为什么要了解电机的工作原理

在我们生活场景中,电机的应用非常广泛,电风扇、洗衣机驱动电机、冰箱散热风扇、玩具车驱动电机、电脑散热风扇、抽油烟机风扇等,几乎所有的家用电器都会用到电机,可以说没有了电机,家里的电器基本都会瘫痪,所以即使你不是电子行业从业人员,你也有必要了解电机,知道电机为什么能够运转。

本文力求用简洁易懂的图片和动画演示,来说明电机的工作原理,相信看完本篇文章,电机就不再是那个,你最熟悉的陌生人了。

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电机能转动的本质

磁极间具有相互作用,同极相斥异极相吸

电机的磁性是通过对定子通电,电流磁效应的原因,在定子线圈上产生了极性。转子的磁性获得是由永磁体或电磁感应获得。转子和定子分别具有了磁性,只要控制电机,将转子和定子的极性位置控制在一定角度,转子就会受力摆动。

而定子磁极持续变化方向,让转子和定子的极性位置始终在一定角度上,转子就会持续地受力,在电机上的应用就是转子始终绕轴旋转。

下面,以最简单的电容启动式交流单相电机为例,说明转子的磁场是如何进行变化的,即旋转磁场的原理。

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电容启动式交流单相异步电机原理图

由于启动电容使启动绕组产生了移相,同一时刻,启动绕组和运行绕组电流相位不一致,经过设计,使启动绕组电流相位超前于运行绕组相位接近90°。因为交流电机,电流曲线正弦变化,等效图如下:

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绕组内电流曲线

下面我们分析在A、B、C、D四个极限位置时,转子线圈产生的磁场有什么变化。

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A点时转子线圈产生的磁场方向

在A点时,我们看到运行绕组电流最大,启动绕组电流为0,等效于只有运行绕组,假设电流方向如上图,按照右手螺旋定则,我们可以判断出此时线圈产生的磁场,N极指向右

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B点时转子线圈产生的磁场方向

在B点时,我们看到启动绕组电流最大,运行绕组电流为0,等效于只有启动绕组,电流方向如上图,按照右手螺旋定则,我们可以判断出此时线圈产生的磁场,N极指向上

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C点时转子线圈产生的磁场方向

在C点时,我们看到运行绕组电流最大,启动绕组电流为0,等效于只有运行绕组,但是此时电流换向了,电流方向如上图,按照右手螺旋定则,我们可以判断出此时线圈产生的磁场,N极指向左

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D点时转子线圈产生的磁场方向

在D点时,我们看到启动绕组电流最大,运行绕组电流为0,等效于只有启动绕组,同样电流换向了,电流方向如上图,按照右手螺旋定则,我们可以判断出此时线圈产生的磁场,N极指向下

在一个周期内,我们能看到转子上产生的磁场方向有什么规律么?还没看明白,我们看一下整个过程。

旋转磁场演示

是的,在定子绕组上,电磁场的方向在发生有规律的旋转变向,即旋转磁场。受定子磁性变化的影响,转子跟随磁场变化做绕轴旋转运动,一个单相异步交流电机就诞生了。

拓展一下

示例是以电容启动式单相异步电机举例,我们分解一下,电容起到移相的作用,换成电感,也能起到电流移相的作用;输入电源是单相交流电,也可以使用三相交流电,通过驱动板电路设计,也可以把直流电转换为交流电;转子的速度与磁场速度不同步,即异步电机,同步的话,就产生了同步电机。

电机的分类有很多种方式,每一种电机的优缺点不一样,应用的场景就会发生变化。明白电机最根本的原理,其他的变化还难吗?