如何理解直流电机？

## 什么是直流电机？

我们的生活中有很多动力都是电机提供的，电机作为电能转变为机械能的设备分为很多种类，按照电能的不同可分为直流电机以及交流电机，我们在这里介绍直流电机的工作原理。

大家接触最早的直流电机应该是这款吧：

这是一个生活中常见的直流电机，它的运行大概如图：

大概就是高中所学的那样，直流电通入线圈后产生磁场，在外部磁场如永磁铁的作用下线圈开始旋转，换向器使线圈的磁场始终与外部励磁相反，持续向外输出动力。

## 直流电机的特性

以上都是从原理的层面解释的电机运动过程，但是怎么才能知道输入不同电压下电机会转多块有多大劲呢？这个需要用电机的转速方程来解释：

$$n=\frac{U_d-I_aR_a}{C_e\Phi}$$

这是电机的转速方程，其中参数$$n$$表示电机的转速，$$U_d$$为加载电机电枢(转子)两端的电压，$$I_a$$是电机电枢的电流，$$R_a$$是电机电枢的电阻，$$C_e$$为电机的电动势系数，$$\Phi$$是电机的磁通(类似磁场强度)。

在得知电机的额定数据如额定电压、额定电流、电枢电阻、额定转速等参数后，便可以使用这个方程求解任意条件下电机的状态。电机电压和磁通不变时，其电流或负载与转速的关系就是电机的特性曲线：

这是直流电机在不同电枢电压下的特性曲线，可以看到当负载(即横轴)不变时，电压增加转速会上升，同时电压不变，负载减小，转速也会上升，当负载达到曲线与横轴相交的地方时，电机转速也为零。改变电压是将特性曲线上下平移，并不会改变曲线的斜率。

除了改变电压会改变电机的转速，还可以通过在电枢回路串接电阻分压，但是它与改变电压产生的影响时不同的：

串接了电阻实际等效成增加了电枢的电阻，这样会导致方程的分子变小，进而速度降低，同时它也会影响特性的斜率。

最后一种改变转速的方法是改变磁通。对于它励电动机(由电磁铁替代永磁铁)来说，可以改变磁通实现调速的目的：

在磁通减小时，方程的分母会减小，转速会上升，他也会影响曲线的斜率，当磁通为零时，速度就会非常大，这种现象称作“飞车”。所以在电机停下前不能突然撤去磁场，那是十分危险的。

我们多次提到了曲线的斜率。这个斜率就是我们常说的电机的“硬度”。如果随着负载的改变，电机的转速改变的很大，我们就称之为“软”，否则为硬。当然，我们在使用的过程中最希望电机能够保持匀速运行，也就是希望电机的曲线硬起来。

还有一个问题可能也困扰读者你很久了，那就是：为什么我们将电流与负载同时作为特性曲线的横轴？这是因为在直流电机恒定磁通运行过程中，电流与电机输出的力就是一个系数的关系，可以理解为电机的电流越大，电机当前输出的劲就越大。那么电机转子如果被堵住转不动了呢？那么电机的电流就会迅速上升到电枢为电阻情况下的最大电流，直到电机烧毁。

## 电机的各个运行状态

### 空载启动

在点击空载启动时，因为转速为零，此时电枢电流达到最大，因此扭矩也为最大。在扭矩的作用下，转速逐渐上升，直到转速达到最大，扭矩接近为零，此时工作点也就位于特性曲线与纵轴的焦点上了。（注：实际在接近纵轴处曲线不为直线）

### 空载停止

电机的停止分为很多种，如能耗制动，反接制动等。他们的共同特点就是将电机的转速以电的形式从电机中抽离出，过程中因为电枢电压为零电机在发电的状态，此时线圈在磁场中感应生电，随着能量的损耗，转速最终为零。

### 反抗性负载

反抗性负载的特性便是负载永远与转动的方向相反，比如弹簧在自然伸长的点，压缩方向与拉长方向产生的力永远与想要运动方向趋势相反。

### 位能性负载

位能性负载是当前负载具有势能，这种势能可以随着负载本体的变化而被释放出来，如电梯，无论电机如何旋转，负载方向永远为重力方向。

如何理解直流电机？

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