什么是電機?

從廣義上講，“電機(mortor)”是一種動力裝置，比如在賽車運動等與汽車相關的英文術語中也會用到，這里所講的“電機”是指將電能轉換為機械能的“電動機”。

那么電動機(電機)是如何將電能轉換為機械能的呢?

電機是利用電能形成電磁體，并利用磁體的相互作用(引力和斥力)產生機械能。

還有另外一種解釋思路，也許這種解釋更通用，也可以說電機“利用了通電導體在磁場中的受力”。這就涉及到“弗萊明左手定則”。我們可以用下面的簡單旋轉機構示意圖來具體了解這個原理(注：需要切換電流方向才能持續旋轉)。不過它的結構與后續將要介紹的實際電機結構略有不同，因此，在這里我先來大致講解一下“電磁體的應用”。

電磁體是在鐵等磁性材料上纏繞導線而制成的。當然，只是這樣纏繞并不會發生什么，但是當電流流過導線時，磁性材料就會擁有磁鐵的特性，會吸引其他磁體(鐵等)。另外，由于可以通過改變電流的方向來改變磁極，因此如果在一個磁體的對面配置另一個磁體，那么施加在該磁體上的力就可以在引力和斥力之間切換(參見下圖)。

所謂的電機，就是基于這種電磁體特性，利用電能實現旋轉運動的(注：也有線性電機等做直線運動的電機)。


現在，相信您已經明白了機械能是通過磁體的相吸與相斥的力而獲得的，那么，持續的旋轉運動是如何實現的呢?關于這一點，只要看看無線遙控汽車和電子制作等作品中使用的電機的結構，其實很容易理解。


電機的旋轉原理


下面我們以基本的有刷電機為例，來了解一下電機的旋轉原理。
這種電機的結構如“三個電磁體”圖所示，由以120度的間隔機械排列的線圈和導電滑環、夾著導電滑環配置的兩個電刷、以及永磁體組成。這種電機由于具有電刷而被稱為“有刷電機”、“換向器電機”或“整流子電機”。
為了方便大家了解為什么是這種120度夾角的結構，我們先用一個電磁體的示意圖來說明其旋轉原理。
在“一個電磁體”圖中，有兩個電刷，一個接正電極，一個接負電極。如圖所示，當用電刷夾住導電滑環時，電壓會施加在與滑環相連的線圈上，從而使電流流過。該導電滑環安裝在電機的曲軸上，與線圈(電磁體)一起旋轉。


以這種結構為基礎，例如當圖中位置有線圈時，通過調整配置導電滑環的位置，使電流流過，從而使電磁體的磁極成為如圖所示的磁極。這樣，在線圈中就會產生逆時針方向的力，從而能夠使電機旋轉起來。


接下來，我們來看看該線圈通過旋轉到達 位置時的情況。在這個位置，如果電磁體的極性保持不變，那么線圈就會停止，所以需要在這個位置改變電磁體的極性。微調導電滑環的位置，使電刷和滑環的連接正好在這個位置反接，這樣就能夠使電機保持持續旋轉。

然而，如果仔細觀察，您會注意到這種結構的難點。例如，實際上很難在正好的時間點在位置切換電極，如果在這里電極切換出現問題，電機就會停轉。另外，一個導電滑環和兩個電刷之間的接觸可能會導致正極和負極之間短路，從而引發故障。

為了解決這些問題，設計師們想到了使用三個線圈、并將電磁體以120度的間隔進行配置的結構。這種結構的電機被稱為“三相電機”，示例中的電機就是這種電機。順便提一下，由一個電磁體組成的電機被稱為“單相電機”。

前面的“三個電磁體”圖是三相電機結構示意圖。其線圈有三個，每個線圈的一端與導電滑環相連，另一端則將三個線圈連起來。通過這樣的接線方式，用電刷給兩個導電滑環施加電壓，使兩個線圈被磁化。這樣，比如在位置，A線圈和B線圈被磁化，在位置，在處變為N極的B線圈被消磁，而C線圈變為N極。如果是這樣運轉，就不會出現“一個電磁體”圖中的情況。而且，采用這種導電滑環配置方式，正極和負極之間不會短路。

綜上所述，電機是通過在適當的時間點切換電磁體的極性來實現旋轉的。