我们都听说过电机,但一个问题总是浮现在脑海中: “电机的原理是什么?” 电动机是把电能转化为机械能的装置。电动机主要有三种类型。
所有这些马达的工作原理或多或少都是一样的。电动机的工作主要取决于磁场与电流的相互作用。
什么是电机的原理:通过电磁驱动电机电动马达的基本原理非常简单: 你在它的一端通电,另一端的轴(金属杆)旋转,给你动力来驱动某种机器。这在实际中是如何工作的呢? 到底是怎么把电转化成运动的? 要找到这个问题的答案,我们必须回到近200年前。
假设你拿一根普通的电线,把它做成一个大圈,然后把它放在一个强大的、永久性的马蹄形磁铁的两极之间。现在如果你把电线的两端连接到电池上,电线会短暂地跳起来。当你第一次看到这个的时候,你会很惊讶。就像魔法一样! 但有一个完美的科学解释。
当电流开始沿着导线流通时,就会在导线周围产生磁场。如果你把导线放在永磁体附近,这个临时磁场就会和永磁体的磁场相互作用。你会知道靠近的两块磁铁要么相互吸引,要么相互排斥。同样地,电线周围的临时磁性吸引或排斥磁铁上的永久磁性,这就是导致电线跳跃的原因。
电机原理:弗莱明左手定则是什么伸出你左手的拇指、食指和中指,使这三个手指成直角。如果你的中指指向电流的方向, 食指的方向磁场方向(从磁铁的北极流向磁铁的南极),拇指将显示线移动的方向。
食指——磁场
中指——电流
拇指——运动(力)
什么是电机的原理:电机是如何工作的理论上,假设我们把导线弯曲成一个方形的线圈,这样就有两根平行的导线穿过磁场。其中一根电线把电流带走另一个把电流带回来。因为电流在导线中流向相反的方向,弗莱明的左手定律告诉我们,两根导线将向相反的方向移动。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。
如果线圈能像这样移动,它就会连续地旋转——那么我们就在制造电动马达的路上了。但这在我们目前的设置中是不可能发生的: 电线会很快缠在一起。
一旦线圈达到垂直位置,它就会翻转,所以电流会以相反的方向流过它。现在线圈两边的力反过来了。它不是在同一个方向上连续旋转,而是回到它刚来的方向! 想象一下,一辆有这样马达的电动火车:它在原地来回移动,却从来没有真正去过任何地方。
在实践中,有两种方法可以克服这个问题。一种是使用一种周期性反向的电流,即交流电(AC)。在我们家里使用的那种小型电池驱动的马达中,一个更好的解决方案是在线圈的两端加一个叫做换向器的部件。
不用担心这个毫无意义的专业名称: 它的意思是来回改变,就像通勤的意思一样。在最简单的形式中,换向器是一个金属环分为两个独立的部分,它的工作是逆转线圈中的电流,每次线圈旋转半圈。线圈的一端连接到换向器的每一半上。
电池发出的电流连接到电机的电端子上。通过一对叫做电刷的松散连接器将电能输送到换向器中。电刷由石墨片(类似于铅笔“铅”的软碳)或薄段有弹性的金属“刷”在换向器上。换向器就位后,当电流流过电路时,线圈将不断地朝同一方向旋转。
一个简单的,实验用的马达,像这样,是不能产生很大的动力的。我们可以增加电动机的旋转力(或力矩),可以创建在三个方面: 要么我们可以有一个更强大的永久磁铁, 或者我们可以增加流过电线的电流, 或者增加线圈的转数。
在实践中,马达也有一个圆形的永磁体,它几乎接触到线圈内旋转的电线。磁铁和线圈的距离越近,电机产生的力就越大。
可以认为一个电机只有两个基本的组成部分:在电机外壳的边缘有一个永磁体(或磁铁)保持静止,所以它被称为电机的定子。在定子内部,有一个线圈,安装在一个高速旋转的轴上,这被称为转子。转子还包括换向器。
什么是电机的原理:直流电机的工作直流电机的工作原理主要依赖于弗莱明左手法则。在基本的直流电动机中,电枢被放置在磁极之间。如果电枢绕组由外部直流电源供电,电流开始流过电枢导体。当导体在磁场中携带电流时,它们会受到一个使电枢旋转的力。
假设磁场磁体N极下的电枢导体向下携带电流(叉),S极下的电枢导体向上携带电流(点)。运用弗莱明左手法则,可以确定导体在N极下所受的力F的方向和在S极下所受的力。人们发现,在任何时刻,导体所受的力都是朝着使电枢转动的方向的。
同样,由于这种旋转,在N极下的导体在N极下,在S极下的导体在N极下。当导体从N极到S极,从S极到N极时,电流通过它们的方向由换向器反转。
由于这种电流的倒转,所有在N极下的导体都带向下的电流,所有在S极下的导体都带向上的电流。因此,每个导体在N极下都会受到同一方向的力,在S极下的导体也是如此。这种现象有助于产生连续的、单向的扭矩。
感应电机的工作在异步电机的情况下,电动机的工作与直流电动机有一点不同。在单相感应电动机中,当给定子绕组一个单相电源时,会产生脉动磁场; 在三相感应电动机中,当给三相定子绕组一个三相电源时,会产生旋转磁场。
感应电动机的转子可以是绕线式的,也可以是鼠笼式的。无论哪种类型的转子,其上的导体在末端短路,形成闭环。由于旋转磁场,磁通量通过转子和定子之间的气隙,扫过转子表面,从而切断转子导体。
因此,根据法拉第电磁感应定律,闭合转子导体中会有感应电流循环。感应电流的大小与磁链相对于时间的变化率成正比。其次,磁链的变化率与转子和旋转磁场之间的相对速度成正比。根据楞次定律,转子将设法减少产生电流的每一个原因。因此转子旋转,并试图达到旋转磁场的速度,以降低转子与旋转磁场之间的相对速度。
同步电机的工作
在同步电机中,当平衡三相供电给静止三相定子绕组时,产生一个以同步速度旋转的旋转磁场。现在,如果一个电磁铁被放置在这个旋转的磁场中,它被这个旋转磁场锁住,前者和旋转的磁场以相同的速度旋转,也就是同步的速度。
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