電動(dòng)機(jī)工作原理

引言

電動(dòng)機(jī)無所不在！您在房內(nèi)四周所見到的機(jī)械運(yùn)動(dòng)幾乎都是由AC（交流）或DC（直流）電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的。

通過了解電動(dòng)機(jī)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(shí)。本文將介紹是什么原因使電動(dòng)機(jī)不斷運(yùn)轉(zhuǎn)。

電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

我們首先看看簡易型雙極直流電動(dòng)機(jī)的總平面圖。簡易電動(dòng)機(jī)包括六個(gè)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(dòng)機(jī)的工作方式不外乎與磁鐵和磁性相關(guān)：電動(dòng)機(jī)使用磁鐵產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。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(biāo)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(jī)的內(nèi)部，就是這些吸引力和排斥力產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

在上圖中，您可以看到電動(dòng)機(jī)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(dāng)電磁鐵，但在大多數(shù)小型電動(dòng)機(jī)中，人們?yōu)榱耸‰姸粚⑵溆米麟姶盆F）。

玩具電動(dòng)機(jī)

此處分解的電動(dòng)機(jī)是在玩具中常見的簡易型電動(dòng)機(jī)：

您可以看到這是一個(gè)小型電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)機(jī)體的鋼結(jié)構(gòu)、一根軸、一個(gè)尼龍端蓋和兩條電池導(dǎo)線。如果將電動(dòng)機(jī)的電池導(dǎo)線接到手電筒的電池上，軸就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果將導(dǎo)線反接，則軸會(huì)朝反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。下面是同一電動(dòng)機(jī)的其他兩個(gè)視圖。（請注意第二個(gè)視圖中鋼殼一側(cè)的兩個(gè)槽，稍后您就會(huì)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(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(nèi)部可以看到電動(dòng)機(jī)的電刷。當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些電刷可以將電池中的電能傳輸?shù)秸髯樱?

電動(dòng)機(jī)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(jī)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(xì)銅線。每根電線（每個(gè)極為一根電線）的兩端均焊接在接線端上，同時(shí)三個(gè)接線端分別連接在整流子的一個(gè)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(dòng)機(jī)的最后一個(gè)零件都是場磁鐵。此電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)

要了解電動(dòng)機(jī)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(xì)信息，請參見電磁體工作原理。）

電磁鐵是電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)。想象一下這個(gè)場景，您即可明白電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部組件是如何工作的。比如您按此方法制作了一個(gè)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(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似的方式發(fā)生排斥。釘子將運(yùn)動(dòng)半周，然后在所示的位置停住。

您可以發(fā)現(xiàn)這半周的運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的關(guān)鍵是要更進(jìn)一步，使半周運(yùn)動(dòng)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(gè)半周運(yùn)動(dòng)。更改電子在電線中的流動(dòng)方向（讓電池掉頭就可以實(shí)現(xiàn)此目的）便可以翻轉(zhuǎn)磁場。如果能夠在完成每個(gè)半周運(yùn)動(dòng)時(shí)的適當(dāng)時(shí)間精確地翻轉(zhuǎn)電磁鐵的磁場，則電動(dòng)機(jī)就可以自由旋轉(zhuǎn)。

電樞、整流子和電刷

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(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(gè)連接端。

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(dāng)?shù)臅r(shí)間翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。電刷不過是兩片與整流子接觸的彈性金屬或碳。

電動(dòng)機(jī)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(jī)：

本圖省略了電樞繞組，以便您方便地查看整流子的運(yùn)轉(zhuǎn)。要觀察的關(guān)鍵之處在于，當(dāng)電樞橫向移動(dòng)時(shí)，電磁鐵的兩極會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。由于這種翻轉(zhuǎn)，電磁鐵的北極會(huì)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(jī)會(huì)拆開一個(gè)小型電動(dòng)機(jī)的話，就會(huì)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(gè)整流子、兩個(gè)電刷以及一個(gè)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(gè)極，而不是本文所示的兩極。電動(dòng)機(jī)使用三個(gè)極可以帶來兩個(gè)優(yōu)勢：

• 使電動(dòng)機(jī)具有更好的動(dòng)力。在雙極電動(dòng)機(jī)中，如果電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電磁鐵位于平衡點(diǎn)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(gè)位置。在三極電動(dòng)機(jī)中永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生這種情況。
  
• 在雙極電動(dòng)機(jī)中，每當(dāng)整流子到達(dá)它翻轉(zhuǎn)磁場的位置時(shí)，就會(huì)使電池短路（將正極和負(fù)極直接相連）片刻。這種短路浪費(fèi)了能量，并且使電池不必要地放電。而三極電動(dòng)機(jī)則同樣可以解決這個(gè)問題。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的大小及其具體用途，您可以使用任意數(shù)目的電極。

電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

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

• 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(jī)
• 開罐器
• 冰箱——事實(shí)上它有兩到三個(gè)電動(dòng)機(jī)：一個(gè)供壓縮機(jī)用，一個(gè)供冰箱內(nèi)部風(fēng)扇用，還有一個(gè)供制冰機(jī)用
• 混合器
• 應(yīng)答機(jī)中的磁帶播放機(jī)
• 甚至烘箱上的時(shí)鐘也有可能使用了電動(dòng)機(jī)

雜物間中的以下位置使用了電動(dòng)機(jī)：

• 洗衣機(jī)
• 干燥機(jī)
• 電動(dòng)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(jī)

甚至在浴室也可以找到電動(dòng)機(jī)：

• 風(fēng)扇
• 電動(dòng)牙刷
• 吹風(fēng)機(jī)
• 電動(dòng)刮胡刀

汽車中也裝有一些電動(dòng)機(jī)：

• 自動(dòng)開閉式車窗（每個(gè)車窗配有一個(gè)電動(dòng)機(jī)）
• 自動(dòng)調(diào)節(jié)座位（每個(gè)座位配有多達(dá)七個(gè)電動(dòng)機(jī)）
• 加熱器和散熱器的風(fēng)扇
• 擋風(fēng)玻璃雨刷
• 啟動(dòng)馬達(dá)
• 無線裝置電動(dòng)天線

此外，其他場所也存在各種各樣的電動(dòng)機(jī)：

• VCR中有若干個(gè)電動(dòng)機(jī)
• CD播放器或大型錄音機(jī)中有若干個(gè)電動(dòng)機(jī)
• 計(jì)算機(jī)中有許多電動(dòng)機(jī)（磁盤驅(qū)動(dòng)器使用兩至三個(gè)，加上一至兩個(gè)風(fēng)扇使用的電動(dòng)機(jī)）
• 大多數(shù)運(yùn)動(dòng)玩具至少包含一個(gè)電動(dòng)機(jī)（例如Tickle-me-Elmo在振動(dòng)時(shí)使用的電動(dòng)機(jī)）
• 電子時(shí)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(jì)到各種設(shè)備中隱藏有50多個(gè)電動(dòng)機(jī)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)設(shè)備都是使用電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)的。