交流电机在整个工业领域很常见--容易被VFD控制，没有直流刷带来的维护。那么，为什么在某些应用中仍然使用直流电机呢？

直流（DC）电机

所有电机的工作原理是通过切换磁力旋转轴。直流电机通过摩擦刷在换向器上施加直流电，将施加的电流以交替极性切换到绕组，类似于交流电，而是正负电压的方波。这产生了一个交替的电磁铁，它与转子上的永久磁铁相互作用，不断拉动，然后推动并提供旋转运动。

因此，直流电机与交流电机有许多相似之处，即定期交替极性电源，但直流电源模型需要一些额外的部件。所以问题是：如果直流电机可以完成与交流电机相同的任务，但需要额外的硬件来产生维护热量、摩擦和灰尘，那么当你可以很容易地购买交流电机时，为什么要投资于复杂的直流电机控制系统呢？

为什么是直流电机？

图1. 直流电机是一种古老的技术，但仍被广泛使用

交流电机也有缺陷吗？

每个电机在行业中都有自己的地位。工业交流电机通常与三相工业电流一起工作，只需要一个电机接触器，无需任何特殊的驱动或控制电路。直流电机需要修改电流，从交流电流中转换，并需要一个控制器来修改电机的速度和方向。

交流电机并不是没有缺陷的。如果你确实需要控制交流电机的速度，直接在线（或跨线）接触器将是不够的。必须使用变频器，对于大马力的型号，这些变频器可能会很贵。变频器将改变应用交流电源的频率，以改变电机的速度。如果速度降低太多，电机可能会过热，因为通常情况下，冷却风扇是直接与输出轴耦合的。

随着电子设计和施工成本的下降，VFD驱动的交流电机已成为许多设计的首选，这表明了这些设备的先进可控性和效率。

直流低速转矩特性

直流电机的主要优点之一是低速性能。当然，它们也可以在高速下驱动，但直流电机可能是首选，如果负载必须快速调整速度，或者它需要在低速下具有优异的扭矩（可能需要很长时间才能加速）。

大型Baldor电机

图2. 大型工业500伏直流电机

降低速度的方法是降低电压，或者更常见的是施加脉冲全电压信号，称为脉冲宽度调节（PWM）。由于电源线反转时旋转惯性较低，直流电机也容易转换方向。

这种低速扭矩特性是由允许通过电枢的电流引起的。当低速旋转时，刷子将接触电枢近一半，为电机每个方向的一半提供全电流。这与典型的交流信号形成了鲜明的对比。在交流信号中，电压仅在全正或全负时停留一段时间，然后再次减少到交替。在高速条件下，交流信号的快速转换时间与刷直流信号的快速转换更具可比性。

随着直流电机速度的增加，电枢线圈作为电感被直流电压电源充电。当电感在电刷换向时失去直流电压时，会产生反向电压(有时称为反向电压)，否定一定量的源电压。随着速度的增加，反向电压也在增加，导致电流和扭矩的减少，低速时不存在。这种效果可以通过(安全地)用示波器检查绕组电压与地面的比较来看到。

控制直流电机

操作和控制直流电机在很大程度上取决于电机的大小。本文的主题是大型工业电机，尽管一些业余直流电机可以使用相同的一般控制技术。与其他类型的工业电机、伺服电机或交流电机一样，市场上有特定的驱动装置来驱动和控制不同制造商的电机。

西门子直流驱动器

图3. 西门子Sinamics直流电机驱动器

西门子生产Sinamics DCM系列驱动器，完全集成到他们的编程软件TIA Portal中。Allen Bradley和Rockwell Automation提供他们的PowerFlex与他们的编程软件相连的DC驱动器。有了这些特殊的驱动器，您只需将其连接到机器网络，PLC可通过网络通信。

在编程软件中，提供启动、停止和改变电机速度的简单数据结构，以及许多其他控制和反馈参数，就像VFD电机控制是一样的。这些驱动装置可以变得相当大，对于大电流的应用，需要在机柜内大量的冷却。它们通常安装在电气柜的背板上，并与供应商的现场总线通信技术相连。

市场上也有更简单的解决方案，通过开关和表盘提供速度和方向控制，或者有些甚至可以接受速度和方向的模拟和数字输入。

电动汽车电动马达

直流驱动电机通常用于电动汽车

在哪里使用直流电机？

低速扭矩的特点使直流电机非常适合以相对较低的速度移动重物，如天车、电梯或任何需要大量加速的过程设备。风扇和泵需要快速和容易地调整速度，就像电动汽车应用中的电机一样，直流电机可以很容易地满足这一要求。

还应指出，原始设备的设计也可以利用电机的特点。对于这些低速应用，也可以使用高速电机和链条或齿轮传动来降低输出速度和增加扭矩。因此，几乎不可能解释任何电机 "必须 "或 "不可能 "应用于某些应用。

总结

正如你所看到的，虽然直流电机的工作原理非常古老，但它仍然是许多应用程序中非常有效的工具。自动化行业已经采用并学会了处理直流电机的缺陷，并且可以使其像交流电机一样经济和可控。