電機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理

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電流、磁場和力

首先，為了便于后續(xù)電機(jī)原理說明，我們來回顧一下有關(guān)電流、磁場和力的基本定律/法則。雖然有一種懷舊的感覺，但如果平時不常使用磁性元器件，就很容易忘記這些知識。

 
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旋轉(zhuǎn)原理詳解

下面介紹一下電機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理。我們結(jié)合圖片和公式來說明。

當(dāng)導(dǎo)線框為矩形時，要考慮到作用在電流上的力。

 
作用于邊a、c部分的力F為：

 
產(chǎn)生以中心軸為心軸的轉(zhuǎn)矩。

例如，當(dāng)考慮到旋轉(zhuǎn)角度僅為θ的狀態(tài)時，與b和d成直角作用的力為sinθ，因此a部分的轉(zhuǎn)矩Ta由以下公式表示：

 
以相同的方式考慮c部分，則轉(zhuǎn)矩加倍，并生成由以下公式計算出來的轉(zhuǎn)矩：

 
由于矩形的面積為S＝hl，因此將其代入上述公式可得出以下結(jié)果：

 
該公式不僅適用于矩形，也適用于圓形等其他常見形狀。電機(jī)就是利用了該原理。

關(guān)鍵要點：

電機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理遵循電流、磁場和力相關(guān)的定律（法則）。

電機(jī)的發(fā)電原理

下面將介紹電機(jī)的發(fā)電原理。

如上所述，電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為動力的設(shè)備，可以通過利用磁場和電流相互作用所產(chǎn)生的力來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。其實，反之，電機(jī)也能夠通過電磁感應(yīng)將機(jī)械能（運(yùn)動）轉(zhuǎn)換為電能。換個角度說，電機(jī)具有發(fā)電作用。提到發(fā)電，您可能就會想到發(fā)電機(jī)（也稱為“Dynamo”、“Alternator”、“Generator”、“交流發(fā)電機(jī)”等），但是其原理與電機(jī)相同，并且基本結(jié)構(gòu)相似。簡而言之，電機(jī)可以通過使電流流經(jīng)引腳而獲得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，相反，當(dāng)電機(jī)的軸旋轉(zhuǎn)時，在引腳之間會有電流流過。

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電機(jī)的發(fā)電作用

如前所述，電機(jī)的發(fā)電依賴于電磁感應(yīng)。以下是相關(guān)定律（法則）和發(fā)電作用的圖示。

 
左圖顯示電流按照弗萊明右手定則流動。通過導(dǎo)線在磁通中的運(yùn)動，在導(dǎo)線中產(chǎn)生電動勢并且有電流流動。（我們推薦你關(guān)注“機(jī)械工程師”公眾號，第一時間掌握干貨知識、行業(yè)信息）

中間的圖和右圖表示按照法拉第定律和楞次定律，當(dāng)磁鐵（磁通）靠近或遠(yuǎn)離線圈時，電流沿不同的方向流動。

我們將在此基礎(chǔ)上來解釋發(fā)電原理。

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發(fā)電原理詳解

假設(shè)面積為S（＝l×h）的線圈在均勻磁場中以ω的角速度旋轉(zhuǎn)。

 
此時，假設(shè)線圈表面的平行方向（中間圖中的黃線）和相對于磁通密度方向的垂直線（黑色虛線）形成角度為θ（=ωt），則穿透線圈的磁通量Φ由下式表示：

 
另外，通過電磁感應(yīng)在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E如下：

 
當(dāng)線圈表面的平行方向垂直于磁通方向時，電動勢變?yōu)榱�，而水平時電動勢的絕對值最大。

這樣，電機(jī)就具備了發(fā)電作用。我在這里說明的是電機(jī)具有旋轉(zhuǎn)動作和發(fā)電作用，并不意味著要將電機(jī)用于發(fā)電。如果要發(fā)電，通常使用專為發(fā)電進(jìn)行了優(yōu)化的發(fā)電機(jī)。

關(guān)鍵要點：

電機(jī)的發(fā)電作用與旋轉(zhuǎn)動作一樣，遵循電流、磁場和力的定律（法則）。電機(jī)通過電磁感應(yīng)將機(jī)械能（運(yùn)動）轉(zhuǎn)換為電能