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一文了解电机原理 (图文并茂)

发布：落叶纷飞来源：

PostTime：11-2-2025 18:28

如果你对电机稍作了解，你会发现电机真的无处不在。就以汽车上使用到的电机为例，除了新能源车的驱动电机，车上还有许许多多的地方都用到了电机，比如玻璃升降，座椅移动，电动尾门和电吸门等。电机被广泛使用在我们 ...

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如果你对电机稍作了解，你会发现电机真的无处不在。就以汽车上使用到的电机为例，除了新能源车的驱动电机，车上还有许许多多的地方都用到了电机，比如玻璃升降，座椅移动，电动尾门和电吸门等。电机被广泛使用在我们生活的方方面面，因此我好奇地了解了下它的原理，原来这些知识大家在初中都已经学习过，下面我们就以图文并茂的形式来了解电机的原理等基础知识。
1 电和磁有联系吗？

故事的开始得从1820年7月开始，丹麦的物理学家奥斯特做了一个实验：

source: 【矩道物理虚拟实验室】发电机的工作原理（上）
在电池的两极之间接上一根很细的铂丝，在铂丝的下方放置一枚磁针，然后接通电源，很正常的操作，貌似没什么，但是现象却很令人吃惊：小磁针转动了！一直转到铂丝垂直的方向，改变电流方向，又发现小磁针向相反方向偏转！奥斯特的发现揭示了电流会产生磁场，电和磁有联系！有怎么样的联系？2 电如何产生磁？
随后，法国人安培做了多个实验，研究了电流之间的相互作用力，1820年12月4日，安培在法国科学院的会议上报告了电流元相互作用的定律，即：

发现长直导线外，到导线距离相等的点，“磁场”大小相同；
距离不同的点，“磁场”大小随着距离成反比；
“磁场”和电流大小以及导线的根数也成正比。

如果用复杂的数学公式表示电流及其磁感线关系的理论，则为：

即在恒定电流的磁场中，磁场强度沿任何闭合路径 C （即环路积分）的线积分等于其所包围的电流强度的代数和。这便是众所周知的安培定律，可以应用安培定律来计算磁场。与此相关的如何判定磁感线方向，便是大家初中所学的右手螺旋定则，即：

直线电流的安培定则用右手握住导线，让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致，那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向；
环形电流的安培定则让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是环形电流中心轴线上磁感线的方向。

source: 如何快速理解永磁同步电机？
3 磁如何产生电？

后来英国物理学家法拉第经过多年的探索，终于1831年终于取得突破，发现了利用磁场产生电流的条件和规律，即电磁感应现象。

通俗地讲，这就是“磁生电”现象。即闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，在导体上就会产生电流，这就是电磁感应现象，也叫法拉第电磁感应定律，产生的电流叫感应电流。

source: 【矩道物理虚拟实验室】发电机的工作原理（上）感应电流方向使用右手定则来判定，即伸平右手使姆指与四指垂直，让磁感线垂直穿过手心，姆指指向导体运动的方向，四指所指的方向即为导体中感应电流的方向。

Source:Brushless DC Motor Fundamentals ApplicationNote
4 电机原理

通过上述三位伟人奥斯特，安培和法拉第了解最基本的电生磁，磁生电后，接下来基于此看如何创造电机，从大家都知道的知识点开始：

磁铁分N极和S极，磁力线从N极出发，最后回到S极；
磁铁同极相斥，异极相吸。

假如我们将一个磁铁中间打个孔，然后串入一根杆，一手拿着杆，另一手拿着一块磁铁，如下所示：

那么我们是不是可以通过控制右边的磁铁的方向使得左边的磁铁旋转？然后我们再进一步，将右边的磁铁用线圈来代替。

那么通过控制线圈的通电方向和通电频率，以此电生磁。是不是仍然可以使得左边的磁铁旋转？如下所示这样的旋转：

source: 如何快速理解永磁同步电机？当然，真正的电机不会直接拿线圈和永磁体直接相吸的，这样效率太低了，一般是将线圈绕在磁轭上，磁轭是软磁体，起着导磁的作用。

Source:Brushless DC Motor Fundamentals ApplicationNote经过不断地优化与迭代，电机就这样被创造出来了。常见的电机类型有：

有刷电机和无刷电机

有刷电机是大家最早接触的一类电机，有刷电机的主要结构组成有定子、转子和电刷，通过旋转磁场获得转动力矩，从而输出动能。电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换相作用。有刷电机的特点是启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等。

source: PMSM vs BLDC : Game of Contrasts Between the Motors & Motor Control Systems

无刷电机采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。其结构组成有电动机主体和驱动器两部分，换相的工作由控制器中的控制电路来完成。

source: PMSM vs BLDC : Game of Contrasts Between the Motors & Motor Control Systems

永磁同步电磁和异步感应电机

永磁同步电机主要是由转子绕组、机壳、定子铁芯及旋变组件等各部件组成。定子旋转磁场“拖着”转子磁场（转子）转动，所以永磁同步电机的转子速度一定和定子旋转磁场相同，所以叫同步电机。永磁同步电机在转子上放有高质量的永磁体磁极，定子线圈的磁场会因为断电而消失，但是转子却是磁性很强的永磁体，磁场并不会消失，因此称之为“永磁同步电机”。

source: 台达伺服电机原理（科普）

异步感应电机的定子由定子铁芯、定子绕组、和机壳组成，转子由转子铁芯、转子绕组、和转轴组成。异步感应电机的定子和转子之间靠电磁感应作用，利用电磁感应原理，通过定子的三相电流产生旋转磁场，并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩，以进行能量转换。正常情况下，异步感应电机的转子转速总是略低或略高于旋转磁场的转速(同步转速)，因此称为“异步感应电机”。

source: Squirrel Cage Induction Motor Animation

5小结

到此，本文就先从初中所学的最基础知识：电生磁，磁生电，再结合大家都知道的常识：同性相斥，异性相吸，基于此就创造出来了电机，创造出了最常见的执行电机：刷电机和无刷电机，创造出了新能源汽车最常用的驱动电机：永磁同步电机和异步感应电机。这就是电机的原理与基础，对此有了基本认识后，后续将更进一步来探讨电机控制。

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