導讀
從兒時的四驅車到四旋翼無人機，從兩輪電動自行車到高速列車，從客廳的空調到廚房的抽菸機，從媽媽的吹風機到爸爸的剃鬚刀，似乎我們的平日所見能動的東西大多都聯繫一個共同的東西——電機。
本系列文章寫給那些儘管被生活磨去了稜角卻仍對生活充滿好奇的我們。主要包括日常所見電機的種類、原理和特點。本文是第一篇從四驅車裡的直流電機說起。
「討厭」的生物學家
初中學習生物的時候就不太喜歡生物，各種界、門、綱、目、科、屬、種，找了半天連人在在哪都分不清楚，一直覺得生物學家把事情搞得太複雜了，非得把活生生的世界分成三六九等，分門別類，就要生物老師露個鳥腿讓我們猜是什麼鳥一樣，簡單的事情複雜話。
其實分類是研究複雜系統的一種基本的方法，把千差萬別的東西分門別類，並找到每個類別事物的共同特點這樣才有可能將系統簡化，當在系統裡發現一個新的事物之後根據這個事物的特點將其歸入某個類別，這樣就自然地獲得這個事物的大部分特徵了，否則漿糊永遠只是漿糊。
在數學統治哲學之前，觀察和分類一直是人類研究世界最為基本的方法。
好吧，扯得有點遠了。目的就是讓說服大家允許我從直流電機開始說起。然後嫁禍給生物學家，呵呵。
何謂直流
直流電機最大的特徵就是供電電源為直流電，例如乾電池、蓄電池、交流電源通過整流後的電源。因為直流電源發明的最早因此人們最先研製出來的電機也是直流電機。
所以這裡所說的直流電機是按照供電電源類型來分類的，應該為供電電源為直流電的電機，相對應的自然就是供電電源為交流的交流電機。
按照換向的方式不同又分為有刷和無刷，通常大家將出現最早曾經應用最廣的有刷直流電機簡稱為直流電機，也就是這裡所說的直流電機。無刷電機無論是結構還是性能更像一臺同步電機，因此將無刷電機放在永磁同步電機後面再說。
電機電樞
電樞的全稱是電機能量轉換的樞紐，簡稱電樞。電樞上中的主線圈繞組切割磁感線產生電磁轉矩實現電能——機械能的轉換是實現能量轉換。對於絕大多數直流電機來說電樞都是指轉子，主要包含：電樞鐵芯、電樞繞組和換向器。對於後面所說的感應電機、永磁同步電機、直流無刷電機電樞都是指定子。
成也蕭何禍也蕭何
直流電機一開始能夠廣為流行時因為控制簡單，簡單到通電就能轉，不需要專門的啟動電路，不需要龐大的驅動電路，不需要複雜的控制算法，當然需要調速或者伺服功能的除外。
但是從來沒人說過直流電機的結構簡單，在那個電學初始發展階段需要利用直流電產生交變的磁場以維持電機的連續旋轉，唯有電刷天才般的發明才使得電機真正連續的旋轉起來，無論從哪個角度來說電刷結構都是直流電機的靈魂所在。
隨著故事的進展，這個靈魂器件卻慢慢的成為直流電機的桎梏，似乎工程師們如何努力但直流電機總是無法逾越直流電機因電刷帶來的兩座大山：磨損和噪音。
磨損意味著任何使用直流電機的場合都不得不考慮設備的壽命，不得不在使用手冊單列一條對於直流電機碳刷磨損的檢查。磨損意味著直流電機的轉速不可能做得很高，否則對於機械的換向器來說磨損會變得無法控制。
對於機械換向來說火花幾乎不可避免，打火不僅會造成電刷和換向器的燒蝕還是帶來噪聲。這兩種情況是使得直流電機的某些場合變得無法接受，例如需要防爆、需要靜音的工況。
近乎完美
若沒有電刷問題直流電機的性能近乎完美。
1、自啟動
直流電機加電後可以自行啟動，並不需要專門的啟動策略和裝置。對於永磁同步、直流無刷、單相異步等電機來說啟動就不是那麼容易的一件事情了。
當然啟動電流大的情況仍然存在，因為啟動階段電機速度較低電樞繞組的反電動勢較小因此直流電機儘管可以自啟動但是仍然存在啟動電流衝擊的問題（啟動衝擊電流最大可能超過額定電流的10倍），進而造成電刷換向火花增大及對電網產生衝擊。對於小功率電機（通常認為3千瓦時一個門檻）、啟動並非特別頻繁的情況來說這些問題並不需要特別在意。
對於功率通常情況下採用限流電阻或者降壓啟動的方式實現啟動，但是如果是帶載啟動的話為了保證啟動轉矩電阻值需要隨著電機轉速提高而減小，或者電源電壓隨著轉速提高而增加，當達到額定轉速後限流電阻需要及時退出電源電壓升至額定電壓，這樣才能夠保證整個啟動過程的電磁轉矩。
2、特性硬朗
直流電機速度特性如下式所示，式中ｎ表示電機轉速，U表示電機電壓，Ｋｅ表示電機常數電機設計好之後幾乎保持不變，Φ表示電樞繞組的磁通對於他勵的恆定勵磁電機或者永磁體勵磁的直流電機來說也是常量。
直流電機轉速隨著負載（電樞繞組電流）增大而減小，同時隨著電樞電流增加電樞反應的去磁效應增加造成電樞中實際Φ減小，兩者一增一減使得直流電機的轉速在整個額定負載範圍內變化不大，近乎一條直線。
３、調速方式多樣
直流電機機械特性（轉子轉速和電磁轉矩之間的關係）如下式所示，其中Ｋe，Ｋt為電機常數。
從式中可以看出調整電源電壓U，改變電樞繞組電阻，減小勵磁繞組磁感應強度(弱磁控制)都可以實現直流電機速度的調整.
針對直流電機調速內容較多後面會單獨篇幅進行講解，這裡只需要知道:
(1)降低電源電壓會使直流電機速度變慢，這就是為什麼小時候四驅車新電池的情況下跑的快的原因，也就是我們常說的新電池勁大。家理電風扇調速大多也是這種方式.
(2)串電阻調速同樣會使電機轉速變慢，方式最為簡單但是會使系統效率降低，幾乎不用。
(3)對於電勵磁的直流電機減小電樞繞組的磁通也可以實現直流電機(弱磁調速)，通常來講弱磁控制會使直流電機的電機速度變快，這也就是弱磁升速說法的由來。
各顯神通
不管直流電機再怎麼看上去完美，但頭頂上電刷和換向器這一對烏雲總是揮之不去，限制著直流電機應用場景。於是同樣追求更高(穩定性)，更快(更快轉速)，更強(性能)的電氣天才們開始各顯神通，於是"五花八門"的電機相繼出現。幾種應用較廣的典型類型包括:
1、感應電機
感應電機是天才般電氣工程師特斯拉的傑作，在大部分繼承直流電機優點的同時徹底擺脫了電刷的困擾，簡單可靠，價格便宜，維護方便成了感應電機的代名詞。
在工業上鼠籠異步電機佔工業電動機耗電量的90%以上。
2、永磁同步電機
永磁同步電機將勵磁放在轉子上，電樞放在定子上。電樞上電流加三相交流電形成旋轉磁場從而帶動轉子旋轉，這裡也完全不需要電刷。現在高端伺服幾乎清一色的上了永磁同步，理由就是:可靠性高，結構緊湊，性能優良。
3、永磁直流無刷電機
直流無刷電機本是永磁同步電機的一種，由於其性能更加接近直流電機且應用廣泛通常單獨列出。直流無刷電機相當於定子和轉子反裝的直流電機，即勵磁(永磁體)安裝在轉子上，電樞安裝在定子上通過電子換向的方式實現電機的連續運行，避開電刷的使用。但是付出的代價是需要位置傳感器檢測轉子的位置，需要可控的電子開關來控制電樞繞組的通斷和電流方向，相當於原來通過物理機械方式實現的電樞電流換向由算法和電子元器件實現了。
名字中的無刷二字似乎足夠使永磁直流無刷電機在直流點擊面前充滿傲嬌之氣
總結
由於直流電源(伏打電池)最先被發明出來，迫使天才般的發明直流電機承擔了開闢電動時代的重任，以其優良的性能和簡單使用方法出色的完成了這個任務。但天生自帶的光環反而慢慢成了累贅，每次出場總會被調侃壽命。科學之所以偉大在於敢於面對挫折，願意直面問題不斷改進，於是諸如感應電機，直流無刷等各種更為先進電機相繼出現。但直流電機並沒有退出歷史舞臺，寶寶的四驅車，大型的軋鋼設備。前者因為價格便宜控制簡單，後者因為其能夠提供足夠大的功率。