直流电动机
直流电动机是依靠直流电驱动的电动机，最常见的是以磁场产生的力使电动机转动。几乎所有电流电动机都有类似的机构，用机电或电子的方式，周期性地改变电动机中电流的方向。
直流电动机是最早使用的电动机，可以用当时的直流电照明电源系统来供电。直流电动机的速度调整范围很大，调整方式为改变电源电压或是调整磁场强度。小型的直流电动机会用在工具、玩具及家电上。交流整流子电动机可以用直流电供电运转，是轻型的有刷电动机，用在电池供电的动力工具或是家电中。较大功率的直流电动机可以当作电动载具、电梯及吊车的动力来源，也可以用在轧钢厂的设备中。由于电力电子学的演进，交流电动机在许多应用上已可以取代直流电动机。
电动机和电磁场
[编辑]有电流的线圈会产生对正线圈中心的磁场，磁场的方向和大小会随电流的方向和大小变化。
简单的直流电动机包括了在定子上的永久磁铁，以及由一圈或多圈线圈组成的电枢，线圈的导线外围会有绝缘（漆包线），线圈内会有软铁磁性的铁芯以集中磁场。线圈多半会绕铁芯转许多圈，大电动机可能会在线圈中有数个平行的电流路径。线圈末端的线会连接到整流子。整流子可以在线圈旋转时，配合外部的电源以及电刷，切换线圈中的电流方向（直流无刷电动机是用电子电路切换直流电流的方向，因此不用电刷）。
电枢产生的电磁场强度和电流量与线圈大小以及卷绕方式有关。
打开或是关闭特定线圈的顺序决定有效电磁场的方向。用依次打开及关闭线圈的方式可以产生旋转磁场。旋转磁场和定子磁铁（永久磁铁或是电磁铁）产生的磁场作用会让电枢产生力矩使其转动。有些直流电动机的定子会用电磁铁产生磁场，对电动机的控制效果会比较好。
功率较大的直流电动机，会用强制风冷的方式进行冷却。
不同的定子极数、电枢磁场以及彼此连接的方式，会产生不同的速度／转矩特性。直流电动机的速度可以通过改变电枢上的电压来调整。若加入电枢电路或是场电流的变电阻，就可以进行速度控制。现在的直流电动机是用电力电子系统来控制，通过改变直流电流截波来调整电压，将其以固定的周期开启及关闭，以产生较低的电压。
串接绕线式直流电动机在低速时可以产生最大的转矩，因此常用在牵引应用中，例如电气化铁路。长久以来，直流电动机是电动火车头及柴油火车头、街车/电车和柴油电动钻机的主流牵引电动机。1870年引进直流电动机和驱动机械的输电网络系统，引发了第二次工业革命。直流电动机可以直接用可充电的电池供电，提供了最早期的电动车，并且驱动许多无电线的工具。现今的直流电动机仍出现在许多的应用中，小到玩具或磁盘机，大到操作钢轧机和造纸机。有分激磁场的大型直流电动机会用在矿坑吊车的卷绕机，配合闸流体驱动器可以产生大转矩，也可以用平顺的速度控制。现今这类应用已被用变频器驱动的大型交流电动机所取代。
若外部的机械功率对直流电动机做功，直流电动机会类似直流发电机（dynamo）。此功能会用来使直流电动机减速，若在电动车、街车或是电动火车上，可以将产生的电能给电池充电，或是回馈给直流电源。这称之为再生制动。在柴电火车上也会用直流电动机当成发电机来使火车减速，但是会将电能消耗在电阻上，较新型的设计会加入大的电池组，希望可以回收部分的能量。
有刷电动机
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直流有刷电动机利用内部的换向器（整流子）、定子磁铁（永久磁铁或是电磁铁）及旋转的电磁铁，利用直流电源来产生力矩。
直流有刷电动机的好处是初期成本低，高可靠度，控制电动机速度的方式简单。缺点是高强度使用下的高维护成本以及低生命周期。维护包括定期更换整流子上导电的碳刷以及弹簧，也需要清洁或更换整流子。这些设备是将外部电源传送到电动机内部必要的零组件。
碳刷一般是用碳或是石墨所制，有时会加入铜粉以增加导电性。在使用时，软的碳刷材料会磨损，以符合整流子的半径，而且会继续磨损。碳刷架有弹簧，在碳刷变短时仍维持其压力。若碳刷承载的电流超过一安培或二安培，会有飞线放在电刷中，并且和电动机端子连接。非常小功率的电动机会用金属电刷架上的滑动接触来传导电刷上的电流，或是用接触弹簧压在电刷末端。若是非常小功率，短寿命的电动机（例如玩具中的电动机），会用与换向器接触的折叠金属带来当作电刷。
直流无刷电动机
[编辑]典型的直流无刷电动机会在转子上放永久磁铁，配置定子上的电磁铁使转子旋转。电动机控制器会将直流电转换为交流电。这种电动机在机械设计上比较简单，不用考虑将外部电源传递到转子的机构。电动机控制器可以用霍尔效应感测器或是类似元件感测转子角度，来调整电流时序及相位，以达到力矩最大化、能量转换、速度控制，甚至部分的刹车机能。也有些电动机控制器没有位置感测器（sensorless），利用电流量测以及电动机的相关参数来推算转子的转速。无刷电动机的优点包括寿命长，几乎不需要保养，以及其高效率。其缺点是初期成本高、电动机速度控制器复杂等。有些无刷电动机会称为“同步电动机”，不过此“同步”的意思是转子的转速和定子上交流电对应的机械转速相同（若是感应电动机，转子转速和定子上交流电对应的机械转速之间会存在滑差），不是转子转速和交流电源对应的机械转速同步。
无整流子的电动机
[编辑]有些直流电动机不需要整流子。
- 单极电动机：单极电动机有一个沿着旋转轴的磁场，以及一个在同一点，但和磁场不平行的电流。“单极”是指其中没有极性的变化。单极电动机的线圈只允许一圈，因此其电压很低，这也限制此电动机在实务上的应用。
- 滚珠轴承电动机：滚珠轴承电动机是一种特殊的电动机，其中包括二个滚珠轴承，轴承内圈接在共同的的导电衬套上，轴承外圈接在大电流的低压电源上。另一种架构是外圈在金属管内，内圈在一个不导电的轴上。滚珠轴承电动机的好处是轴会以类似飞轮的形式旋转，滚珠轴承电动机需要外力辅助才能开始旋转，旋转方向会依照一开始时的旋转方向而定。
永磁电动机
[编辑]永磁电动机没有定子的场绕组，是用永久磁铁来产生磁场，和转子的磁场交互动作来产生力矩。大电动机也可能有和电枢串联的补偿场绕组，以改善在有载时的换流。因为其磁场为定值，无法用来进行速度控制。永磁定子的电动机可以减少场绕组的热能消耗，常用在电动机小型化上。大部分大型的直流电动机属于有定子绕组的dynamo型。永磁电动机无法在拆解时维持其高磁通的状态。若要有高磁通，场绕组会是比较实用的作法。不过大型的永磁电动机很贵，在组装时较危险，难度也比较高，大电动机使用定子场绕组的还是比较多。
为了减少整体的体积以及重量，小型化的永磁电动机会用钕或是其他策略性材料，多半会使用钕铁硼磁铁。大功率的永磁电动机磁通密度较高，和完全最佳化设计的单馈同步电动机或感应电动机相比，至少有相近的竞争力。
绕线电动机
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绕线电动机依定子场线圈和转子电枢线圈，可以依电路分为三类：串联，并联（或分激），以及混合串联及并联的复激，每一种都有其速度／转矩曲线，适合不同的负载特性[1]。
串激配线
[编辑]串激电动机将电枢绕组以及场绕组串联，串联后接到直流电源上。其电动机转速是负载力矩以及电流的非线性函数。电流会影响电枢电流以及场电流，因此会有平方的效果。串激电动机的启动转矩很高，适合用在高惯量负载的启动，例如火车、电梯或是吊车等[2]。这种速度／转矩特性也适合用在拉铲挖掘机的应用，该工具在无载时会快速移动，在有载时会缓慢移动。
串激电动机不能在无载条件下启动。若串激电动机没有负载，其电流很小，场绕组产生的反电动势也会很小，因此电枢会加速，设法增加反电动势以抵消电源。电动机最后会因为速度过快而损坏，称为失控（runaway）状况。
有一种称为交流整流子电动机的串激电动机也可以用交流电驱动。因为电枢电流及场绕组电流会一起改变方向，所产生的力矩仍是同向不会改变。不过这种电动机用交流电运转时，会转的比较慢，因为交流电流过电感，会有电抗电压降，直流电不会有此损耗[3]。此速度和电源频率无关，因此交流整流子电动机可以运转的比同步转速还快，相对于同功率的感应电动机而言，交流整流子电动机比较轻。因此适用于手持的工具。商用工频的交流整流子电动机一般是小功率的，不会超过1kw。不过轨道车辆会用大功率的交流整流子电动机，用特殊的牵引功率网络提供低频电源，以避免重载或负载变化时换相的问题。
分激配线
[编辑]分激（shunt）直流电动机会让场绕组和电枢绕组并联到相同的直流电压源。这类电动机的速度控制效果很好，就算是负载变化时也是一样，但没有串联式的启动特性[4]。直流电动机一般用在工业，可调速的应用，例如机床、收卷机或放卷机、张力控制机等。
复激配线
[编辑]复激连接的直流电动机，有和电枢绕组串联的场绕组，也有和电枢绕组并联的场绕组，以得到串激及并激直流电动机的特性[5]。这类电动机用在同时需要高启动转矩以及良好速度控制特性的应用。这种电动机可以用二种组态置：cumulatively或differentially。Cumulative复激直流电动机会连接串联场绕组以辅助并联绕组，可以有较高的启动转矩，但速度控制效果较差。Differential复激直流电动机的速度控制效果很好，一般是在定速下运作。
和交流电动机的比较
[编辑]直流电动机（DC Motor）的好处为在控速方面比较简单，只须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，许多直动电动机中需要以碳刷作为电流变换器（Commutator）的部件（直流有刷电动机），所以需要定期清理炭刷磨擦所产生的污物。无碳刷之直流电动机称为直流无刷电动机，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（AC Motor）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。一般工业用交流电动机之电压有 AC 110V (125V) 和AC 220V两种。
相关条目
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ Herman, Stephen. Industrial Motor Control. 6th ed. Delmar, Cengage Learning, 2010. Page 251.
- ^ Ohio Electric Motors. DC Series Motors: High Starting Torque but No Load Operation Ill-Advised. Ohio Electric Motors, 2011. 互联网档案馆的存档，存档日期October 31, 2011，.
- ^ "Universal motor" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Construction and working characteristics, Retrieved on 27 April 2015.
- ^ Laughton M.A. and Warne D.F., Editors. Electrical engineer's reference book. （页面存档备份，存于互联网档案馆） 16th ed. Newnes, 2003. Page 19-4.
- ^ William H. Yeadon, Alan W. Yeadon. Handbook of small electric motors. McGraw-Hill Professional, 2001. Page 4-134.