)動(dòng)裝置當(dāng)有控制電壓時(shí)，它會(huì)使轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，當(dāng)沒有控制電壓時(shí)，它會(huì)立即停止旋轉(zhuǎn)，可應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域的電火花加工系統(tǒng)。但是，由于DC轉(zhuǎn)速表傾角大，在測量和速度上沒有相位差。它除了是測速單元外，還是用于分析設(shè)備的微分或積分計(jì)算單元，還可以作為阻尼元件在系統(tǒng)中產(chǎn)生電壓信號(hào)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

DC電機(jī)主要包括兩個(gè)主要部件：定子與轉(zhuǎn)子。定子的作用是向繞組旋轉(zhuǎn)的區(qū)域提供穩(wěn)定的磁場，并作為電機(jī)的機(jī)械支撐。定子包括多對具有相反極性的磁體，它們彼此面對并安裝在轉(zhuǎn)子區(qū)域中，其結(jié)構(gòu)包括框架、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等。

主磁極：它由主磁極鐵芯和位于其上的勵(lì)磁線圈組成通過向勵(lì)磁線圈輸入電流，形成主磁場和一定空間分布的氣隙磁通密度。磁路由1.0~1.5 mm厚的鋼板堆積而成，線圈由絕緣銅線纏繞而成。

換向極：用于改善整流電路的換向特性，通常安裝在兩個(gè)相鄰的主極之間，由一個(gè)鐵芯和纏繞有線圈和絕緣導(dǎo)線的繞組組成，用螺釘連接在兩個(gè)主極的中心，以產(chǎn)生附加磁場。

機(jī)座：DC汽車的外框稱為車架，由鑄鋼或厚鋼板制成。作用是為整個(gè)總成提供機(jī)械強(qiáng)度并承受磁場繞組產(chǎn)生的磁通量，同時(shí)作為磁路的一部分。

電刷裝置：電刷裝置包括固定在定子上的電刷和刷握換向器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷與換向器保持滑動(dòng)接觸，保證換向器與外部負(fù)載電路的電氣連接，其主要作用是降低DC電壓、電流引入或引出。

電桿和極靴：電極通過螺栓或焊接連接到底座上它們有磁場繞組，極靴固定在上面。極靴用于固定磁場線圈，可以在氣隙中均勻分布磁通量。

勵(lì)磁繞組：通常由銅制成，用于產(chǎn)生主磁通量磁場線圈預(yù)先纏繞并放置在每個(gè)磁極上，用于串聯(lián)連接，并且它們以這樣的方式纏繞，使得它們在通電時(shí)形成交替的北極和南極。

電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是形成電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，所以也叫電樞。包括具有槽的開槽鐵片，并且這些槽被堆疊以形成圓柱形電樞鐵芯，以減少由渦流引起的損耗、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等。

電樞鐵芯：電樞鐵芯是DC電機(jī)主磁路的一部分，它是圓柱形的，帶有均勻分布的槽以承載電樞繞組。電樞由層壓薄硅鋼片組成，以減少渦流損耗和磁滯損耗。它可以配備一個(gè)用于冷卻目的的軸向氣流的空氣導(dǎo)管，電樞用鍵固定在支架或旋轉(zhuǎn)軸上。

電樞繞組：它是能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的重要元件。一般是原銅線圈放在電樞槽內(nèi)，相互隔離，與電樞鐵芯絕緣銅線常用于小型電機(jī)，而異型繞組常用于大中型電機(jī)。電樞繞組可以用以下兩種方法之一纏繞：單疊繞組和單波繞組，單疊繞組適用于低壓、大電流DC電機(jī)。

換向器：在DC發(fā)電機(jī)中，換向器的作用是收集電樞電路產(chǎn)生的電流它像整流器一樣工作，通過線圈中 交流和DC電壓的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)。換向器包括許多孤立的換向片在DC發(fā)生器中，它的作用是將交流電勢轉(zhuǎn)換成DC電勢；在DC電機(jī)中，它的作用是將電刷發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，交流電通過一個(gè)鍵與轉(zhuǎn)軸相連。

直流電動(dòng)機(jī)

無刷直流電機(jī)

無刷DC電機(jī)是普通DC電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)、轉(zhuǎn)子換位電機(jī)的制造方法。它的轉(zhuǎn)子采用永磁體產(chǎn)生氣隙，定子則是類似永磁體的異步電機(jī)結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膿Q向，線圈可以連接到逆變器的每個(gè)功率管，形成星形或三角形。通常，轉(zhuǎn)子選擇高矯頑力、高剩磁密度的稀土金屬，如金剛石、欽鐵硼等。在磁極中，磁鐵在磁極中放置的位置，因?yàn)榉胖梦恢玫牟煌梢苑譃楸砻娲艠O、分為磁極和環(huán)形磁極三種。無刷DC電機(jī)采用半導(dǎo)體開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電子換向，用電子開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式和刷式，可靠性高、無換向火花、無機(jī)械噪音等。

有刷直流電機(jī)

有刷DC電機(jī)的兩個(gè)電刷通過絕緣底座連接到電機(jī)的后蓋上，正負(fù)電源相互連接、負(fù)極分別引入轉(zhuǎn)子的變流器，同時(shí)變流器與轉(zhuǎn)子上的繞組相連，三個(gè)線圈的極性不斷變化，它們與固定在外殼上的兩個(gè)磁體相互作用旋轉(zhuǎn)。由于換向器固定在轉(zhuǎn)子上，電刷固定在定子上，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)的刷頭與換向器之間會(huì)有持續(xù)的摩擦，從而使其具有較高的溫度和電阻。因此，雖然有刷電機(jī)效率低損耗大，但制造簡單成本低。有刷DC電機(jī)可分為兩類：永磁DC電機(jī)和電磁DC電機(jī)。

電磁直流電機(jī)

他勵(lì)直流電機(jī)：勵(lì)磁線圈和電樞繞組之間沒有連接，為勵(lì)磁線圈提供其他DC電源的DC電機(jī)稱為他勵(lì)DC電機(jī)。

并勵(lì)直流電機(jī)：并勵(lì)DC電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁線圈與電樞繞組并聯(lián)，由電動(dòng)機(jī)自身產(chǎn)生的端電壓供電在并勵(lì)DC電機(jī)中，勵(lì)磁線圈和電樞共用一個(gè)電源，其特性與其他勵(lì)磁電機(jī)相同。

串勵(lì)直流電機(jī)：串勵(lì)DC電機(jī)的勵(lì)磁線圈與電樞繞組串聯(lián)，然后接入DC電源供電。這種DC電機(jī)的勵(lì)磁電流是電樞電流。

復(fù)勵(lì)直流電機(jī)：復(fù)合勵(lì)磁DC電機(jī)有兩種勵(lì)磁線圈，即并聯(lián)勵(lì)磁和串聯(lián)勵(lì)磁。如果串聯(lián)線圈產(chǎn)生的磁場與并聯(lián)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場位置一致，則稱為乘積復(fù)合勵(lì)磁，如果兩個(gè)磁通的電勢相反，則稱為差動(dòng)復(fù)合勵(lì)磁。

永磁直流電機(jī)

永磁DC電機(jī)主要包括稀土永磁DC電機(jī)、鐵氧體永磁DC電機(jī)和鋁鎳鈷永磁DC電機(jī)。永磁DC電機(jī)也包括定子磁極、轉(zhuǎn)子、刷子、殼等定子磁極由永久磁鐵制成、鐵氧體等組成。按其結(jié)構(gòu)形式可分為圓筒型和瓦型。錄音機(jī)用的電機(jī)大部分是圓柱形磁鐵，電器和車輛用的電機(jī)大部分是以瓦形磁鐵的形式存在。

直流發(fā)電機(jī)

永磁DC發(fā)電機(jī)

永磁DC發(fā)電機(jī)，又稱磁動(dòng)機(jī)，利用永磁體產(chǎn)生磁場，輸出電壓低，效率低它只能應(yīng)用于需要較少電能的場合，如自行車車燈的發(fā)電機(jī)和磁電機(jī)電話機(jī)中的手搖發(fā)電機(jī)。

電磁DC發(fā)電機(jī)

電磁DC發(fā)電機(jī)是由流入磁場的繞組電流激發(fā)，從而產(chǎn)生磁場。根據(jù)磁極勵(lì)磁方式的不同，電磁分為“他激式”和“自激式”兩類。

他激DC發(fā)電機(jī)

他勵(lì)DC發(fā)電機(jī)是一種磁極繞組和電樞繞組互不相連的發(fā)電機(jī)。勵(lì)磁電流由諸如電池或其他發(fā)電機(jī)的附加DC電源提供給磁極上的勵(lì)磁線圈，從而產(chǎn)生磁場。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證在任何負(fù)載條件下都能維持電壓，需要根據(jù)負(fù)載的變化來調(diào)節(jié)變阻器，以增大或減小勵(lì)磁電流除特殊需要外，這種發(fā)電機(jī)很少使用。

自激DC發(fā)電機(jī)

自勵(lì)磁DC發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流由發(fā)電機(jī)自身提供。根據(jù)內(nèi)部勵(lì)磁繞組的接線情況和電樞連接方式的不同，分為“串激式”并激式”和“復(fù)激式”三種。

串激式發(fā)電機(jī)：由一個(gè)磁極線圈和一個(gè)電樞線圈串聯(lián)而成的發(fā)電機(jī)，其特點(diǎn)是負(fù)載變化時(shí)，電壓極不穩(wěn)定，空載時(shí)，兩端電壓為零，隨著負(fù)載的增加，電壓升高、電流在增加當(dāng)負(fù)載增加到一定限度時(shí)，由于消磁的影響，端電壓迅速下降，只有在負(fù)載不變時(shí)才使用。

并激式發(fā)電機(jī)：磁極線圈和電樞線圈相互并聯(lián)的發(fā)電機(jī)具有相對穩(wěn)定的性能空載時(shí)，機(jī)端電壓最高，負(fù)載增加，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓逐漸降低當(dāng)電壓下降到一定水平時(shí)，電壓下降的速度快于負(fù)載電流，從而進(jìn)一步降低負(fù)載電流。

復(fù)激式發(fā)電機(jī)：同時(shí)具有“串激式”和“并激式”具有結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的發(fā)電機(jī)在負(fù)載增大時(shí)會(huì)增大串聯(lián)磁場中的電流，從而提高發(fā)電機(jī)的磁通，適當(dāng)降低消磁效果發(fā)電機(jī)有兩種平滑勵(lì)磁電機(jī)和過勵(lì)磁電機(jī)。就負(fù)載而言，復(fù)合式發(fā)電機(jī)的輸出電壓最穩(wěn)定，因此是目前使用最多的DC發(fā)電機(jī)。