電動機工作原理

引言

電動機無所不在！您在房內(nèi)四周所見到的機械運動幾乎都是由AC（交流）或DC（直流）電動機產(chǎn)生的。

通過了解電動機的工作原理，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機不斷運轉(zhuǎn)。

電動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

我們首先看看簡易型雙極直流電動機的總平面圖。簡易電動機包括六個部分，如下圖所示：

• 電樞或轉(zhuǎn)子
• 整流子
• 電刷
• 軸
• 場磁鐵
• 某種類型的直流電源

電動機的組成部分

電動機的工作方式不外乎與磁鐵和磁性相關(guān)：電動機使用磁鐵產(chǎn)生運動。如果您曾經(jīng)玩過磁鐵的話，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吸住另一根磁鐵的南極。反之，一根磁鐵的北極將會排斥另一根磁鐵的北極（對于南極，情況與此相同）。在電動機的內(nèi)部，就是這些吸引力和排斥力產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)運動。

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

玩具電動機

此處分解的電動機是在玩具中常見的簡易型電動機：

您可以看到這是一個小型電動機，與一毛錢的美元硬幣差不多大小。從外部看，可以看到構(gòu)成電動機機體的鋼結(jié)構(gòu)、一根軸、一個尼龍端蓋和兩條電池導(dǎo)線。如果將電動機的電池導(dǎo)線接到手電筒的電池上，軸就會轉(zhuǎn)動。如果將導(dǎo)線反接，則軸會朝反方向轉(zhuǎn)動。下面是同一電動機的其他兩個視圖。（請注意第二個視圖中鋼殼一側(cè)的兩個槽，稍后您就會明白它們是用來干什么的了）

尼龍端蓋由構(gòu)成鋼殼的兩個簧片固定到位。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(nèi)部可以看到電動機的電刷。當電動機旋轉(zhuǎn)時，這些電刷可以將電池中的電能傳輸?shù)秸髯樱?

電動機的其他部件

軸可以固定電樞和整流子。在這個例子中，電樞是一組電磁鐵。此電動機中的電樞是一組疊在一起的薄金屬片，其三個極中的每個極都繞有細銅線。每根電線（每個極為一根電線）的兩端均焊接在接線端上，同時三個接線端分別連接在整流子的一個極板上。通過下圖您可以方便地查看電樞、接線端和整流子：

所有直流電動機的最后一個零件都是場磁鐵。此電動機中的場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，另一端通過固定夾壓在兩塊磁鐵的其他兩端。

電磁鐵和電動機

要了解電動機的工作原理，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，請參見電磁體工作原理。）

電磁鐵是電動機的基礎(chǔ)。想象一下這個場景，您即可明白電動機的內(nèi)部組件是如何工作的。比如您按此方法制作了一個簡易的電磁鐵：在釘子上卷繞100圈金屬線，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(xiàn)在，拿起這個釘子做成的電磁鐵，在它的中間插進一根軸，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)基本法則將會告訴您會發(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似的方式發(fā)生排斥。釘子將運動半周，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(xiàn)這半周的運動不過是由于磁鐵自然地相互吸引和排斥產(chǎn)生的。制造電動機的關(guān)鍵是要更進一步，使半周運動在完成的那一瞬間，電磁鐵的磁場發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這種翻轉(zhuǎn)可以使電磁鐵完成另一個半周運動。更改電子在電線中的流動方向（讓電池掉頭就可以實現(xiàn)此目的）便可以翻轉(zhuǎn)磁場。如果能夠在完成每個半周運動時的適當時間精確地翻轉(zhuǎn)電磁鐵的磁場，則電動機就可以自由旋轉(zhuǎn)。

電樞、整流子和電刷

電樞

電樞帶有一個軸，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(cè)視圖和后視圖。后視圖中沒有包括繞組，目的是為了更清楚地展示整流子。您可以發(fā)現(xiàn)整流子不過是與軸連接的一對極板。這些極板分別連接到電磁鐵線圈的兩個連接端。

電刷和整流子

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

電動機組裝

將所有這些部件裝在一起，您就可以得到一個完整的電動機：

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(zhuǎn)。要觀察的關(guān)鍵之處在于，當電樞橫向移動時，電磁鐵的兩極會發(fā)生翻轉(zhuǎn)。由于這種翻轉(zhuǎn)，電磁鐵的北極會始終位于軸的上方，從而排斥場磁鐵的北極，并吸引場磁鐵的南極。

如果您有機會拆開一個小型電動機的話，就會發(fā)現(xiàn)其中包含了上面所述的相同零件：兩塊小型永久磁鐵、一個整流子、兩個電刷以及一個電磁鐵（通過在一塊金屬上繞線制成）。但是，轉(zhuǎn)子幾乎總是帶有三個極，而不是本文所示的兩極。電動機使用三個極可以帶來兩個優(yōu)勢：

• 使電動機具有更好的動力。在雙極電動機中，如果電動機啟動時，電磁鐵位于平衡點上，也就是在場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”在這個位置。在三極電動機中永遠不會發(fā)生這種情況。
  
• 在雙極電動機中，每當整流子到達它翻轉(zhuǎn)磁場的位置時，就會使電池短路（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。而三極電動機則同樣可以解決這個問題。

根據(jù)電動機的大小及其具體用途，您可以使用任意數(shù)目的電極。

電動機的應(yīng)用

環(huán)顧一下您的房間，您就會發(fā)現(xiàn)到處都有電動機的身影。您可以嘗試展開下面這個有趣的調(diào)查：在房間里走一遍，統(tǒng)計一下找到的所有電動機。從廚房開始，以下位置會使用電動機：

• 爐子上方和微波爐中的風(fēng)扇
• 洗滌槽下面的排污器
• 攪拌機
• 開罐器
• 冰箱——事實上它有兩到三個電動機：一個供壓縮機用，一個供冰箱內(nèi)部風(fēng)扇用，還有一個供制冰機用
• 混合器
• 應(yīng)答機中的磁帶播放機
• 甚至烘箱上的時鐘也有可能使用了電動機

雜物間中的以下位置使用了電動機：

• 洗衣機
• 干燥機
• 電動螺絲刀
• 真空吸塵器和微型真空除塵器
• 電鋸
• 電鉆
• 火爐鼓風(fēng)機

甚至在浴室也可以找到電動機：

• 風(fēng)扇
• 電動牙刷
• 吹風(fēng)機
• 電動刮胡刀

汽車中也裝有一些電動機：

• 自動開閉式車窗（每個車窗配有一個電動機）
• 自動調(diào)節(jié)座位（每個座位配有多達七個電動機）
• 加熱器和散熱器的風(fēng)扇
• 擋風(fēng)玻璃雨刷
• 啟動馬達
• 無線裝置電動天線

此外，其他場所也存在各種各樣的電動機：

• VCR中有若干個電動機
• CD播放器或大型錄音機中有若干個電動機
• 計算機中有許多電動機（磁盤驅(qū)動器使用兩至三個，加上一至兩個風(fēng)扇使用的電動機）
• 大多數(shù)運動玩具至少包含一個電動機（例如Tickle-me-Elmo在振動時使用的電動機）
• 電子時鐘
• 車庫開門裝置
• 魚缸水泵

在房間里轉(zhuǎn)了一遭后，我統(tǒng)計到各種設(shè)備中隱藏有50多個電動機。每個運動設(shè)備都是使用電動機來實現(xiàn)其運動的。