电机的作用和类型、工作原理和结构

一、什么是电机？电机的作用

电机是一种利用电力产生机械动力的装置。 从洗衣机、风扇和空调等人们熟悉的家用电器，到自动取款机 (ATM) 和自动检票机等社会基础设施，各种 "会动的东西 "都在使用电机。

从这个意义上说，可以说，今天生活中的每个人在日常生活中都受益于电机。 除电机外，其他机械动力来源还包括发动机和蒸汽机。

然而，电机具有其他动力源所不具备的三个特点。

1. 能量转换效率高

例如，典型发动机的热效率据说为 30% 至 40%。这意味着只有30%至40%的输入能量被用作电力，其余60%至70%作为热量被浪费。
另一方面，电机的能量转换效率超过80%。与发动机相比，能量在转化为动力的同时不会造成能源浪费。

2. 结构简单、易于控制

发动机由许多机械零件组成，每个零件的制造精度都必须很高。 此外，发动机的电子控制需要许多传感器，这使得控制变得更加复杂。

与发动机相比，电机的结构更简单，可以直接由电力驱动，因此适合进行详细的电气控制。

3. 清洁能源

发动机燃烧汽油产生动力，不可避免地会排放二氧化碳（CO2）。 而电机本身不排放任何气体。

随着碳中和趋势的加快，人们对电机寄予厚望。

由于这些特点，电机目前扮演着多种设备和设备的动力源和控制装置的角色。未来，使用它的场合将会不断增加。

二、电机的基本原理、结构及运行机理

电机基本上是利用磁铁的 "异极相吸 "和 "同极相斥 "来旋转的。

例如，想象一下无线电遥控车中使用的小型电机。 在小型电机中，有一个带旋转轴的线圈，N 极和 S 极永久磁铁从两侧夹住线圈。

当电机通电时，线圈就会变成电磁铁。 如果我们把线圈看成是具有 N 极和 S 极的磁铁，就很容易理解了。

N 极永久磁铁和线圈的 N 极相互排斥，而 S 极永久磁铁和线圈的 S 极相互排斥。 这也意味着，N 极永久磁铁和线圈的 S 极相互吸引，S 极永久磁铁和线圈的 N 极相互吸引。

这导致线圈绕旋转轴旋转 180°。

但是，由于 N 极永久磁铁和线圈的 S 极相互吸引，S 极永久磁铁和线圈的 N 极仍然相互吸引，因此仅凭这一点就能阻止线圈旋转 180°。 如何将旋转轴再旋转 180°，使其旋转 360°？

通过改变流经线圈的电流方向，就可以交换 N 极和 S 极的位置。

在之前的静止状态下，N 极永磁体和线圈的 S 极相互吸引，S 极永磁体和线圈的 N 极相互吸引。 然后，一个名为 "换向器 "的部件通过电刷改变电流方向，线圈的 N 极和 S 极互换。

这使得永久磁铁的 N 极排斥线圈的 N 极，永久磁铁的 S 极排斥线圈的 S 极。 同时，永久磁铁的 N 极和线圈的 S 极相互吸引，永久磁铁的 S 极和线圈的 N 极相互吸引。 这样，线圈又旋转了 180°。 至此，线圈旋转了 360 度。

通过重复这一系列动作，电机不断旋转。

现在将介绍作为动力源的电机和作为控制单元的电机。

三、作为动力源的电机类型

作为设施和设备的动力源，电机可根据供电方式分为两大类："直流电机 "和 "交流电机"。

1.什么是DC电机（直流电机）？

直流电机以直流电为动力。

从日常生活中常用的电器到工厂中使用的设备，直流电机被广泛应用于各种产品中。

直流电机有两种类型：有刷直流电机和无刷直流电机。 电刷是向线圈传输电力的部件。

什么是直流电机？

直流电机以直流电为动力。

从日常生活中常用的电器到工厂中使用的设备，直流电机被广泛应用于各种产品中。

直流电机有两种类型：有刷直流电机和无刷直流电机。 电刷是向线圈传输电力的部件。

有刷直流电机内部有线圈，外部有永久磁铁，直流电通过电刷使转子（旋转轴）旋转。 这种电机由第一节介绍的简单机构组成，用于无线电遥控车辆和模型。

这种电机的基本特征是转速与电压成正比增长。

例如，当有刷直流电机由干电池供电时，连接两节电池时的转速要比连接一节电池时的转速快。 但是，改变线圈电流方向的换向器和碳刷会不断相互接触，长期运行后会磨损，因此需要定期维护。

而无刷直流电机（BLDC 电机）的内侧是永久磁铁，外侧是线圈，电流通过电流控制电路流向线圈，使内侧的永久磁铁旋转。

由于没有电刷，不仅减少了维护频率，还意味着电机可以在清洁的环境中使用，因为不会排出电刷磨损的碎屑。 不过，电机外部需要一个控制电流方向的电路，其成本比有刷直流电机高。

2.什么是AC电机（交流电机）？

“交流电机 "是一种利用交流电运行的电机。 它的外部是线圈，内部是 "笼式 "转子。

交流电机的特点是不需要换向器、电刷或控制电路。 由于结构简单、生产成本低，交流电机的应用非常广泛，包括风扇和吸尘器等家用电器、抽水泵、运输传送带和工业设备。

四、作为控制装置的电机主要类型

步进电机和伺服电机是用于精细控制装置和设备运行的典型电机。

1.步进电机

步进电机是转子旋转固定角度（位置）的电机。

想象一个模拟时钟。秒针每次移动一秒。可以控制步进电机移动预定角度。除了模拟时钟外，它们还用于打印机、空调百叶窗、ATM、自动售票机和自动检票机的门禁系统。

将转子转动精确角度的机构很简单。步进电机的转子有许多凹槽。然后向电机通电，一旦转子移动到预定的凹槽，电源就会关闭。这导致转子旋转一个精确的角度，然后停止。

例如，两相步进电机通常有 200 个凹槽。由于旋转一圈360度被分为200份，因此每个凹槽的移动角度为1.8度。如果要将电机旋转18度，则需要给电机通电，将转子移动通过10个凹槽，然后关闭电源。

要控制步进电机，您需要一个控制器。控制器的作用是发送信号告诉步进电机要移动多少。首先，前提是一组电从通到断算为一个脉冲。然后，当控制器向步进电机发送单个脉冲信号时，转子旋转一槽，然后停止。

与前面的示例一样，假设您想要将具有 200 个凹槽的两相步进电机旋转 18 度。在这种情况下，控制器将发送10个脉冲信号。当步进电机接收到信号时，它会旋转18度，即10个槽，然后停止。

这样就需要一个控制器来控制步进电机。

2.伺服电机

伺服电机与步进电机一样，都是以按预定角度旋转转子为目的的电机。 不过，伺服电机与步进电机之间有明显的区别。

伺服电机的转子没有凹槽。 因此，没有转子旋转 1.8 度这样的限制，如果使用高分辨率的传感器，转子可以在精确的角度（如百万分之一度）停止旋转。

这种控制需要传感器。 在伺服电机中，这些传感器可精确确定转子的旋转位置，从而使其停在预定角度。 伺服电机在停止后仍会继续监控位置，一旦发现偏离停止角度，就会立即自动纠正。