直流电动机

概念定义

直流电动机（DC motor）是以直流电驱动、把直流电能转换为机械能的电动机。其核心作用是让载流线圈产生的电磁场与定子磁场相互作用，在转轴上形成转矩。为了让转矩持续推动转子朝同一方向旋转，电动机需要按照转子位置周期性改变绕组中的电流方向；有刷机型通过机械换向器完成换向，无刷机型则由电子控制器切换电流。

工作原理

线圈通电后会产生磁场，其方向和强度随电流方向、大小及绕制方式变化。电枢磁场与定子永久磁铁或励磁绕组形成的磁场相互作用，使转子受到转矩而旋转。控制系统依次接通和断开不同绕组，可形成持续变化的有效磁场，使转子连续运转。

直流电动机的转速可通过改变电枢电压或调整磁场强度进行控制。现代控制系统也会以固定周期快速开关直流电流，通过斩波方式调节等效电压。若外部机械系统反向带动电动机，电动机可作为发电机运行；在电动车辆或轨道车辆中，这一特性可用于再生制动，把电能送回电池或直流电源，也可将电能消耗在电阻上实现减速。

技术构成

典型有刷直流电动机由定子和转子组成。定子部分可包括机座、永久磁铁或主磁极、换向极及电刷装置；转子又称电枢，可包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇。绕组通常由绝缘导线绕制在软磁铁芯上，以集中磁场。换向器随转子旋转，电刷则负责在外部直流电源与旋转电枢之间传递电流并完成机械换向。功率较大的机型可采用强制风冷。

无刷直流电动机通常把永久磁铁布置在转子上，并在定子上设置电磁绕组。控制器将直流输入转换为按特定时序变化的电流，可利用霍尔效应感测器检测转子角度，再调整电流时序与相位；无感测器控制方式则可依据电流量测和电动机参数推算转子状态。

主要类型

永磁式：以永久磁铁建立定子磁场，省去定子励磁绕组，常用于小型化设计，但固定磁场不能直接用于调速。
串激式：电枢绕组与场绕组串联，低速启动转矩高，适合火车、电梯和吊车等高惯量负载；空载运行可能因转速持续上升而损坏。
并激式：场绕组与电枢绕组并联，负载变化时具有较好的速度控制特性，可用于工具机、收卷、放卷及张力控制设备。
复激式：同时设置串联与并联场绕组，以结合较高启动转矩和速度控制能力。

应用场景

小型直流电动机可用于玩具、家电、磁碟机及电池供电工具；较大功率机型可用于电动车辆、电梯、吊车、轧钢机、造纸机及矿坑卷扬设备。串激直流电动机曾长期用于电力机车、柴油电力机车和电车的牵引系统。随着电力电子技术发展，配合变频器的交流电动机已在不少大型应用中取代传统直流电动机。

优点与限制

有刷直流电动机初期成本较低，速度控制方式简单，但碳刷与换向器会磨损，需要定期检查、更换和清洁，高强度使用时维护需求较高。无刷直流电动机省去电刷及机械换向器，寿命较长、维护需求较少且效率较高，不过初期成本较高，控制器及转子位置判断也更复杂。