生活中其实马达的身影无处不在,例如小孩的玩具、男人的剃须刀还有电吹风,只要拆开看看,都能看见马达的身影。
而其中的一类就是有刷直流电机,自从年法拉第发现了电磁感应后不久,第一台电机就出现了。至此,尽管马达的结构经历了各类各样的变化,甚至越来越复杂,但是马达的核心原理始终没有改变。
在有刷电机中,主要的结构就是定子、转子和电刷。在电机内部,有两个固定的磁体装在电机机身上,分别为N极和S极,由于其固定不动,因此称之为“定子”;中间可转动的部分则称之为“转子”,转子主要由定子铁芯和线圈组成。
转子线圈一般由铜线按照特定的方向缠绕在定子铁芯上而成,铜线包有塑料外壳。当接通电源时,线圈内就会产生电流。根据法拉第电磁感应定律,通电导线能产生磁场。利用右手定则,四指弯曲指向电流的方向,大拇指所指的方向就是N极,另一端就是S极。
大家都知道,磁场有一个特性,那就是同性相斥,异性相吸(Okex感觉这点倒跟人类一样)。由于定子和转子的磁极相同,相互排斥,此时转子就会旋转。但是当转到一定位置时,定子和转子两头都是相反的磁极了,当两头吸引力相同时,转子就会停止转动。
图片来源:A科学为了能让转子持续转动,这就需要换向片和电刷了。
在转子上,固定有有两个相互分离的弧形铜片,它连接着线圈,这就是换向片。而电刷则由石墨制成,紧贴着换向片,固定在马达外壳上,直接连接电源。
当接通电源时,电流不再直接到线圈上,而是先经过电刷到达换向片,然后进入线圈,此时转子才开始转动。当转子和定子的磁极出于相吸状态时,电刷正好处于换向片的空隙处,电流无法传递到换向片上,也就无法到达线圈,线圈则失去了磁性。但是转子会在惯性的作用下继续转动,转动后,电刷会重新与换向片接触通电,但电刷接触的换向片已经变成另一个了,此时线圈内的电流方向就会发生改变,转子两端的磁性则会改变,进而继续转动,如此往复,形成连续的转动。
图片来源:A科学最基础的原理展示只有两组线圈,这样间隔较大,转子在转到不同位置时,磁场是不同的,因此转动起来忽快忽慢,是不稳定的。Okex了解到为了增加转动的稳定性,可以增加线圈的数量来解决这个问题。例如一些玩具内的马达转子装有三组线圈和三个换向片,这样连接起来则会更紧密,转动更平稳。
那么马达的转速又跟什么有关系呢?
转矩和转速的乘积就是输出功率,而输出功率又为电压和电流的乘积。要想提高转速就需要提高输出功率,也就是要提高电压和电流。理论上,只要电流和电压足够高,转速就可以足够快。但是在电机中往往会有一些制约的因素影响到转速。而对有刷电机来说,当达到rmp时,就已经很厉害了。如果转速过高,电刷是受不了的。因此,电刷是制约有刷电机的一个主要零件。
那么电机要想提高转速,有什么办法呢?大家可以