是的，我又來(lái)技術文(wén)章了(le)，上(shàng)一篇晦澀難懂的文(wén)章反響居然還不錯，還有朋友表示這(zhè)不就是高(gāo)中的知(zhī)識用(yòng)大(dà)物的公式解釋了(le)一遍麽？看(kàn)來(lái)，我們的工(gōng)程師們基礎知(zhī)識還是很(hěn)紮實的，既然如此，今天咱們繼續來(lái)硬核的，我已經有打算(suàn)做成專題系列的打算(suàn)了(le)，就叫宅家低(dī)配版大(dà)學物理(lǐ)課堂吧。是的，我知(zhī)道(dào)你(nǐ)們大(dà)概想看(kàn)伺服電機，不，我們還是先來(lái)點開(kāi)胃菜吧
 
1）引言
前一篇我們介紹了(le)電磁的基本概念，通常來(lái)說，電機主要是由定子、轉子和(hé)控制電路組成，定子固定不動，轉子連接着電機軸，兩端穿過定子上(shàng)的軸承固定在定子中央。根據輸入的電流性質，可以分成直流電機和(hé)交流電機，而交流電機根據旋轉磁場與轉速是否同步，又分爲同步電機和(hé)異步電機，本文(wén)主要介紹直流電機的一些(xiē)基本原理(lǐ)

2）機械結構
先上(shàng)圖


直流電機（Gleichstrommaschine）因輸入電流爲恒定直流電而得名，一般都是作(zuò)爲直流電動機（Gleichstrommotor），由于其使用(yòng)直流電，可以用(yòng)電池進行驅動，結構簡單，體積小(xiǎo)，造價低(dī)，在很(hěn)多小(xiǎo)型電器裏面都有使用(yòng)到(dào)，比如說如下(xià)童年的記憶


裏面的電機有各種不同的版本，當年尋找一款合适的電機進行替換，使自(zì)己的“戰車”獲得更高(gāo)的性能(néng)和(hé)速度可是小(xiǎo)夥伴們永恒不懈的追求，現(xiàn)在還有工(gōng)程師們舉着幫孩子拼裝的名義，補交一波童年的“學費”

不過，現(xiàn)在發現(xiàn)原來(lái)當年景仰的這(zhè)個奧迪雙鑽原來(lái)最早是從(cóng)山寨發家的，産品并沒有獲得原品牌的授權，簡直是毀童年啊
扯遠了(le)扯遠了(le)，我們繼續介紹直流電機


直流電機的定子上(shàng)會(huì)有勵磁繞組（Erregerwicklung），繞組的外(wài)形會(huì)進行一定的延伸，增加磁通面積。定子的設計(jì)上(shàng)會(huì)盡量将勵磁磁場限制在電機内部，使電機獲得更高(gāo)的磁效率。當然如果定子上(shàng)使用(yòng)永磁體，那就沒有了(le)勵磁繞組，比如說上(shàng)文(wén)我們提到(dào)的小(xiǎo)電機的定子上(shàng)就是使用(yòng)的永磁體，或者磁鐵(tiě)，使電機的結構設計(jì)更簡單一些(xiē)

轉子（Rotor）一般會(huì)用(yòng)很(hěn)多塗層過的矽鋼片疊在一起，避免在旋轉的時(shí)候出現(xiàn)較大(dà)的渦流，矽鋼片上(shàng)留有繞線用(yòng)的槽，一般會(huì)纏繞很(hěn)多線圈，這(zhè)些(xiē)導線一般是表面絕緣的銅線，均勻的繞上(shàng)去，導線的兩端需要通電産生電磁場，而轉子需要轉動起來(lái)，因此固定的導線連接必然是個不可取的方式，于是導線的兩端就連接到(dào)轉子一端的電環上(shàng)，電環上(shàng)是2個或者多個銅片，定子上(shàng)有一個彈簧銅片或者碳刷會(huì)壓在電環上(shàng)，接通電流，當轉子在旋轉的時(shí)候，這(zhè)個彈簧銅片就像一個刷子一樣不停在電環上(shàng)的不同銅片上(shàng)刷過，因此這(zhè)種直流電機就被稱爲有刷直流電機

後來(lái)還發展出無刷電機等其他(tā)技術，本文(wén)主要對(duì)有刷直流電機的結構原理(lǐ)進行介紹

3）運行原理(lǐ)
簡單來(lái)說就是“同性相斥，異性相吸”
别想到(dào)别的地方去，我說的是磁鐵(tiě)的NS極
一段線圈通電之後就會(huì)在鐵(tiě)芯上(shàng)産生一個磁極，這(zhè)個磁極與定子上(shàng)的磁鐵(tiě)或者勵磁繞組的磁極産生吸引力和(hé)排斥力，推動轉子不停轉動
接下(xià)來(lái)又是我們喜聞樂見的部分了(le)，我們又要開(kāi)始上(shàng)公式了(le)
經常做題的小(xiǎo)夥伴應該都知(zhī)道(dào)，在做公式推演之前，咱們要先做一些(xiē)合理(lǐ)的假設：
· 鐵(tiě)芯磁導率，也(yě)就是說，電機的鋼鐵(tiě)部分的勵磁可以忽略不計(jì)
· 氣隙（定子與轉子間的間隙）保持不變
· 氣隙處的漏磁忽略不計(jì)

基于上(shàng)述假設，磁通在一個确定的磁路裏面運行，磁場線沿着氣隙的垂直方向進出，氣隙裏面是一個磁通密度恒定的磁場環境，在不考慮換向器的情況下(xià)，根據上(shàng)一篇我們講到(dào)基礎公式4，計(jì)算(suàn)一條磁場線上(shàng)的磁動勢，有效磁路隻包含兩段氣隙的長度

轉子上(shàng)的一段通電導體的電流爲，起始夾角爲，因爲氣隙中的磁通密度與導體互相垂直，在半徑爲的導體上(shàng)受到(dào)的安培力和(hé)轉矩爲

可見，轉矩和(hé)角度有關，當爲正，轉矩爲正，爲負，轉矩爲負，因此當轉子上(shàng)隻有一段線圈通電的時(shí)候，轉矩會(huì)出現(xiàn)周期逆轉的轉矩，無法持續穩定運動，這(zhè)個時(shí)候我們就需要換向器了(le)

如果我們需要電機勻速轉動，角速度爲，轉子上(shàng)的最大(dà)線速度爲

轉子在切割磁感線的時(shí)候，導體上(shàng)會(huì)有感應電壓

因此，導體上(shàng)的感應電壓和(hé)都與角度有關，爲了(le)讓電機能(néng)夠持續穩定工(gōng)作(zuò)，就需要讓轉子在轉動的時(shí)候轉矩始終爲正，可以讓始終保持同樣的正負号，也(yě)就是換極，或者叫電流換向

換極可以在=0的地方執行，這(zhè)樣電壓和(hé)電流都沒有突變，最簡單的辦法可以用(yòng)兩個滑環和(hé)電刷組成一個換向器

當轉子上(shàng)有3組繞組的時(shí)候，轉矩波形就會(huì)如上(shàng)圖這(zhè)樣減小(xiǎo)不少沖擊，如果繞組和(hé)換向器數量更多，更密，那麽轉矩輸出就會(huì)更平穩

當然，在實際使用(yòng)中，并不會(huì)放(fàng)很(hěn)多個換向器，而是會(huì)把線圈進行首尾串聯，如下(xià)圖

4）極對(duì)數
今天好(hǎo)像講的有點多了(le)，最後再來(lái)介紹一下(xià)極對(duì)數
我們在購買電機的時(shí)候經常會(huì)有2極，4極，6極電機的選項

極對(duì)數描述了(le)電機的定子或者轉子上(shàng)總共有多少對(duì)極對(duì)，在直流電機定子的勵磁極上(shàng)，如果極對(duì)數爲p，那麽總極數爲2p，那麽極距就是

關于直流電機原理(lǐ)的介紹，今天就先講到(dào)這(zhè)兒，下(xià)一篇我們會(huì)繼續介紹一些(xiē)跟磁極，極對(duì)數相關的知(zhī)識，歡迎大(dà)家繼續參加我們的“低(dī)配版大(dà)學物理(lǐ)”課堂