李業(yè)新

在如今的航模運(yùn)動中，電機(jī)逐漸替代了早年的內(nèi)燃機(jī)（圖1- 圖3），成為模型動力裝置的主流。在內(nèi)燃機(jī)時(shí)代，有許多相關(guān)文章和資料，可供大家學(xué)習(xí)研究。遺憾的是直到現(xiàn)在，介紹電機(jī)工作原理的文章較少。本文將對有刷電機(jī)和無刷電機(jī)的原理、二者的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)做一普及講解，供廣大愛好者參考。文中如有不足之處，請多指正。

說到航模電機(jī)，先得講講磁鐵。磁鐵又名磁鋼、吸鐵石，很多人小時(shí)候都接觸過（圖4）。在生活中，磁鐵的用處非常多，如用它制作的指南針、開瓶器、紐扣等（圖5）。磁鐵具有磁性，其上有南極和北極，常用字母S和N表示。磁鐵的兩極遵循同極相斥、異極相吸的原理。

電機(jī)正是采用這一原理制成的。將導(dǎo)體（電線）彎曲成螺旋狀，通電后便形成了最簡易的電磁鐵（圖6），螺旋線圈的一端為N極，另一端為S極。如果將電源的正負(fù)極交換，相應(yīng)的螺旋線圈上的N極和S極會對調(diào)。要想維持電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要讓兩塊永久磁鐵和1塊磁極不停轉(zhuǎn)換的電磁鐵組合搭配。永久磁鐵的問題好解決，而要想得到1塊磁極不停轉(zhuǎn)換的電磁鐵，必須迫使為其供電的電源正負(fù)極隨時(shí)間不斷變化。

電機(jī)的順利運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)際是利用了磁鐵異極相吸、同極相斥的特性（圖7）。如圖8所示，電機(jī)外側(cè)固定了兩塊永久磁鐵，中間區(qū)域轉(zhuǎn)動的部分是電磁鐵。當(dāng)處在位置①時(shí)，由于電磁鐵左側(cè)的N極與固定的永久磁鐵的N極相互排斥，而與右側(cè)的S極相互吸引，因此該相互作用力產(chǎn)生了一個(gè)力矩，驅(qū)使電磁鐵帶著線圈以轉(zhuǎn)動軸為中心順時(shí)針向右旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)到位置②時(shí)，電磁鐵與兩塊永久磁鐵的吸引力達(dá)到最大位置，轉(zhuǎn)動停止。為讓電磁鐵能繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在位置②處連接螺旋線圈的電源正負(fù)極迅速互換，導(dǎo)致②中的電磁鐵的N極和S極發(fā)生調(diào)轉(zhuǎn)，即左側(cè)由S極變?yōu)镹極、右側(cè)由N極變?yōu)镾極。這樣一來，原本的異極相吸變?yōu)橥瑯O相斥，該作用力驅(qū)動電磁鐵繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動半圈。如此周而復(fù)始，電機(jī)就會不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。

所以如何使電機(jī)電源的正負(fù)極在螺旋線圈轉(zhuǎn)了半圈后成功互換，成為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心問題。針對這個(gè)問題，最開始的解決方法是增加一個(gè)專門的元件，也就是有刷電機(jī)中的換向器（或整流器）。換向器與線圈相連（圖9），并根據(jù)電磁鐵位置的不同，保證線圈每轉(zhuǎn)動半圈，電機(jī)的供電電源正負(fù)極互換一次，電磁鐵的磁極隨之互換。

換向器這一功能的實(shí)現(xiàn)，依賴的是自身結(jié)構(gòu)。換向器不僅連接了電磁鐵上的螺旋線圈，而且與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸連接，并隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動。如圖所示，電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上的物體被稱為轉(zhuǎn)子。如果從電機(jī)輸出軸的一端向另一端看，換向器恰似兩個(gè)直徑相同、分割的扇形物體。

在早期航模電機(jī)中（圖10），因?yàn)閾Q向器通過電刷與電池的正負(fù)極相連，間斷地為電磁鐵供電，所以這類電機(jī)被稱為電刷式電機(jī)，俗稱有刷電機(jī)。有刷電機(jī)工作時(shí)，必須依靠換向器與左右兩端電刷的連接，讓電磁鐵上的線圈通電（圖11、圖12）。圖13中的正負(fù)兩極上各有1個(gè)電刷。當(dāng)處于位置①時(shí)，換向器的兩個(gè)扇形截面正好與電刷相連，電磁鐵上的線圈有電流通過。當(dāng)處于位置②時(shí)，換向器的兩個(gè)扇形截面離開了電刷（圖14），電磁鐵上的線圈無電流通過，此時(shí)轉(zhuǎn)子變?yōu)槎栊赞D(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)至位置③時(shí)，換向器的兩個(gè)扇形截面再次與電刷相連，電磁鐵上的線圈有電流通過，但電源的正負(fù)極與位置①時(shí)正好相反。此時(shí)電磁鐵中的磁極倒轉(zhuǎn)，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)。在這3個(gè)階段中，換向器成功地保證了電磁鐵上通電線圈的電極循環(huán)變換。

以上介紹的是二極有刷電機(jī)。在生活中，經(jīng)常會看到包含3個(gè)線圈的有刷電機(jī)，通常稱為三極有刷電機(jī)。曾經(jīng)風(fēng)靡全球的四驅(qū)車模型，其用到的就是三極有刷電機(jī)，所采用的電機(jī)型號為130（圖15）。關(guān)于三極有刷電機(jī)的運(yùn)行原理，這里留個(gè)懸念，我們下期再說。（未完待續(xù)）