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。

電磁鐵是電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)。假設(shè)您通過(guò)將 100 圈電線纏繞在釘子上并將其連接到電池來(lái)創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的電磁鐵。連接電池后，釘子會(huì)變成磁鐵并具有北極和南極。

現(xiàn)在假設(shè)您拿起釘子電磁鐵，將一根軸穿過(guò)它的中間并將其懸掛在馬蹄形磁鐵的中間，如圖所示。如果將電池連接到電磁鐵上，使釘子的北端如圖所示，磁學(xué)的基本定律告訴您會(huì)發(fā)生什么：電磁鐵的北端將被馬蹄形磁鐵的北端排斥并吸引到馬蹄形磁鐵的南端。電磁鐵的南端將以類(lèi)似的方式被排斥。釘子會(huì)移動(dòng)半圈，然后停在所示位置。

電機(jī)的動(dòng)畫(huà)圖像

您可以通過(guò)改變電子的方向來(lái)翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

事情怎么樣

電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵是更進(jìn)一步，以便在這半圈運(yùn)動(dòng)完成的那一刻，電磁鐵的磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)。您可以通過(guò)改變電子在導(dǎo)線中流動(dòng)的方向來(lái)翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這意味著翻轉(zhuǎn)電池。翻轉(zhuǎn)使電磁鐵完成另一半圈的運(yùn)動(dòng)。如果在每半圈運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)恰好在正確的時(shí)刻翻轉(zhuǎn)電磁鐵的磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)自由旋轉(zhuǎn)。

直流電機(jī)的工作原理

電動(dòng)機(jī)圖

這里的電機(jī)中有兩個(gè)磁鐵：轉(zhuǎn)子（綠色）是一個(gè)電磁鐵，而場(chǎng)磁鐵是一個(gè)永磁體。

事情怎么樣

正如我們提到的，您會(huì)遇到兩種類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)：直流電和交流電。后者是直流電機(jī)或 DC 電機(jī)，早是在 1800 年代中期開(kāi)發(fā)的，至今仍在使用。

一個(gè)簡(jiǎn)單的電機(jī)有六個(gè)部分：

定子

轉(zhuǎn)子

換向器

筆刷

軸

直流電源

直流電機(jī)的外部是定子：一個(gè)不動(dòng)的永磁體。里面的部分是轉(zhuǎn)子，它會(huì)運(yùn)動(dòng)。這里的轉(zhuǎn)子就像我們前面例子中的釘子，定子就像馬蹄形磁鐵。

當(dāng)直流電通過(guò)轉(zhuǎn)子時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與定子的磁場(chǎng)相互作用的臨時(shí)電磁場(chǎng)。換向器的工作是保持磁場(chǎng)的極性翻轉(zhuǎn)，從而使轉(zhuǎn)子保持旋轉(zhuǎn)。這會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力所需的扭矩。

玩具馬達(dá)

玩具電機(jī)圖

從外面您可以看到構(gòu)成電機(jī)主體的鋼罐、一個(gè)軸、一個(gè)尼龍端蓋和兩個(gè)電池引線。

事情怎么樣

圖中的玩具直流電機(jī)很小，大約只有一角硬幣那么大，有兩條電池引線。如果將電機(jī)的電池引線連接到電池上，軸就會(huì)旋轉(zhuǎn)。如果你反轉(zhuǎn)導(dǎo)線，它會(huì)朝相反的方向旋轉(zhuǎn)。

尼龍端蓋由兩個(gè)卡舌固定到位。在端蓋內(nèi)部，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)的電刷將電能從電池傳輸?shù)綋Q向器。（因?yàn)殡娝?huì)磨損并需要更換，所以現(xiàn)代直流電機(jī)通常是無(wú)刷的。）

軸固定轉(zhuǎn)子和換向器。轉(zhuǎn)子是一組電磁鐵，在本例中為三個(gè)。該電機(jī)中的電樞是一組堆疊在一起的薄金屬板，細(xì)銅線纏繞在轉(zhuǎn)子的三個(gè)極上。每根導(dǎo)線的兩端（每極一個(gè)）連接到一個(gè)端子，然后將三個(gè)端子中的每一個(gè)連接到換向器的一個(gè)極板上。

任何直流電動(dòng)機(jī)的一部分是定子。在這個(gè)電機(jī)中，它由罐體本身加上兩個(gè)彎曲的永磁體組成。在直流電機(jī)中，電樞是轉(zhuǎn)子，磁場(chǎng)是定子。

轉(zhuǎn)子、換向器和電刷

換向器的觸點(diǎn)連接到電磁鐵的軸上，因此它們與磁鐵一起旋轉(zhuǎn)。

換向器的觸點(diǎn)連接到電磁鐵的軸上，因此它們與磁鐵一起旋轉(zhuǎn)。

正如我們之前提到的，轉(zhuǎn)子就像電磁鐵圖中的釘子。換向器也連接到軸上。換向器只是連接在軸上的一對(duì)板。這些板為電磁鐵的線圈提供兩個(gè)連接。

電動(dòng)機(jī)的“翻轉(zhuǎn)電場(chǎng)”部分由兩部分完成：換向器和電刷。

該圖顯示了換向器（綠色）和電刷（紅色）如何協(xié)同工作，讓電流流向電磁鐵，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候翻轉(zhuǎn)電子流動(dòng)的方向。換向器的觸點(diǎn)連接到電磁鐵的軸上，因此它們與磁鐵一起旋轉(zhuǎn)。電刷只是兩塊與換向器觸點(diǎn)接觸的彈性金屬或碳。

把它們放在一起

當(dāng)你把所有這些部件放在一起時(shí)，你就擁有了一個(gè)完整的電動(dòng)機(jī)。

關(guān)鍵是當(dāng)轉(zhuǎn)子通過(guò)水平位置時(shí)，電磁鐵的磁極翻轉(zhuǎn)。由于翻轉(zhuǎn)，電磁鐵的北極始終在軸的上方，因此可以排斥定子的北極并吸引定子的南極。

通常，轉(zhuǎn)子將具有三個(gè)磁極，而不是本文所示的兩個(gè)磁極。電機(jī)具有三個(gè)極有兩個(gè)很好的理由：

它使電機(jī)具有更好的動(dòng)力。在雙極電機(jī)中，如果電磁鐵處于平衡點(diǎn)，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)完全水平地位于定子的兩個(gè)極之間，您可以想象轉(zhuǎn)子會(huì)“卡住”在那里。三極電機(jī)永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生這種情況。

每次換向器到達(dá)它翻轉(zhuǎn)兩極電機(jī)中的磁場(chǎng)的點(diǎn)時(shí)，換向器都會(huì)使電池短路片刻。這種短路會(huì)浪費(fèi)能量并不必要地耗盡電池電量。三極電機(jī)也解決了這個(gè)問(wèn)題。

可以有任意數(shù)量的極數(shù)，這取決于電機(jī)的大小和它需要做什么。

交流電機(jī)的工作原理

現(xiàn)在，我們來(lái)看看交流電機(jī)。交流電機(jī)使用交流電而不是直流電。它與直流電機(jī)共享許多部件，仍然依靠電磁和翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力。

交流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的零件是：

定子

轉(zhuǎn)子

實(shí)心軸

線圈

鼠籠

交流電機(jī)中的定子繞組起到了直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的作用。在這種情況下，它是一圈電磁鐵，它們配對(duì)并按順序通電，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

交流電機(jī)

一種工業(yè)型交流電機(jī)，電氣接線盒在上，輸出轉(zhuǎn)軸在左，鼠籠罩在上面。

EGZON123/CC BY-SA 3.0/維基媒體

您會(huì)記得直流電機(jī)中的轉(zhuǎn)子連接到電池上。但是交流電機(jī)中的轉(zhuǎn)子與電源沒(méi)有任何直接連接。它也沒(méi)有刷子。相反，它經(jīng)常使用一種叫做松鼠籠的東西。你沒(méi)看錯(cuò)。

交流電機(jī)中的鼠籠是一組連接到兩個(gè)環(huán)的轉(zhuǎn)子條，兩端各一個(gè)。這有點(diǎn)像籠中的老鼠（或松鼠）會(huì)在里面跑。鼠籠式轉(zhuǎn)子進(jìn)入定子內(nèi)部。當(dāng)交流電通過(guò)定子發(fā)送時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)。鼠籠式轉(zhuǎn)子中的棒是導(dǎo)體，因此它們會(huì)響應(yīng)定子磁極的翻轉(zhuǎn)。這就是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方式，它會(huì)產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)。

交流轉(zhuǎn)子和定子

轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由定子磁場(chǎng)感應(yīng)的交流感應(yīng)電機(jī)的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)子總是試圖趕上。它總是在尋找停滯，所以它會(huì)旋轉(zhuǎn)以找到穩(wěn)定狀態(tài)。但是定子使用交流電源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)總是比轉(zhuǎn)子的場(chǎng)快一點(diǎn)。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)正在產(chǎn)生產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力所需的扭矩，以轉(zhuǎn)動(dòng)汽車(chē)的車(chē)輪或風(fēng)扇的呼呼聲。

一些交流電機(jī)使用繞線轉(zhuǎn)子，用電線纏繞而不是鼠籠。不過(guò)，松鼠籠式的更為常見(jiàn)。在任何一種情況下，交流電機(jī)中只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，這意味著需要更換或維護(hù)的東西更少。