导读
从儿时的四驱车到四旋翼无人机，从两轮电动自行车到高速列车，从客厅的空调到厨房的抽烟机，从妈妈的吹风机到爸爸的剃须刀，似乎我们的平日所见能动的东西大多都联系一个共同的东西——电机。
本系列文章写给那些尽管被生活磨去了棱角却仍对生活充满好奇的我们。主要包括日常所见电机的种类、原理和特点。本文是第一篇从四驱车里的直流电机说起。
“讨厌”的生物学家
初中学习生物的时候就不太喜欢生物，各种界、门、纲、目、科、属、种，找了半天连人在在哪都分不清楚，一直觉得生物学家把事情搞得太复杂了，非得把活生生的世界分成三六九等，分门别类，就要生物老师露个鸟腿让我们猜是什么鸟一样，简单的事情复杂话。
其实分类是研究复杂系统的一种基本的方法，把千差万别的东西分门别类，并找到每个类别事物的共同特点这样才有可能将系统简化，当在系统里发现一个新的事物之后根据这个事物的特点将其归入某个类别，这样就自然地获得这个事物的大部分特征了，否则浆糊永远只是浆糊。
在数学统治哲学之前，观察和分类一直是人类研究世界最为基本的方法。
好吧，扯得有点远了。目的就是让说服大家允许我从直流电机开始说起。然后嫁祸给生物学家，呵呵。
何谓直流
直流电机最大的特征就是供电电源为直流电，例如干电池、蓄电池、交流电源通过整流后的电源。因为直流电源发明的最早因此人们最先研制出来的电机也是直流电机。
所以这里所说的直流电机是按照供电电源类型来分类的，应该为供电电源为直流电的电机，相对应的自然就是供电电源为交流的交流电机。
按照换向的方式不同又分为有刷和无刷，通常大家将出现最早曾经应用最广的有刷直流电机简称为直流电机，也就是这里所说的直流电机。无刷电机无论是结构还是性能更像一台同步电机，因此将无刷电机放在永磁同步电机后面再说。
电机电枢
电枢的全称是电机能量转换的枢纽，简称电枢。电枢上中的主线圈绕组切割磁感线产生电磁转矩实现电能——机械能的转换是实现能量转换。对于绝大多数直流电机来说电枢都是指转子，主要包含：电枢铁芯、电枢绕组和换向器。对于后面所说的感应电机、永磁同步电机、直流无刷电机电枢都是指定子。
成也萧何祸也萧何
直流电机一开始能够广为流行时因为控制简单，简单到通电就能转，不需要专门的启动电路，不需要庞大的驱动电路，不需要复杂的控制算法，当然需要调速或者伺服功能的除外。
但是从来没人说过直流电机的结构简单，在那个电学初始发展阶段需要利用直流电产生交变的磁场以维持电机的连续旋转，唯有电刷天才般的发明才使得电机真正连续的旋转起来，无论从哪个角度来说电刷结构都是直流电机的灵魂所在。
随着故事的进展，这个灵魂器件却慢慢的成为直流电机的桎梏，似乎工程师们如何努力但直流电机总是无法逾越直流电机因电刷带来的两座大山：磨损和噪音。
磨损意味着任何使用直流电机的场合都不得不考虑设备的寿命，不得不在使用手册单列一条对于直流电机碳刷磨损的检查。磨损意味着直流电机的转速不可能做得很高，否则对于机械的换向器来说磨损会变得无法控制。
对于机械换向来说火花几乎不可避免，打火不仅会造成电刷和换向器的烧蚀还是带来噪声。这两种情况是使得直流电机的某些场合变得无法接受，例如需要防爆、需要静音的工况。
近乎完美
若没有电刷问题直流电机的性能近乎完美。
1、自启动
直流电机加电后可以自行启动，并不需要专门的启动策略和装置。对于永磁同步、直流无刷、单相异步等电机来说启动就不是那么容易的一件事情了。
当然启动电流大的情况仍然存在，因为启动阶段电机速度较低电枢绕组的反电动势较小因此直流电机尽管可以自启动但是仍然存在启动电流冲击的问题（启动冲击电流最大可能超过额定电流的10倍），进而造成电刷换向火花增大及对电网产生冲击。对于小功率电机（通常认为3千瓦时一个门槛）、启动并非特别频繁的情况来说这些问题并不需要特别在意。
对于功率通常情况下采用限流电阻或者降压启动的方式实现启动，但是如果是带载启动的话为了保证启动转矩电阻值需要随着电机转速提高而减小，或者电源电压随着转速提高而增加，当达到额定转速后限流电阻需要及时退出电源电压升至额定电压，这样才能够保证整个启动过程的电磁转矩。
2、特性硬朗
直流电机速度特性如下式所示，式中ｎ表示电机转速，U表示电机电压，Ｋｅ表示电机常数电机设计好之后几乎保持不变，Φ表示电枢绕组的磁通对于他励的恒定励磁电机或者永磁体励磁的直流电机来说也是常量。
直流电机转速随着负载（电枢绕组电流）增大而减小，同时随着电枢电流增加电枢反应的去磁效应增加造成电枢中实际Φ减小，两者一增一减使得直流电机的转速在整个额定负载范围内变化不大，近乎一条直线。
３、调速方式多样
直流电机机械特性（转子转速和电磁转矩之间的关系）如下式所示，其中Ｋe，Ｋt为电机常数。
从式中可以看出调整电源电压U，改变电枢绕组电阻，减小励磁绕组磁感应强度(弱磁控制)都可以实现直流电机速度的调整.
针对直流电机调速内容较多后面会单独篇幅进行讲解，这里只需要知道:
(1)降低电源电压会使直流电机速度变慢，这就是为什么小时候四驱车新电池的情况下跑的快的原因，也就是我们常说的新电池劲大。家理电风扇调速大多也是这种方式.
(2)串电阻调速同样会使电机转速变慢，方式最为简单但是会使系统效率降低，几乎不用。
(3)对于电励磁的直流电机减小电枢绕组的磁通也可以实现直流电机(弱磁调速)，通常来讲弱磁控制会使直流电机的电机速度变快，这也就是弱磁升速说法的由来。
各显神通
不管直流电机再怎么看上去完美，但头顶上电刷和换向器这一对乌云总是挥之不去，限制着直流电机应用场景。于是同样追求更高(稳定性)，更快(更快转速)，更强(性能)的电气天才们开始各显神通，于是"五花八门"的电机相继出现。几种应用较广的典型类型包括:
1、感应电机
感应电机是天才般电气工程师特斯拉的杰作，在大部分继承直流电机优点的同时彻底摆脱了电刷的困扰，简单可靠，价格便宜，维护方便成了感应电机的代名词。
在工业上鼠笼异步电机占工业电动机耗电量的90%以上。
2、永磁同步电机
永磁同步电机将励磁放在转子上，电枢放在定子上。电枢上电流加三相交流电形成旋转磁场从而带动转子旋转，这里也完全不需要电刷。现在高端伺服几乎清一色的上了永磁同步，理由就是:可靠性高，结构紧凑，性能优良。
3、永磁直流无刷电机
直流无刷电机本是永磁同步电机的一种，由于其性能更加接近直流电机且应用广泛通常单独列出。直流无刷电机相当于定子和转子反装的直流电机，即励磁(永磁体)安装在转子上，电枢安装在定子上通过电子换向的方式实现电机的连续运行，避开电刷的使用。但是付出的代价是需要位置传感器检测转子的位置，需要可控的电子开关来控制电枢绕组的通断和电流方向，相当于原来通过物理机械方式实现的电枢电流换向由算法和电子元器件实现了。
名字中的无刷二字似乎足够使永磁直流无刷电机在直流点击面前充满傲娇之气
总结
由于直流电源(伏打电池)最先被发明出来，迫使天才般的发明直流电机承担了开辟电动时代的重任，以其优良的性能和简单使用方法出色的完成了这个任务。但天生自带的光环反而慢慢成了累赘，每次出场总会被调侃寿命。科学之所以伟大在于敢于面对挫折，愿意直面问题不断改进，于是诸如感应电机，直流无刷等各种更为先进电机相继出现。但直流电机并没有退出历史舞台，宝宝的四驱车，大型的轧钢设备。前者因为价格便宜控制简单，后者因为其能够提供足够大的功率。
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