電動(dòng)機工作原理

作者：時(shí)間：2011-07-13 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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電動(dòng)機工作原理

1. 引言 2. 電動(dòng)機內部結構 3. 玩具電動(dòng)機 4. 電動(dòng)機的其他部件 5. 電磁鐵和電動(dòng)機 6. 電樞、整流子和電刷 7. 電動(dòng)機組裝 8. 電動(dòng)機的應用

引言

電動(dòng)機無(wú)所不在！您在房?jì)人闹芩?jiàn)到的機械運動(dòng)幾乎都是由AC（交流）或DC（直流）電動(dòng)機產(chǎn)生的。

通過(guò)了解電動(dòng)機的工作原理，我們可以了解有關(guān)磁鐵、電磁鐵和電學(xué)的許多常識。本文將介紹是什么原因使電動(dòng)機不斷運轉。

電動(dòng)機內部結構

我們首先看看簡(jiǎn)易型雙極直流電動(dòng)機的總平面圖。簡(jiǎn)易電動(dòng)機包括六個(gè)部分，如下圖所示：

電樞或轉子
整流子
電刷
軸
場(chǎng)磁鐵
某種類(lèi)型的直流電源

電動(dòng)機的組成部分

電動(dòng)機的工作方式不外乎與磁鐵和磁性相關(guān)：電動(dòng)機使用磁鐵產(chǎn)生運動(dòng)。如果您曾經(jīng)玩過(guò)磁鐵的話(huà)，就知道所有磁鐵都具有以下基本法則：同極相斥，異極相吸。因此，如果有兩根磁鐵，并且每根的兩端分別標有“北”和“南”，則一根磁鐵的北極將會(huì )吸住另一根磁鐵的南極。反之，一根磁鐵的北極將會(huì )排斥另一根磁鐵的北極（對于南極，情況與此相同）。在電動(dòng)機的內部，就是這些吸引力和排斥力產(chǎn)生了旋轉運動(dòng)。

在上圖中，您可以看到電動(dòng)機中有兩塊磁鐵：電樞（或轉子）是電磁鐵，場(chǎng)磁鐵是永久磁鐵（場(chǎng)磁鐵也可以充當電磁鐵，但在大多數小型電動(dòng)機中，人們?yōu)榱耸‰姸粚⑵溆米麟姶盆F）。

玩具電動(dòng)機

此處分解的電動(dòng)機是在玩具中常見(jiàn)的簡(jiǎn)易型電動(dòng)機：

您可以看到這是一個(gè)小型電動(dòng)機，與一毛錢(qián)的美元硬幣差不多大小。從外部看，可以看到構成電動(dòng)機機體的鋼結構、一根軸、一個(gè)尼龍端蓋和兩條電池導線(xiàn)。如果將電動(dòng)機的電池導線(xiàn)接到手電筒的電池上，軸就會(huì )轉動(dòng)。如果將導線(xiàn)反接，則軸會(huì )朝反方向轉動(dòng)。下面是同一電動(dòng)機的其他兩個(gè)視圖。（請注意第二個(gè)視圖中鋼殼一側的兩個(gè)槽，稍后您就會(huì )明白它們是用來(lái)干什么的了）

尼龍端蓋由構成鋼殼的兩個(gè)簧片固定到位。如果您將簧片往后扳，就可以釋放端蓋并將其卸下。在端蓋的內部可以看到電動(dòng)機的電刷。當電動(dòng)機旋轉時(shí)，這些電刷可以將電池中的電能傳輸到整流子：

電動(dòng)機的其他部件

軸可以固定電樞和整流子。在這個(gè)例子中，電樞是一組電磁鐵。此電動(dòng)機中的電樞是一組疊在一起的薄金屬片，其三個(gè)極中的每個(gè)極都繞有細銅線(xiàn)。每根電線(xiàn)（每個(gè)極為一根電線(xiàn)）的兩端均焊接在接線(xiàn)端上，同時(shí)三個(gè)接線(xiàn)端分別連接在整流子的一個(gè)極板上。通過(guò)下圖您可以方便地查看電樞、接線(xiàn)端和整流子：

所有直流電動(dòng)機的最后一個(gè)零件都是場(chǎng)磁鐵。此電動(dòng)機中的場(chǎng)磁鐵由外殼本身以及兩片弧形永久磁鐵組成：

每塊磁鐵的一端卡在外殼上切入的槽中，另一端通過(guò)固定夾壓在兩塊磁鐵的其他兩端。

電磁鐵和電動(dòng)機

要了解電動(dòng)機的工作原理，關(guān)鍵是要了解電磁鐵的工作原理。（有關(guān)完整的詳細信息，請參見(jiàn)電磁體工作原理。）

電磁鐵是電動(dòng)機的基礎。想象一下這個(gè)場(chǎng)景，您即可明白電動(dòng)機的內部組件是如何工作的。比如您按此方法制作了一個(gè)簡(jiǎn)易的電磁鐵：在釘子上卷繞100圈金屬線(xiàn)，然后將這顆釘子連接到電池。連接電池后，釘子將變成一塊磁鐵，并且有南極和北極。

現在，拿起這個(gè)釘子做成的電磁鐵，在它的中間插進(jìn)一根軸，然后懸掛在馬蹄形磁鐵的中央，如下圖所示。如果將電池連接到電磁鐵，使釘子北極的方向與圖中所示一致，那么磁學(xué)基本法則將會(huì )告訴您會(huì )發(fā)生什么：電磁鐵的北極將與馬蹄形磁鐵的北極排斥，并與馬蹄形磁鐵的南極相吸。電磁鐵的南極也以類(lèi)似的方式發(fā)生排斥。釘子將運動(dòng)半周，然后在所示的位置停住。

馬蹄形磁鐵中的電磁鐵

您可以發(fā)現這半周的運動(dòng)不過(guò)是由于磁鐵自然地相互吸引和排斥產(chǎn)生的。制造電動(dòng)機的關(guān)鍵是要更進(jìn)一步，使半周運動(dòng)在完成的那一瞬間，電磁鐵的磁場(chǎng)發(fā)生翻轉。這種翻轉可以使電磁鐵完成另一個(gè)半周運動(dòng)。更改電子在電線(xiàn)中的流動(dòng)方向（讓電池掉頭就可以實(shí)現此目的）便可以翻轉磁場(chǎng)。如果能夠在完成每個(gè)半周運動(dòng)時(shí)的適當時(shí)間精確地翻轉電磁鐵的磁場(chǎng)，則電動(dòng)機就可以自由旋轉。

電樞、整流子和電刷

電樞

繼續考察上一頁(yè)的插圖?，F在我們用電樞來(lái)替代電動(dòng)機中的釘子。電樞是一種電磁鐵，其制作方式是在金屬芯的兩個(gè)或更多極上卷繞細線(xiàn)。

電樞帶有一個(gè)軸，該軸與整流子相連接。在右圖中，您可以看到同一電樞的三種不同視圖：前視圖、側視圖和后視圖。后視圖中沒(méi)有包括繞組，目的是為了更清楚地展示整流子。您可以發(fā)現整流子不過(guò)是與軸連接的一對極板。這些極板分別連接到電磁鐵線(xiàn)圈的兩個(gè)連接端。

電刷和整流子

在電動(dòng)機中，用于“翻轉電場(chǎng)”的部件是由兩個(gè)部分組成的：整流子和電刷。

右圖顯示了整流子和電刷如何作為一個(gè)整體使電流流向電磁鐵，以及如何在適當的時(shí)間翻轉電子的流動(dòng)方向。整流子的觸點(diǎn)與電磁鐵的軸相連，使軸可以隨磁鐵一起旋轉。電刷不過(guò)是兩片與整流子接觸的彈性金屬或碳。

電動(dòng)機組裝

將所有這些部件裝在一起，您就可以得到一個(gè)完整的電動(dòng)機：

電樞

本圖省略了電樞繞組，以便您方便地查看整流子的運轉。要觀(guān)察的關(guān)鍵之處在于，當電樞橫向移動(dòng)時(shí)，電磁鐵的兩極會(huì )發(fā)生翻轉。由于這種翻轉，電磁鐵的北極會(huì )始終位于軸的上方，從而排斥場(chǎng)磁鐵的北極，并吸引場(chǎng)磁鐵的南極。

如果您有機會(huì )拆開(kāi)一個(gè)小型電動(dòng)機的話(huà)，就會(huì )發(fā)現其中包含了上面所述的相同零件：兩塊小型永久磁鐵、一個(gè)整流子、兩個(gè)電刷以及一個(gè)電磁鐵（通過(guò)在一塊金屬上繞線(xiàn)制成）。但是，轉子幾乎總是帶有三個(gè)極，而不是本文所示的兩極。電動(dòng)機使用三個(gè)極可以帶來(lái)兩個(gè)優(yōu)勢：

使電動(dòng)機具有更好的動(dòng)力。在雙極電動(dòng)機中，如果電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)，電磁鐵位于平衡點(diǎn)上，也就是在場(chǎng)磁鐵兩極之間的完全水平位置，則您可以想象得到，電樞將“卡”在這個(gè)位置。在三極電動(dòng)機中永遠不會(huì )發(fā)生這種情況。
在雙極電動(dòng)機中，每當整流子到達它翻轉磁場(chǎng)的位置時(shí)，就會(huì )使電池短路（將正極和負極直接相連）片刻。這種短路浪費了能量，并且使電池不必要地放電。而三極電動(dòng)機則同樣可以解決這個(gè)問(wèn)題。

根據電動(dòng)機的大小及其具體用途，您可以使用任意數目的電極。