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电动机的工作原理——理论上

发布时间:2022-11-22 点击数:15

电、磁和运动之间的联系最初是在 1820 年由法国物理学家安德烈-玛丽安培( André-Marie Ampère 1775-1867 年)发现的,它是电动机背后的基础科学。但是,如果我们想将这一惊人的科学发现转化为更实用的技术来为我们的电动割草机和牙刷提供动力,我们就必须更进一步。这样做的发明家是英国人迈克尔法拉第(1791–1867) 和威廉斯特金(1783–1850) 以及美国人 约瑟夫亨利(1797–1878)。以下是他们如何得出他们的绝妙发明。

 

假设我们将电线弯曲成方形 U 形环,这样实际上有两条平行电线穿过磁场。其中一个通过电线将电流从我们身上带走,另一个将电流带回来。由于电流在导线中以相反的方向流动,弗莱明的左手定则告诉我们两条导线将以相反的方向移动。换句话说,当我们接通电源时,一根电线会向上移动,另一根会向下移动。

 

如果线圈能够像这样继续运动,它就会不断旋转——我们就能顺利地制造出电动机。但我们目前的设置不会发生这种情况:电线会很快缠在一起。不仅如此,如果线圈可以旋转得足够远,还会发生其他事情。一旦线圈到达垂直位置,它就会翻转,因此电流会以相反的方式流过它。现在线圈两侧的力会反转。它不会继续朝同一个方向旋转,而是会朝刚刚来的方向倒退!想象一辆带有这样马达的电动火车:它会在原地不停地来回移动,而不会实际去任何地方。

 

相片:电工在航空母舰上维修电动机。他使用的闪亮金属可能看起来像金子,但实际上是铜,一种价格便宜得多的良导体。照片由 Jason Jacobowitz 提供,由 美国海军提供。

 

 

电动机的工作原理——实践

有两种方法可以克服这个问题。一种是使用一种周期性反转方向的电流,称为交流电 (AC)。在我们在家中使用的小型电池供电电机中,更好的解决方案是添加一个称为换向器的组件到线圈的末端。(不用担心毫无意义的技术名称:“commutation”这个略显老套的词有点像“commute”这个词。它只是简单地表示来回变化,就像commute表示来回旅行一样.) 在最简单的形式中,换向器是一个金属环,分为两个独立的两半,其作用是每次线圈旋转半圈时反转线圈中的电流。线圈的一端连接到换向器的每一半。来自电池的电流连接到电机的电气端子。它们通过一对称为电刷的松散连接器将电力馈入换向器,由石墨片(类似于铅笔的软碳)或细长的弹性金属制成,(顾名思义)在换向器上。换向器就位后,当电流流过电路时,线圈将继续沿同一方向旋转。

 

显示主要部件的电动机的标记图。 显示电机如何旋转的动画。

 

图稿:电动机零件的简化图。动画:它在实践中是如何工作的。请注意换向器如何在每次线圈转动一半时反转电流。这意味着线圈每一侧的力始终沿相同方向推动,从而使线圈保持顺时针旋转。

 

像这样的简单的实验电机无法产生很大的功率。我们可以通过三种方式增加电机产生的转动力(或扭矩):我们可以使用更强大的永磁体,或者我们可以增加流过电线的电流,或者我们可以制作线圈,使其具有许多(环)非常细的电线而不是一个的粗线。实际上,电机还具有弯曲成圆形的永磁体,因此它几乎接触到在其内部旋转的线圈。磁铁和线圈靠得越近,电机产生的力就越大。

 

尽管我们描述了许多不同的部件,但您可以将电机视为只有两个基本部件:

 

电机外壳边缘周围有一个(或多个)永磁体,它保持静止,因此称为电机定子。

在定子内部,有线圈,安装在高速旋转的轴上——这就是所谓的转子。转子还包括换向器。

 

通用电机

像这样的直流电机非常适合电池供电的玩具(例如模型火车、无线电遥控汽车或电动剃须刀),但您在许多家用电器中找不到它们。小型电器(如咖啡研磨机或电动食品搅拌机)倾向于使用所谓的通用电机,它可以由交流电或直流电供电。与简单的直流电机不同,通用电机有一个电磁铁,而不是永磁体,它从您输入的直流或交流电源中获取能量:

 

当您输入直流电时,电磁铁就像传统的永磁体一样工作,并产生始终指向同一方向的磁场。每次线圈翻转时,换向器都会反转线圈电流,就像在简单的直流电机中一样,因此线圈始终沿相同方向旋转。

然而,当你输入交流电时,流过电磁铁的电流和流过线圈的电流都是反向的,步调一致,所以线圈上的力总是同向的,电机总是顺时针或逆时针旋转顺时针。换向器呢?电流频率的变化比电机旋转快得多,并且由于磁场和电流始终同步,换向器在任何给定时刻处于什么位置实际上并不重要。

显示通用电机如何与交流电源一起工作的动画 显示电动机内部主要部件的标记照片

 

动画:通用电机的工作原理:电源为磁场和旋转线圈供电。使用直流电源,通用电机就像传统的直流电机一样工作,如上所述。使用交流电源时,每次电源电流反转时,磁场和线圈电流都会改变方向。这意味着线圈上的力始终指向相同的方向。

 

相片:典型的通用电机内部:咖啡研磨机的中型电机内部的主要部件,可以在直流或交流下运行。边缘周围的灰色电磁铁是定子(静态部分),由橙色线圈供电。还要注意换向器上的狭缝和推动它的碳刷,它们为转子(旋转部分)提供动力。电动火车等设备中的感应电机比这大很多倍,功率也大很多,并且始终使用高压交流电 (AC) 工作,而不是使用低压直流电 (DC) 或中低压家用交流电为通用电机提供动力。

 

 

其他种类电动机

一辆装有电动马达的黄色美国校车。

 

照片:电动机有各种形状和大小。这辆校车用大型电动机(白盒子)取代了旧的脏柴油发动机,以减少空气污染。照片由 Dennis Schroeder 提供,由 NREL(国家可再生能源实验室)提供。

 

在简单的直流电机和通用电机中,转子在定子内旋转。转子是连接到电源的线圈,定子是永磁体或电磁铁。大型交流电机(用于工厂机器之类的东西)的工作方式略有不同:它们使交流电通过相对的磁铁对以产生旋转磁场,从而在电机转子中感应(产生)磁场,导致它旋转。您可以在我们关于交流感应电机的文章中阅读更多相关信息。如果你把这些感应电机中的一个展开,那么定子就有效地布置成一条长而连续的轨道,转子可以沿着它直线滚动。这种巧妙的设计被称为直线电机,你会在工厂机器和漂浮的磁悬浮(磁悬浮)铁路等事物中找到它。

 

另一个有趣的设计是无刷直流 (BLDC) 电机。定子和转子有效地互换,多个铁线圈在中心静止,永磁体围绕它们旋转,换向器和电刷被电子电路取代。您可以在我们关于轮毂电机的主要文章中阅读更多内容。 通过精确控制的角度转动的步进电机是无刷直流电机的变体。

 


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