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直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、串励和复励3种。
直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、串励和复励3种。
当直流电源通过电刷向电枢绕组供电时，电枢表面的N极下导体可以流过相同方向的电流，根据左手定则导体将受到逆时针方向的力矩作用；电枢表面S极下部分导体也流过相同方向的电流，同样根据左手定则导体也将受到逆时针方向的力矩作用。这样，整个电枢绕组即转子将按逆时针旋转，输入的直流电能就转换成转子轴上输出的机械能。由定子和转子组成，定子：基座，主磁极，换向极，电刷装置等；转子（电枢）：电枢铁心，电枢绕组，换向器，转轴和风扇等。
直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、串励和复励3种。
当直流电源通过电刷向电枢绕组供电时，电枢表面的N极下导体可以流过相同方向的电流，根据左手定则导体将受到逆时针方向的力矩作用；电枢表面S极下部分导体也流过相同方向的电流，同样根据左手定则导体也将受到逆时针方向的力矩作用。这样，整个电枢绕组即转子将按逆时针旋转，输入的直流电能就转换成转子轴上输出的机械能。由定子和转子组成，定子：基座，主磁极，换向极，电刷装置等；转子（电枢）：电枢铁心，电枢绕组，换向器，转轴和风扇等。
控制原理
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［4］ 。
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。
直流电动机主要由什么组成
直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子组成。
定子由主磁极、换向极、电刷装置和机座组成。主磁极铁芯上套有线圈，通入直流励磁电流便会产生磁场，即主磁场。换向极也由铁芯及套在上面的线圈组成，其作用是产生附加磁场。以减弱换向片与电刷之间的火花，避免烧蚀。机座除作电动机的机械支架外，还作为各磁极间磁的通路。转子由转子铁芯、转子绕组、换向器、轴和风扇组成。转子铁芯用来安装转子绕组，并作为电动机磁路的一部分。转子绕组的主要作用是产生感应电动势并通过电流，以产生电磁转矩。换向器由换向片组成，换向片按一定规律与转子绕组的绕组元件连接。
直流电动机的工作特性
直流电动机的工作特性是指供给电机额定电压
额定励磁电流
时，转速与负载电流之间的关系、转矩与负载电流之间的关系及效率与负载电流之间的关系。这三个关系分别称为电动机的转速特性、转矩特性和效率特性。
（一）他励（并励）直流电动机的工作特性
他励直流电动机的工作特性与并励直流电动机的工作特性相同。
1．转速特性
他励直流电动机的转速特性可表示为
，把上一节式（1—19）代入式（1—20），整理可得：
此式即为转速特性的表达式。如果忽略电枢反应的去磁效应，则转速与负载电流按线性关系变化，当负载电流增加时，转速有所下降。并励直流电动机的工作特性如图1—24所示
图1—24 并励电动机的工作特性
2．转矩特性
由此式可见，在忽略电枢反应的情况下电磁转矩与电枢电流成正比，若考虑电枢反应使主磁通略有下降，电磁转矩上升的速度比电流的上升的速度要慢一些，曲线的斜率略有下降。
3．效率特性
从前面叙述可知，空载损耗P0是不随负载电流变化的，当负载电流较小时效率较低，输入的功率大部分消耗在空载损耗上；当负载电流增大时效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流大到一定程度时铜损快速增大此时效率又开始变小。
（二）串励直流电动机的工作特性
串励电动机的励磁绕组与电枢绕组相串联，电枢电流即为励磁电流。串励电动机的工作特性与并励电动机有很大的区别。当负载电流较小时，磁路不饱和，主磁通与励磁电流（负载电流）按线性关系变化，而当负载电流较大时，磁路趋于饱和主磁通基本不随电枢电流变化。因此讨论串励电动机的转速特性、转矩特性和机械特性必须分段讨论。
由上述可知，当负载电流较小时，转速较大，负载电流增加，转速快速下降，当负载电流趋于零时，电机转速趋于无穷大。因此串励电动机不可以空载或在轻载下运行，电磁转矩与负载电流的平方成正比。
当负载电流较大时，磁路已经饱和，磁通
基本不随负载电流变化，串励电动机的工作特性与并励电动机相同。
串励直流电动机的工作特性曲线如图1—25所示。
图1—25 串励直流电动机的工作特性
（三）复励直流电动机的工作特性
如果是他励（并励）绕组磁势起主要作用，复励电动机的转速特性就与他励（并励）电动机接近；如果是串励绕组磁势起主要作用，复励电动机的转速特性就与串励电动机接近。由于有串励和他励（并励）磁势的存在，复励电动机既有较高的起动能力和过载能力，又可允许空载或轻载运行。
二、直流电动机的机械特性
（一）他励直流电动机的机械特性
1．机械特性的表达式
直流电动机的机械特性是指在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速n与电磁转矩之间的关系：n=f（Tem）。由于转速和转矩都是机械量，所以把它称为机械特性。
图1—26 他励直流电动机电路原理图
图1—26所示是他励直流电动机的电路原理图。图中U为外施电源电压，Ea是电枢电动势，Ia是电枢电流，Rs是电枢回路串联电阻，If是励磁电流，
是励磁磁通，Rf是励磁绕组电阻，Rsf是励磁回路串联电阻。按图中标明的各个量的正方向，可以列出电枢回路的电压平衡方程式
U=Ea+RIa （1—43）
2．固有机械特性和人为机械特性
事实上，式（1—46）中的电枢回路电阻R、端电压U和励磁磁通
都是可以根据实际需要进行调节的，每调节一个参数可以对应得到一条机械特性，所以可以得到许多条机械特性。其中，电动机自身所固有的，反映电动机本来“面目”的机械特性是在电枢电压、励磁磁通为额定值，且电枢回路不外串电阻时的机械特性，称为电动机的固有（自然）机械特性；调节U、R、等参数后得到的机械特性称为人为机械特性。
（1）固有机械特性
（2）人为机械特性
①电枢串电阻时的人为特性
②降低电枢电压时的人为特性
由于电动机的工作电压以额定电压为上限，因此改变电压时，只能在低于额定电压的范围内变化，与固有特性比较，降低电压时人为特性的斜率
不变，但理想空载转速n0随电压的降低而正比减小。因此降低电压时的人为特性是位于固有特性下方，且与固有特性平行的一组直线，如图1—29所示。
图1— 28 电动机的固有特性和电枢串联电阻的人为特性 图1—29 电动机的固有特性和降低电压的人为特性
③减弱励磁磁通时的人为特性
在图1—26中，改变励磁回路调节电阻Rsf，就可以改变励磁电流，进而改变励磁磁通。由于电动机额定运行时，磁路已经开始饱和，即使再成倍增加励磁电流，磁通也不会有明显增加，何况由于励磁绕组发热条件的限制，励磁电流也不允许大幅度地增加，因此，只能在额定值以下调节励磁电流，即只能减弱励磁磁通。
改变磁通可以调节转速，从图1—30（b）看出，当负载转矩不太大时，磁通减小使转速升高；当负载转矩特别大时，减弱磁通才会使转速下降，然而，这时的电枢电流已经过大，电动机不允许在这样大的电流下工作。因此，实际运行条件下，可以认为磁通越小，稳定转速越高。
3．机械特性的求取
在设计电力拖动系统时，首先应知道所选择电动机的机械特性，可是电动机的产品目录或铭牌中都未直接给出机械特性的数据，因此通常是根据铭牌数据
：计算或通过实验来求取机械特性。
（1）固有机械特性的求取
他励直流电动机的固有机械特性为一条直线，所以只要求出直线上任意两点的数据就可以画出这条直线。一般计算理想空载点
数据，具体步骤如下：
①估算Ra
从电动机的铭牌中查得。
根据计算所得
（2）人为特性的求取
［例1］ 他励直流电动机的铭牌数据为：PN=22kW，UN=220V，IN=116A，nN=1500r/min，试分别求取下列机械特性方程式并绘制其特性曲线。
（1）固有机械特性；
（2）电枢串入电阻Rs=0.7Ω时的人为特性；
（3）电源电压降至110V时的人为特性；
（4）磁通减弱至
时的人为特性；
（5）当负载转矩为额定转矩时，要求电动机以n=1000r/min的转速运转，试问有几种可能的方案，并分别求出它们的参数。
［解］（1）固有机械特性
（3）电源电压降为110V时
其人为特性曲线如图1—32中曲线2所示。
（5）当负载转矩为额定值，转速下降至n=1000r/min时，可以采用电枢串电阻或降低电源电压的方法来实现。
（二）串励电动机的机械特性
1．固有特性
串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流If等于电枢电流Ia，主磁通Φ是电枢电流Ia的函数。
当Ia较小，磁路未饱和时，Φ与Ia成正比，即
Φ=kIa （1—53）
串励电动机的固有特性是在U=UN，RS=0时的特性（图1—33所示），具有以下特点：
（1）它是一条非线性的软特性，负载时的转速降落很大。
（2）空载时，Tem=0，Ia=0，Φ=0，n0=→∞，即理想空载转速为无穷大。但实际上，即使Ia=0，由于存在剩磁通Φ0，故空载转速n0为一有限值，但其值很高，一般可达（5~6）nN，这就是所谓的“飞车”现象，因此，串励电动机是不允许空载或轻载运行的。
图1—33 串励电动机的固有特性
（3）由于Tem∝Ia2，起动和过载时Ia均较大，故串励电动机的起动转矩大，过载能力强。
2．人为特性
串励电动机同样可以采用电枢串电阻、改变电源电压和改变磁通的方法来获得各种人为特性。
1、电枢串电阻时的人为特性
由式（1—56）或式（1—57）可见，串入电阻后，转速降增大，所以电枢串电阻的人为特性位于固有特性的下方，且特性变得更软，如图1—34所示。
2、降低电源电压时的人为特性
由式（1—56）可知，降低电源电压时，理想空载转速降低，其人为特性向下平移。如图1—35所示。
图1—34 串电阻时的人为特性 图1—35 降低电源电压时的人为特性
3、改变磁通时的人为特性
串励电动机改变磁通的方法之一是在励磁绕组上并联一个分流电阻RPf，如图1—36（a）所示。与固有特性相比，在Ia相同的情况下，因If ＜Ia，故Φ减小，因此人为特性位于固有特性的上方，如图1—36（b）所示。
图1—36 减弱磁通时的人为特性
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