一口氣看完直流電機運轉原理，從磁場到扭力完整閉環，帶你吃透直流電機最硬核的動力原理！

長腦子最好的方式就是多看我的原理拆解 接下來的一百年 我將帶你逐一拆解各種事物的核心原理 今天我將一口氣帶你看懂直流電機的完整工作原理 整套系統分成五個核心部分 電流 電磁鐵 轉子 電刷和幻象器 我們先從最簡單的電路開始 一塊電池 幾根導線 和一個用電設備連接起來 就組成了電路 但只有線路首尾連通 電流才能持續通過 如果開關斷開 迴路被切斷 電流停止 開關閉合 電流重新通過 而且電流是有方向的 把電池正負極對調 電流方向也會反過來 燈泡可能仍然可以發光 但對於電機來說 電流方向的變化非常關鍵 因爲它會直接改變線圈產生的磁場方向 接下來先認識磁鐵 普通永磁鐵具有北極和南極 一極相吸 同極相斥 如果把一塊磁鐵安裝在能夠旋轉的軸上 再拿另一塊磁鐵靠近 它就會轉到兩個一極相對的位置 然後停下來 這說明磁地確實可以推動物體旋轉 但只靠兩塊固定磁鐵還不夠 因爲磁極一旦對齊 旋轉也就結束了 想讓它一直轉 就必須不斷改變磁極之間的吸引和排斥關係 這時電磁鐵出現了 把導線繞成線圈 讓電流從線圈中通過 線圈周圍就會產生磁場 如果線圈中再加入鐵芯 磁場會更加集中 於是這組線圈也具備了類似磁鐵的南極和北極 更重要的是 只要把線圈中的電流方向反過來 它的南北極也會交換 原來是北極的一端會變成南極 原來是南極的一端則變成北極 這就是電機能夠持續旋轉的核心條件 不需要來回扳動外面的磁鐵 只要改變轉動線圈中的電流方向 就能改變它的磁極 現在把這組線圈和鐵芯 安裝到一根可以自由旋轉的軸上 電機內部能夠旋轉的整個部分叫做轉子 畫面中繞有線圈 電樞跟隨中心軸旋轉 屬於轉子的重要組成部分 而轉子外面固定不動 負責提供穩定磁場的部分叫做定子 在畫面中的這種永磁有刷直流電機裏 定子主要就是兩側固定在外殼上的永磁體 中間的線圈 電樞 鐵芯 幻象器和中心軸 則共同組成旋轉部分 當電流進入轉子線圈 轉子就變成了電磁鐵 一端受到外側異性磁極的吸引 另一端同時受到同性磁極的排斥 這兩側的作用力不會完全穿過中心軸 而會形成一個讓轉子轉動的趨勢 這個旋轉作用就叫做轉矩 於是轉子開始帶着中心軸一起旋轉 但它很快又會遇到剛纔的問題 當轉子轉到自身磁極與定子磁極接近對齊時 繼續推動它旋轉的作用就會減弱 如果線圈中的電流方向始終不變 轉子可能只轉過一段角度 最終停在磁極對齊的位置 解決辦法是在轉子到達合適位置時 立刻反轉線圈中的電流 電流一反轉 轉子電磁鐵的南北極也會隨機互換 剛剛吸引它的定子磁極 下一刻開始排斥 另一邊則重新產生吸引 轉子因此能夠越過原來的對齊位置 繼續朝同一個方向旋轉 可電機沒轉過半圈 就讓人手動交換一次電線 顯然不現實 所以電機內部加入了一個非常關鍵的部件 幻象器 最簡單的幻象器 是一隻被絕緣縫分成兩半的銅環 它固定在轉子軸上 兩片銅環分別連接線圈的兩端 並且會跟隨轉子一起旋轉 幻象器本質上是一隻機械旋轉開關 它的任務是根據轉子所在的位置 自動交換線圈兩端 與電源正負極的連接關係 但外面的電線是固定不動的 怎樣把電流送進正在高速旋轉的幻象器 這就需要另一個部件 電刷 電刷固定在電機外殼上 電刷後面通常有彈簧 把它持續壓在幻象器表面 保證固定的電源與旋轉的幻象器之間 始終保持電接觸 電流從電源出來 先經過一側電刷 進入其中一片幻象器 再流過轉子線圈 隨後電流從另一片幻象器流出 經過另一側電刷 最終返回電源 所以電刷和幻象器雖然緊貼在一起 作用卻完全不同 電刷負責把外部電流送進旋轉部件 幻象器負責按照轉子的位置 改變電流方向 兩片幻象器也會依次滑過兩側電刷 當轉子轉過接近半圈時 原本接觸正極電刷的幻象片 會轉到負極電刷一側 另一片幻象片則轉到正極一側 線圈兩端與電源正負極的連接關係 因此交換 線圈中的電流方向也隨之反轉 電流一反轉 轉子電磁鐵的南北極立即互換 新的吸引和排斥 再次形成同一方向的轉矩 推動轉子繼續向前 換句話說 電刷負責持續送電 幻象器負責定時幻象 兩者配合就相當於有人藏在電機內部 根據轉子的位置 不停交換線圈的兩根電線 只要這個過程不斷重複 轉子受到的轉矩 就會持續朝同一個旋轉方向作用 電機也就不會只轉半圈 而是連續旋轉 幻象器由彼此絕緣的銅片組成 並跟隨電輸軸旋轉 固定電刷則負責把外部電源 連接到不同的電輸線圈上 並在旋轉過程中完成幻象 不過 只有一組線圈和兩片幻象器的電機 運行起來仍然不夠平穩 當轉子運動到某些角度時 推動作用會明顯減弱 如果它恰好停在某個特殊位置 重新接通電源後 還可能不容易自行啓動 於是 真實電機會在轉子上佈置多組線圈 並把幻象器 分成更多彼此絕緣的銅片 隨着轉子旋轉 電刷會依次接觸不同的幻象片 上一組線圈退出有效通電位置 這樣可以減少旋轉過程中 轉矩忽強忽弱的現象 讓電機的輸出更加連續和平穩 在這種永磁直流電機中 電流增大通常會讓輸出轉矩增大 但電機的實際轉速 還會受到電源 電壓 外部負載 線圈電阻 和反電動式等因素影響 負載變重時 電機往往會減速 同時吸收更大的電流 以產生更大的輸出轉矩 MIT的直流永磁電機資料 也分別給出了轉矩與電流 現在 把整條工作鏈路重新連起來 開關閉合 電流經過電刷和幻象器 進入轉子線圈 線圈通電後產生磁場 成爲電磁鐵 轉子的磁場 與外側定子的磁場相互作用 產生轉矩 推動轉子和中心軸旋轉 轉子轉過一定角度後 幻象器自動交換 線圈兩端的連接關係 讓電流方向反轉 電流反轉後 轉子電磁鐵的南北極互換 新的吸引和排斥 於是 電能先變成磁場 再通過磁場之間的相互作用 變成轉子的機械旋轉 最後由中心軸把動力輸出 這根軸可以直接帶動玩具 車輪 風扇 葉片和電動牙刷 也可以連接齒輪 降低轉速 改變輸出轉矩 它還可以通過曲柄和連桿 把連續的旋轉運動 轉換成電動切割刀的 前後往復運動 所以 有刷直流電機真正巧妙的地方 不是簡單的 而是讓電流產生磁場 讓磁場推動轉子 再讓電刷與幻象器 根據轉子的位置 自動改變線圈中的電流方向 正是這套週而復始的幻象過程 讓電機把看不見的電流 變成了持續不斷的旋轉