电机为什么会转动?

家用电风扇内部使用的电机通常是单相异步电动机。虽然它只有单相电源,但通过内部的电容,在两个定子线圈之间产生了相位差,从而构建出一种旋转磁场。转子在这种旋转磁场的作用下,遵循与三相异步电机类似的物理原理进行旋转。也就是说,依靠电容移相产生的旋转磁场,使得单相电源也能驱动电机持续运转,虽然其结构比三相电机简单,但核心电磁原理是相通的。

当电流流过线圈中的导体时,不仅形成了电流,还在导体周围激发出一个新的磁场。由于这个线圈本身就被放置在一个永磁体产生的固定磁场之中,这两个磁场——一个是电流产生的,一个是永磁体固有的——之间就会发生相互作用。这种相互作用具体表现为一种磁场力,有时候是吸引,有时候是排斥。只要有一个外部电源持续提供电流以维持这个磁场,电动机就能在这种磁场力的驱动下开始转动。从能量转换的角度来看,这个过程实质上是电能先转化为磁能,再由磁能转化为机械能的过程。

在工业领域,三相异步电动机是非常常见的一类设备。它的工作原理与直流电机略有不同:当三相定子绕组中通入三相交流电后,这些绕组在空间上相差120度电角度,从而在电机内部产生一个旋转的磁场。这个旋转磁场会切割闭合的转子绕组,进而在转子中感应出电流。载流的转子导体在定子旋转磁场的作用下受到电磁力,从而在转轴上形成电磁转矩,驱动电机旋转,且旋转方向与磁场方向一致。

在这个转速公式 n=(U-Ia(Ra+R))/(CeΦ) 中,各个字母都有明确的物理意义。U 代表电源电压;Ra 是电动机的电枢电阻,也就是当你让电机不转时,用万用表直接测量转子绕组得到的那个电阻值;R 指的是接在电枢回路中的额外串联电阻;Ce 是电动势常数;而 Φ 则代表每一对磁极的磁通量。在常规计算中,人们通常把 (CeΦ) 这个乘积视为一个常数来处理。

生活中我们常见的小型电动机大多属于永磁体励磁的直流电动机。它的基本原理和上面提到的一样:电子在线圈导体中流动形成电流,进而产生磁场。这个电流磁场与永磁体的原有磁场相遇,产生吸力或斥力。如果外接电源不断电,电动机就会依靠这种磁场力持续转动。为了更精确地描述这类直流电动机的运行状态,我们有一个专门的转速公式 n=(U-Ia(Ra+R))/(CeΦ)。