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电机的基础知识

第2章
理解电机的基本原理

2-1-1 重新认识直流电机的旋转原理

上小学时,也有学生以磁极可“相吸和排斥”来理解直流电机的旋转原理。在中学、高中,使用BLI法则和弗莱明的左手法则(后面介绍)学习过电机的旋转原理。弗莱明法则比“磁铁的N极和S极……”这样的说明更形象,还可以计算发生的力,看起来好像更高级。
不过,请稍候。
直流电机拆解后会发现电线(线圈)缠绕在铁芯上。有铁的话,磁通会集中到铁的部分,因此,线圈部(电线)上几乎没有磁通(参考后面的图2.18)。这样的话,就无法应用“在置于磁场中的电线上……”这样的说法,也不能利用弗莱明法则来说明直流电机的旋转原理。
虽然这么说,但物理及电气工程教科书也不会有错,该如何思考呢?为了掌握技术,不应只在头脑中去理解,通过亲身体验进行具体理解是非常重要的。
因此,下面我们将以身边的材料入手,深入了解电机的旋转原理及转速。

亲身体验

如果你身边正好有一个电机,就请转动模型电机亲身体验一下。

  • 在电机上安装1.5V的干电池进行空转。
    电机开始旋转,会发出轻微的声响。这称为无负载运行
  • 将电池反接,则电机会反转。
  • 轻轻抓住电机轴施加负载,则扭矩会传递到指尖。
    电机的声音会发生变化,转速好像变慢。
  • 稍微握得再紧一点,则扭矩变大,速度进一步降低。
  • 再用力,则电机会停止转动。
    这样,电机会嗡嗡叫。

下面使用2节电池,试着进行相同实验。

  • 电机的旋转声音会比之前更大,转速更快。
  • 使用比1节电池测试时更大的力,电机仍旋转。
    很难阻止电机转动。

通过以上实验,可以了解到以下信息。

  • 使用2节电池后,扭矩会增大
  • 使用2节电池后,转速会加快
  • 相同电源时,负载(这里指施加的力)增大,则转速会下降

实验虽然只是非常简单的体验,但对于理解直流电机的工作原理和特性是非常重要的。
那么,扭矩增大,转速上升是因为电池电压的影响,还是电流的影响呢?或者说,扭矩与转速之间存在着什么样的关系。
让我们从该体验着手来思考直流电机。

直流电机的结构

图2.1列出了绘图机及复印机等使用的直流电机的构造和各部位名称。
这种电机与模型电机相比,线圈数多,使用了碳刷及滚动轴承等,各种机构非常精密,但基本结构与旋转原理是一样的。

图2.1直流电机的结构和各部位名称