直流电机(direct current machine)是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电机的换向

旋转着的电枢某元件从一个支路转换到另外一个支路时，元件中的电流变化的过渡过程称为换向过程。

换向过程分析

电刷是支路的分界线;我们研究电刷与1、2片换向片分别和同时接触时的情况。

换向刚开始时，元件仍属于右边支路，其电流为+ia(右→左);

处于换向过程中时，元件被电刷短路，电流大小和方向处于变化的过程中;

换向结束时，元件进入左边支路，其电流已经由+ia变为-ia(左→右)。

一个元件的电流换向过程所需的时间就称为换向周期Th，即一个换向片通过电刷所用的时间。换向元件的电流从+ia变到-ia所用的时间即为一个换向周期。Th=0.5～2ms

换向问题十分复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度时可能损坏换向器表面，从而使电机不能正常工作。

产生火花的原因除电磁原因外，还有电化学、工艺、电热等因素，至今尚无很成熟的理论。

换向元件中的电势

1.电抗电势 ex

一般， 换向周期非常短暂，电流的变化会在绕组元件中产生自感和互感电势，两者的合成电势称为电抗电势，用ex表示。

根据楞次定理，电抗电势的性质总是阻碍线圈中电流的变化，亦即ex的方向企图与换向前的电流方向相同。或者说电抗电势是阻碍换向的。

电抗电势大小反比于换向周期。

2.电枢反应电势 ea

换向元件切割电枢反应磁场，从而产生了电枢反应电势。其方向与ex相同，即其性质也是阻碍换向的。其大小为： Ea=2Wy Ba l va3.换向极电势 eK

换向极电势是由于换向元件切割换向磁极感应的电势，换向磁极是为改善换向而设置的。其方向企图与换向后的电流方向相同，或者说换向极电势是帮助换向的。

影响换向的因素

电磁因素：电抗电势和切割电势阻碍换向。机械、化学、材料等原因

机械方面的原因如：换向器偏心、片间绝缘凸出、某个换向片凸出、电刷与换向器表面接触不好等等;化学方面：高空缺氧、缺水、某些化工厂的电机，都可能破坏换向器表面的氧化亚铜薄膜而产生火花。

改善换向的方法

1.装换向极：在换向元件处产生一个磁势以抵消该处的电枢反应磁势。再产生一个磁密，换向元件切割该磁密时产生一个能抵消电抗电势的电势。换向极绕组应与电枢绕组串联。

换向磁极的极性判断原则： 对直流发电机是：顺转向看与主极极性相同; 对直流电动机是：逆转向看与主极极性相同。

2.装补偿绕组：装置在磁极表面的槽内，产生抵消电枢反应的磁势，与电枢绕组串联。

3.移动电刷位置：对于未装换向极的小型串励直流电机，把电刷从几何中性线(与处于几何中性线处的导体接触)移动一个适当的小角度，使得换向元件产生的感应电势与换向后的电流方向相同。但是电刷移动后，会产生直轴去磁电枢反应，导致电压有些降低、转速稍有升高，可能引起运行不稳定，故此方法旨在小容量电机中采用。

判断电刷移动的方向： 对直流发电机是顺转向移动一个小角度;

对直流电动机是逆转向移动一个小角度。

空载时直流电机的磁场

直流电机的磁通路径

磁路从主磁极1出发经气隙1-电枢齿1-电枢轭-电枢齿2-气隙2-主磁极2-定子轭--主磁极1。

空载磁通密度波形

空载时电枢电流为0，气隙磁场是由励磁电流单独决定。

磁极面下气隙较小且均匀，磁密较强且均匀。

极面外，气隙迅速增大，磁密也迅速减弱，几何中性线处磁密为0。

空载气隙磁密沿电枢外圆的分布用函数B0(x)表示;分析可知它是平顶波。

气隙磁场

空载磁场是在无载情况下(即电枢电流为零)，励磁绕组中通入电流后由励磁磁动势单独建立的磁场。

空载时主磁场分布情况及计算方法已在第一节至第三节中介绍。

空载时主磁场的磁通分两部分，即主磁通和漏磁通。

由于磁极极靴宽度总是小于极距，在极靴下气隙较小，所以极靴下沿电枢表面主磁场较强，极靴以外，气隙加大，主磁场明显削弱，在两极间的几何中性线处磁密为零。气隙磁场磁密分布波形为一礼帽形，如下图：

直流电机(direct current machine)是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流无刷电机的控制原理，要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管);要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。

基本上功率晶体管的开法可举例如下：AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL一组，但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。

当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(Command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心。

高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、 实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差(Error)。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论。

直流电机的常见故障与维护

上图为直流电机的俯视图，关于直流电机做发电机使用的时候，有以下几点要注意：

(1)因为电枢导磁，故图中线圈内部(黑色)不存在电磁感应现象。磁场只存在于电枢外部和电枢铁芯中。

(2)电刷与正负极出线固定，换向器随转子做逆时针运动，如图。

(3)一般来说一个换向器对一个电刷，也有3个左右换向器对一个电刷。

结论：

(1)关于直流电机做发电机时候正负极的判断：蓝色铁芯导慈，故图中黑色部分不存在磁场，所以只在蓝色铁芯外做切割磁感线运动，故电动势只产生于蓝色铁芯外部。

然后图中逆时方向运动，电动势如图所示，以图中正极为例的话，电动势流向电刷，再由电刷流向外部电路，这和电源正极的特点一样，故为正极。同理可知右边部分为负极。

(2)输出电动势为关联各换向片的电动势和，此处关联是感应电动势方向与正负极关联。

(3)关于正负极为什么位于图中位置时，所得电动势最大，是因为如果不是图中的位置，会有正负电动势在同一极的关联方向相互抵消。

使用

1. 电机的起动准备

电机在安装后投入运行前或长期搁置而重新投入运行前，需做下列起动准备工作：

(1) 用压缩空气吹净附着于电机内部的灰尘，对于新电机应去掉风窗处的包装纸。检查轴承润滑油脂是否洁净、适量，润滑脂占轴承室的三分之二为宜。

(2) 用柔软、干燥而无绒毛的布块擦拭换向器表面，并检视其是否光洁，如有油污，则可蘸汽油少许拭净之。

(3) 检查电刷电压是否正常均匀，刷握的固定是否可靠，电刷在刷握内是否太紧或太松，电刷与换向器的接触是否良好。

(4) 检查在刷杆座上是否标有电刷位置的记号。

(5) 用手转动电枢，检查是否阻塞或在转动时是否有撞击或摩擦之声。

(6) 接地装置是否良好。

(7) 用500V兆欧表测量绕组对机壳的绝缘电阻，如小于1MΩ则必须进行干燥处理。

(8) 电机出线与磁场变阻器、起动器等连接是否正确，接触是否良好。

2. 电动机的起动

(1) 检查线路情况(包括电源、控制器、接线及测量仪表的连接等)，检查起动器的弹簧是否灵活，接触是否良好。

(2) 在恒压电源供电时，需用起动器起动。闭合电源开关，在电动机负载下，转动起动器，在每个触点上停留约2S，直至最后一点，转动臂被电磁铁吸住为止。

(3) 电动机在单独的可调电源供电时，先将励磁绕组通电，并将电源电压降至最小，然后闭合电枢回路接触器，逐渐升高电压，达额定值或所需转速。

(4) 电机与生产机械的连轴器先别连接，输入小于10%的额定电枢电压，确定电机与生产机械转速方向是否一致，一致时表示接线正确。

(5) 电动机换向器端带测速发电机时，电机起动后，应检查测速发电机输出特性，该极性与控制屏极性应一致。

(6) 电机起动完毕后，应观察换向器上有无火花，火花等级是否超标。

3. 电动机的调速

恒功率弱磁向上调速，可调节磁场调速器，直至转速达所需之值，但不得超过技术条件所允许的最高转速。恒转矩负载可以采用降压或电枢串电阻向下调速。

4. 电动机的停机

(1) 如为变速电动机，先将转速降到最低值。

(2) 去掉电动机负载(除串励电动机外)后切断电源开关。

(3) 切断励磁回路，励磁绕组不允许在停车后长期通额定电流。

维护

电动机在使用过程中定期进行检查时应特别注意以下事项：

1. 电动机周围应保持干燥，其内外部均不应放置其他物件

电动机的清洁工作每月不得少于一次，清洁时应以压缩空气吹净内部的灰尘，特别是换向器、线圈连接线和引线部分。

2. 换向器的保养

(1) 换向器应是呈正圆柱形的表面，不应有机械损伤和烧焦的痕迹。

(2) 换向器在负载下长期无火花运转后，在表面产生一层褐色有光泽的坚硬薄膜，这是正常现象，它能保护换向器的磨损，这层薄膜必须加以保护，不能用砂布摩擦。

(3) 若换向器表面出现粗糙、烧焦等现象时可用“0”号砂布在旋转着的换向器表面进行细致研磨。若换向器表面出现过于粗糙不平、不圆或有部分凹进现象时应将换向器进行车削，车削速度不大于1.5m/s，车削深度及每转进刀量均不大于0.1mm，车削时换向器不应有轴向移动。

(4) 换向器表面磨损很多时，或经车削后，发现云母片有凸出现象，应以铣刀将云母片铣成1~1.5mm的凹槽。

(5) 换向器车削或云母片下刻时，须防止铜屑、灰尘侵入电枢内部。因为要将电枢线圈端部及接头片覆盖。加工完毕后用压缩空气做清洁处理。

3. 电刷的使用

(1) 电刷与换向器的工作表面应有良好的接触，电刷压力正常。电刷在刷握内应能滑动自如。电刷磨损或损坏时，应以牌号及尺寸与原来相同的电刷更替之，并且用“0”号砂布进行研磨，砂布面向电刷，背面紧贴换向器，研磨时随换向器作来回移动。

(2) 电刷研磨后用压缩空气作清洁处理，再使电动机作空载运转，然后以轻负荷(为额定负载的1/4~1/3)运转1小时，使电刷在换向器上得到良好的接触面(每块电刷的接触面积不小于57%)。

4. 轴承的保养

(1) 轴承在运转时温度太高，或发出有害杂音时，说明可能损坏或有外物侵入，应拆下轴承清洗检查，当发现钢珠或滑圈有裂纹损坏或轴承经清洗后使用情况仍未改变时，必须更换新轴承。轴承工作2000~2500小时后应更换新的润滑脂，但每年不得少于一次。

(2) 轴承在运转时须防止灰尘及潮气侵入，并严禁对轴承内圈或外圈的任何冲击。

5. 绝缘电阻

(1) 应当经常检查电动机的绝缘电阻，如果绝缘电阻小于1MΩ时，应仔细清除绝缘上的污物和灰尘，并用汽油、甲苯或四氯化碳清除之，待其干燥后再涂绝缘漆。

(2) 必要时可采用热空气干燥法，用通风机将热空气(80℃)送入电动机进行干燥，开始绝缘电阻降低，然后升高，最后趋于稳定。

6. 通风系统

应经常检查定子温升，判断通风系统是否正常，风量是否足够，如果温升超过允许值，应立即停车检查通风系统。

直流电动机的常见故障及处理

直流电机定子检修要求

直流电机定子检修应有以下要求：

1、 清扫吹灰，用汽油将各部分油泥擦拭清洁。

2.、检查定子外壳

(1)外壳油漆应无脱落。

(2)接地线应完好无断折松动现象。

(3)引线绝缘和瓷瓶应完好，引线绝缘无老化鼓泡现象，接线螺丝齐全，端盖应完好无损。

(4)定子磁极与外壳连接螺丝应紧固。

3 、检查磁极线圈

(1) 线圈绝缘应良好无发胖、鼓泡、枯裂及过热现象。

(2) 磁极间连线绝缘及接头良好，连接螺丝紧固。

(3) 用500V摇表测量磁极线绝缘电阻，其值应不低于0.5兆欧。

(4) 测量线圈直流电阻与厂家数据或历史测量值比较其差别应不大于2%(换算至同一温度下)。

4.、检查磁极铁芯

(1) 磁极铁芯应清洁，无松动现象。

(2) 磁极铁芯无锈斑，无毛刺和过温现象，如有锈斑可用#00砂布打磨，用布擦净，毛刺可用锉刀修平将铁芯表面残留铁屑清除后用绝缘漆刷，处理铁芯表面。

5 、定子转子喷漆，若定子或转子表面绝缘漆损坏脱落严重时，应按下列步骤进行：

(1) 铁芯应清洁无灰尘油污及电刷粉尘。

(2) 铁芯应紧固无松动，无变形。

(3) 通风沟应清洁畅通。

直流电机转子的检修

直流电机转子检修时应做以下检查：

1、检查电枢铁芯

(1)铁芯应清洁无灰尘油污及电刷粉尘。

(2)铁芯应紧固无松动、变形。

(3)通风沟应清洁畅通。

2、检查电枢线圈

(1)槽楔良好无松动。

(2)线圈表面应光滑无破裂、磨损及烧伤等现象。

(3)用1KV摇表测量电枢线圈对铁芯的绝缘电阻不低于0.5兆欧。

3、检查电枢绑线

(1)绑线应清洁无松动。

(2)焊锡无熔化开焊现象。

(3)绑线下所垫的绝缘应完好。

4、检查风扇

(1)风扇应清洁，无灰尘油污。

(2)叶片无破裂变形，铆钉应牢固。检查时可用小锤子敲打风叶根据声音判断风扇有无大损坏。

(3)平衡块无松动、移动现象。

“交流电机”：是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器(见直流电机的换向)，因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。交流电机是由美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉发明的。

直流电机(direct current machine)是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电机与交流电机的区别

直流电机是磁场不动，导体在磁场中运动;交流电机是磁场旋转运动，而导体不动。

直流电动机分为定子绕组和转子绕组。定子绕组产生磁场。当通直流电时。定子绕组产生固定极性的磁场。转子通直流电在磁场中受力。于是转子在磁场中受力就旋转起来。直流电机构造复杂。造价高。

交流电动机分定子绕组和转子导体。转子导体形状像鼠笼导体与导体之间用硅钢片。有的交流电动机转子也有绕组。

直流电机(DC Motor)的好处为在控速方面比较简单，只须控制电压大小已可控制共转速，但此类电机不宜在高温、易燃等环境下操作，而且由于电机中需要以碳刷作为电流变换器(Commutator)的部件(有刷马达)，所以需要定期清理炭刷磨擦所产生的污物。无碳刷之马达称为无刷马达，相对于有刷，无刷马达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，因为控制交流电机转速须要控制交流电的频率(或使用感应马达，用增加内部阻力的方式，在相同交流电的频率下降低电机转速)，控制其电压只会影响电机的扭力。一般民用马达之电压有 110V和220V等两种，在工业应用还有380V或440V等型态。

直流电机与交流电机的优缺点

直流电机具有良好的启动特性和调速特性。因此，在调速性能要求较高的大型设备，比如轧钢机上都采用直流电动机拖动。但它存在着直流换向问题，结构复杂，维护检修不方便，而且消耗有色金属多。

直流电机的优点

1.直流电机具有良好的启动特性和调速特性

2.直流电机的转矩比较大

3.维修比较便宜。

4.直流电机的直流相对于交流比较节能环保。

直流电机的缺点

1.直流电机制造比较贵

2.有碳刷

交流电机的优点

1.交流电机 制造比较便宜。

2.矢量变频技术的发展，已经可以用变频电机模拟成直流电

3.相对于直流电机在结构简单、维护容易、对环境要求低以及节能和提高生产力等方面具有足够的优势，使得交流调速已经广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中。

交流电机的缺点

1.交流电机的启动性和调速性较差

交流电机根据转速可分为同步电机和异步电机。

1、同步电机

同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。

同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。

2、异步电机

异步电机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。还随着负载的大小发生变化。负载转矩越大，转子的转速越低。异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。感应电机应用最广，在不致引起误解或混淆的情况下，一般可称感应电机为异步电机。

优点：结构简单，制造方便，价格便宜，运行方便。

缺点：功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。

直流电机与交流电机的调速方法

电机有两大类：交流电机、直流电机。交流电机中用得最多的是异步电机(感应电机)，转别是鼠笼式异步电机。现德科斯TKS给大家介绍直流电机、交流电机调速方法。

1、直流电机调速方法：

直流电机是指将直流电送到直流电机，把直流电机的电能转换成机械能。这里首先要介绍如何将市电的交流电转换成需要的直流电。六十年代以前采用的是发电机--电机系统(F-D)，这种方法只有在电机由专用的发电机供电时才有可能。另一种是可控硅--电机系统(SCR-D)。

直流电机的调速还比较方便，可以通过调节电枢供电电压，电枢中串联电阻，激磁回路串联电阻来实现。

可见直流电机调速有三种方法，而且调节电枢供电电压的方法容易实现平滑、无级、宽范围、低损耗的要求。直流电动机电磁转矩中的两个可控参量和是互相独立的，可以非常方便地分别调节，这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。

尽管直流电机调速就其性能而言，可以相当满意，但因其结构夏杂，惯量大，维护麻烦，不适宜在恶劣环境中运行，不易实现大容量化、高压化、高速化，而且价格昂贵。

2、交流电机调速方法：

交流电机刚好相反。交流电机结构简单、惯量小、维护方便，可在恶劣环境中运行，容易实现大容量化、高压化、高速化，而且价格低廉。

从节能的角度看，交流电机的调速装置可以分为高效调速装置和低效调速装置两大类。高效调速装置的特点是：调速时基本保持额定转差，不增加转差损耗，或可以将转差动率回馈至电网。

低效调速装置的特点是：调速时改变转差，增加转差损耗。

高效调速方法包括：改变极对数调速—鼠笼式电机变频调速—鼠笼式电机串级调速—绕线式电机换向器电机调速—同步电机。

低效调速方法包括：定子调压调速—鼠笼式电机电磁滑差离合器调速—鼠笼式电机转子串电阻调速—绕线式电机。