直流电动机的发展与应用

直流电动机的应用与发展
（哈尔滨工业大学工业工程系哈尔滨150001）
摘要：直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，自诞生以来经过多年的改进和完善，已经产生了多种类型、具有不同特点的直流电动机，在工业生产与日常生活中产生了重要作用。

1.直流电机的基本工作原理
A是正电位，B是负电位，在N极范围内的导体ab中的电流是从a流向b，在S极范围内的导体cd中的电流是从c流向d。

ab和cd两导体都要受到电磁力Fde的作用。

根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，ab边受力的方向是向左，而cd 边则是向右。

由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的电流，所以，ab边和cd边所受电磁力的大小相等。

这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。

当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。

线圈转过半周后，虽然ab与cd的位置调换了，ab边转到S 极范围内，cd边转到N极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到N极下的cd边中电流方向也变了，是从d流向c，在S极下的ab边中的电流则是从b流向a。

因此，电磁力Fdc的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。

可见，分别处在N、S极范围内的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不停的旋转了，通过齿轮或皮带等机构的传动，便可以带动其它工作机械。

要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内
时（也就是导体经过中性面后），导体中电流的方向也要同时改变。

换向器和电刷就是完成这个任务的装置。

在直流发电机中，换向器和电刷的任务是把线圈中的交流电变为直流电向外输出；而在直流电动机中，则用换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电。

可见，换向器和电刷是直流电机中不可缺少的关键性部件。

当然，在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。

这就是直流电动机的基本工作原理。

2.直流电动机的应用
直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。

直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

直流电动机应用广泛。

使用最广的就是直流电动工具。

直流电动工具是一种运用小容量直流电动机或电磁铁，通过传动机构驱动工作头的手持式或可移式的机械化工具。

世界上第一台直流电动工具是1894年制造的电钻。

1900年制造出三相工频电钻，由三相异步电动机驱动。

1913年生产出首批由单相串激电机驱动的交、直流两用电钻。

20世纪80年代后，随着世界经济的发展，电动工具技术得到迅速发展。

到新世纪初，世界电动工具的品种发展到近千个，年产量超过1亿台。

电动工具结构轻巧，携带方便。

它比手工工具可提高劳动生产率几倍到几十倍，比传统的风动工具效率高、费用低（勿需空压机）、震动和噪声小、易于自动控制。

因此，电动工具逐步取代手工工具，已
广泛应用于机械，建筑、机电、冶金设备安装，桥梁架设，住宅装修，农牧业生产，医疗、卫生等各个方面。

并且广为个体劳动者及家庭使用，是一种量大面广的机械化工具，发展前景十分广阔。

在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。

此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。

直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。

在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。

虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。

直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。

因此，电机制造业中正在努力改善交流电动机的调速性能，并且大量代替直流电动机。

不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。

包括直流电机在内的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。

一条是：导线切割磁通产生感应电动势；另一条是：载流导体在磁场中受到电磁力的作用。

因此，从结构上来看，
任何电机都包括磁场部分和电路部分。

从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。

3.直流电动机的发展
经历了100多年的技术发展，电动机自身的理论基本成熟。

随着电工技术的发展，对电能的转换、控制以及高效使用的要求越来越高。

电磁材料的性能不断提高，电工电子技术的广泛应用，为电动机的发展注入了新的活力。

未来电动机将会沿着体积更小、机电能量转换效率更高、控制更灵活的方向继续发展。

电动机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。

它是随着生产力的发展而发展的，反过来，电动机的发展也促进了社会生产力的不断提高。

从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来，虽然电动机的基本结构变化不大，但是电动机的类型增加了许多，在运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机，控制电动机具有高可靠性﹑好精确度﹑快速响应的特点，已成为电动机学科的一个独立分支。

直流电机以其转速高体积小，重量轻，起动转矩大，易调速，等特点，是电动工具理想的驱动源。

电动机的功能是将电能转换成机械能，它可以作为拖动各种生产机械的动力，是国民经济各部门应用最多的动力机械。

在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。

拖动各种生产机械运转，可以采用气动，液压传动和电力拖动。

由于电力拖动具有控制简单﹑调节性能好﹑耗损小﹑经济，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。

纵观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。

在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式，19世纪末期，由于研制出了经济实用的交流电动机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用，但随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步，对电力拖动在起动，制动，正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的，更高的要求。

由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以20世纪以来，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中，相当时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。

虽然直流电动机具有调速性能优异这一突出特点，但是由于它具有电刷与换向器（又称整流子），使得他的故障率较高，电动机的使用环境也受到了限制（如不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用），其电压等级，额定转速，单机容量的发展也受到了限制。

所以，在20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体交流技术的交流技术的交流调速系统得以实现。

尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电力拖动的广泛应用创造了有利条件。

诸如交流电动机的串级调速，各种类型的变频调速，无换向器电动机调速等，使得交流电力拖动逐步具备了调速范围宽，稳态精度高，动态响应快以及在四象限做可逆运行等良
好的技术性能，在调速性能方面完全可与直流电力拖动媲美。

除此之外，由于交流电力拖动具有调速性能优良，维修费用低等优点，将广泛应用于各个工业电气自动化领域中，并逐步取代直流电力拖动而成为电力拖动的主流。

参考文献《电动机的发展、原理和运行维护》。