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什么是電機?

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

那么電動機(電機)是如何將電能轉(zhuǎn)換為機械能的呢?

電機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“利用了通電導體在磁場中的受力”。這就涉及到“弗萊明左手定則”。我們可以用下面的簡單旋轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖來具體了解這個原理(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)將要介紹的實際電機結(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線而制成的。當然，只是這樣纏繞并不會發(fā)生什么，但是當電流流過導線時，磁性材料就會擁有磁鐵的特性，會吸引其他磁體(鐵等)。另外，由于可以通過改變電流的方向來改變磁極，因此如果在一個磁體的對面配置另一個磁體，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)。

所謂的電機，就是基于這種電磁體特性，利用電能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的(注：也有線性電機等做直線運動的電機)。


現(xiàn)在，相信您已經(jīng)明白了機械能是通過磁體的相吸與相斥的力而獲得的，那么，持續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動是如何實現(xiàn)的呢?關(guān)于這一點，只要看看無線遙控汽車和電子制作等作品中使用的電機的結(jié)構(gòu)，其實很容易理解。


電機的旋轉(zhuǎn)原理


下面我們以基本的有刷電機為例，來了解一下電機的旋轉(zhuǎn)原理。
這種電機的結(jié)構(gòu)如“三個電磁體”圖所示，由以120度的間隔機械排列的線圈和導電滑環(huán)、夾著導電滑環(huán)配置的兩個電刷、以及永磁體組成。這種電機由于具有電刷而被稱為“有刷電機”、“換向器電機”或“整流子電機”。
為了方便大家了解為什么是這種120度夾角的結(jié)構(gòu)，我們先用一個電磁體的示意圖來說明其旋轉(zhuǎn)原理。
在“一個電磁體”圖中，有兩個電刷，一個接正電極，一個接負電極。如圖所示，當用電刷夾住導電滑環(huán)時，電壓會施加在與滑環(huán)相連的線圈上，從而使電流流過。該導電滑環(huán)安裝在電機的曲軸上，與線圈(電磁體)一起旋轉(zhuǎn)。


以這種結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，例如當圖中位置有線圈時，通過調(diào)整配置導電滑環(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，在線圈中就會產(chǎn)生逆時針方向的力，從而能夠使電機旋轉(zhuǎn)起來。


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

然而，如果仔細觀察，您會注意到這種結(jié)構(gòu)的難點。例如，實際上很難在正好的時間點在位置切換電極，如果在這里電極切換出現(xiàn)問題，電機就會停轉(zhuǎn)。另外，一個導電滑環(huán)和兩個電刷之間的接觸可能會導致正極和負極之間短路，從而引發(fā)故障。

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

前面的“三個電磁體”圖是三相電機結(jié)構(gòu)示意圖。其線圈有三個，每個線圈的一端與導電滑環(huán)相連，另一端則將三個線圈連起來。通過這樣的接線方式，用電刷給兩個導電滑環(huán)施加電壓，使兩個線圈被磁化。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。如果是這樣運轉(zhuǎn)，就不會出現(xiàn)“一個電磁體”圖中的情況。而且，采用這種導電滑環(huán)配置方式，正極和負極之間不會短路。

綜上所述，電機是通過在適當?shù)臅r間點切換電磁體的極性來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的。