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什么是電機(jī)?


從廣義上講，“電機(jī)(mortor)”是一種動(dòng)力裝置，比如在賽車運(yùn)動(dòng)等與汽車相關(guān)的英文術(shù)語中也會(huì)用到，這里所講的“電機(jī)”是指將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的“電動(dòng)機(jī)”。


那么電動(dòng)機(jī)(電機(jī))是如何將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的呢?


電機(jī)是利用電能形成電磁體，并利用磁體的相互作用(引力和斥力)產(chǎn)生機(jī)械能。

還有另外一種解釋思路，也許這種解釋更通用，也可以說電機(jī)“利用了通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力”。這就涉及到“弗萊明左手定則”。我們可以用下面的簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖來具體了解這個(gè)原理(注：需要切換電流方向才能持續(xù)旋轉(zhuǎn))。不過它的結(jié)構(gòu)與后續(xù)將要介紹的實(shí)際電機(jī)結(jié)構(gòu)略有不同，因此，在這里我先來大致講解一下“電磁體的應(yīng)用”。

電磁體是在鐵等磁性材料上纏繞導(dǎo)線而制成的。當(dāng)然，只是這樣纏繞并不會(huì)發(fā)生什么，但是當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，磁性材料就會(huì)擁有磁鐵的特性，會(huì)吸引其他磁體(鐵等)。另外，由于可以通過改變電流的方向來改變磁極，因此如果在一個(gè)磁體的對(duì)面配置另一個(gè)磁體，那么施加在該磁體上的力就可以在引力和斥力之間切換(參見下圖)。
電磁體是在鐵等磁性材料上纏繞導(dǎo)線而制成的。當(dāng)然，只是這樣纏繞并不會(huì)發(fā)生什么，但是當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，磁性材料就會(huì)擁有磁鐵的特性，會(huì)吸引其他磁體(鐵等)。另外，由于可以通過改變電流的方向來改變磁極，因此如果在一個(gè)磁體的對(duì)面配置另一個(gè)磁體，那么施加在該磁體上的力就可以在引力和斥力之間切換(參見下圖)。
這種電機(jī)的結(jié)構(gòu)如“三個(gè)電磁體”圖所示，由以120度的間隔機(jī)械排列的線圈和導(dǎo)電滑環(huán)、夾著導(dǎo)電滑環(huán)配置的兩個(gè)電刷、以及永磁體組成。這種電機(jī)由于具有電刷而被稱為“有刷電機(jī)”、“換向器電機(jī)”或“整流子電機(jī)”。




為了方便大家了解為什么是這種120度夾角的結(jié)構(gòu)，我們先用一個(gè)電磁體的示意圖來說明其旋轉(zhuǎn)原理。




在“一個(gè)電磁體”圖中，有兩個(gè)電刷，一個(gè)接正電極，一個(gè)接負(fù)電極。如圖所示，當(dāng)用電刷夾住導(dǎo)電滑環(huán)時(shí)，電壓會(huì)施加在與滑環(huán)相連的線圈上，從而使電流流過。該導(dǎo)電滑環(huán)安裝在電機(jī)的曲軸上，與線圈(電磁體)一起旋轉(zhuǎn)。


以這種結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，例如當(dāng)圖中位置有線圈時(shí)，通過調(diào)整配置導(dǎo)電滑環(huán)的位置，使電流流過，從而使電磁體的磁極成為如圖所示的磁極。這樣，在線圈中就會(huì)產(chǎn)生逆時(shí)針方向的力，從而能夠使電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。


接下來，我們來看看該線圈通過旋轉(zhuǎn)到達(dá) 位置時(shí)的情況。在這個(gè)位置，如果電磁體的極性保持不變，那么線圈就會(huì)停止，所以需要在這個(gè)位置改變電磁體的極性。微調(diào)導(dǎo)電滑環(huán)的位置，使電刷和滑環(huán)的連接正好在這個(gè)位置反接，這樣就能夠使電機(jī)保持持續(xù)旋轉(zhuǎn)。


然而，如果仔細(xì)觀察，您會(huì)注意到這種結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)。例如，實(shí)際上很難在正好的時(shí)間點(diǎn)在位置切換電極，如果在這里電極切換出現(xiàn)問題，電機(jī)就會(huì)停轉(zhuǎn)。另外，一個(gè)導(dǎo)電滑環(huán)和兩個(gè)電刷之間的接觸可能會(huì)導(dǎo)致正極和負(fù)極之間短路，從而引發(fā)故障。


為了解決這些問題，設(shè)計(jì)師們想到了使用三個(gè)線圈、并將電磁體以120度的間隔進(jìn)行配置的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)被稱為“三相電機(jī)”，示例中的電機(jī)就是這種電機(jī)。順便提一下，由一個(gè)電磁體組成的電機(jī)被稱為“單相電機(jī)”。


前面的“三個(gè)電磁體”圖是三相電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。其線圈有三個(gè)，每個(gè)線圈的一端與導(dǎo)電滑環(huán)相連，另一端則將三個(gè)線圈連起來。通過這樣的接線方式，用電刷給兩個(gè)導(dǎo)電滑環(huán)施加電壓，使兩個(gè)線圈被磁化。這樣，比如在位置，A線圈和B線圈被磁化，在位置，在處變?yōu)镹極的B線圈被消磁，而C線圈變?yōu)镹極。如果是這樣運(yùn)轉(zhuǎn)，就不會(huì)出現(xiàn)“一個(gè)電磁體”圖中的情況。而且，采用這種導(dǎo)電滑環(huán)配置方式，正極和負(fù)極之間不會(huì)短路。






綜上所述，電機(jī)是通過在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間點(diǎn)切換電磁體的極性來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的。