电动机，简称电机，是一种通过电磁相互作用，将电能转换为机械能的装置。电机种类丰富、用途广泛，在航模领域，从电动航模的动力电机、舵机的驱动电机，到地面的启动器、电动油泵等航模工具，都会用到电机。
本文将从电机的基本原理开始，由浅入深地介绍电机的原理、构成，以及不同分类及其性能特点，然后对航模活动中接触较多的电机类型进行详细讲解，和各位模友交流。首先介绍电机的基本原理和不同类型电机的分类方法及其性能特点（图1）。
电机基本原理
电机运转的基本原理很简单，以两极直流电机为例（图2）：旋转的部分称为转子，不旋转的称为定子。通常永磁体定子在外，用线圈制作的转子在内。线圈通电时产生的磁场会与定子的永磁体磁场相互作用，产生转动力矩驱动轴转动，输出功率。
电机要能稳定高效持续地输出功率，需要解决两个关键问题：磁场足够强；磁场能随着旋转而及时准确地切换极性。围绕这两个问题，不同用途的电机有不同的解决方案，于是便产生了不同种类的电机。但从电机的结构来看无外乎两种，定子和转子总有一方是线圈，另一方可以是铁氧体磁铁或磁钢制成的永磁体（如普通的小型直流电机，图3），也可以是铝制框架感应电流产生的磁场（如三相异步电机，也称“鼠笼”电机，图4），或者是同样的通电线圈产生的磁场（工业上称为励磁绕组）。从切换磁场极性的方法看，有的电机是通过换向器进行机械切换（直流有刷电机），有的是直接利用交流电的频率来切换（大部分交流电机）。本文将逐一对这些不同工作方式所对应的不同种类的电机作介绍。
电机的分类及其性能特点
生活中能见到很多电机，如单相电机、三相电机、同步电机、异步电机……而航模中用到的电机也分有刷、无刷、内转子、外转子……这些不同叫法的电机是如何归类的？航模电机与平时生活中见到的电机一样吗，还是只是叫法不同？为什么有的“老鸟”将报废的光驱电机改装后也能装到模型飞机上飞行（图5）？看完下面的介绍这些问题就容易解释了。
按电源类型分类：
直流电机与交流电机
电源类型有直流、交流两种，电机按使用电源的不同也分为直流电机和交流电机两种。其中交流电机还分为单相电机和三相电机，前者使用普通的交流电，后者使用三相交流电（图6）。以目前能接触到的一般情况为例，便携或移动设备中，由于不方便获得交流电，一般使用直流电机；工厂等需要大功率设备的场合，一般配有三相交流电，因此大型设备都使用三相交流电机；家庭使用的场合，因为一般只有单相的照明用电，电机的功率也较小，所以家用电器大都使用单相交流电机。因此，三相电被称为“动力电源”，而单相电被称为“照明电源”或“市电”。航模设备根据不同情况，既使用直流电机也使用交流电机。
当然，对某些电机而言，直流、交流的界限是模糊的，比如像硬盘和光驱的主轴电机、散热风扇的电机、航模上用的动力电机。从电机本身看，它们属于交流电机，但使用的却是直流电，这主要归功于驱动电路的帮助，因此有些场合将这类电机称为直流电机也没错（图7、图8）。
从性能上看，直流电机的启动性能和瞬间改变转动方向的能力较好，而交流电机在高速运行时效率较高。另外，直流电机的转速控制较为简单，只要调整供电电压，就可以实现直流电机的无级、平滑变速；相比之下，交流电机需要通过相位监控，对电压和频率同时调整才能实现无级变速。
随着电力电子技术，尤其是大功率半导体的发展，现在电源的类型对电机的性能影响已经淡化了，所以不能单从类型判断电机的性能，与性能密切相关的更重要因素是电机的构型。
按运行时的磁场关系分类：
同步电机和异步电机
前面已经提到，电机是靠定子和转子之间的磁场相互作用运转并输出扭矩的，这就产生了两种电机类型，一种是转子的转速和磁场的变化速度同步，称为同步电机；另一种是转子的转速与磁场变化不同步，称为异步电机。一般来讲，直流电机、永磁体或励磁线圈提供磁场的交流电机都属于同步电机（图9）；而转子靠铝制框架“鼠笼”或闭合绕组的感应电流来产生磁场的交流电机一般都属于异步电机。这是因为这种类型的电机，转子和磁场必须有转速差，才能在转子的“鼠笼”或绕组上感应出电流形成磁场。
以三相交流电机为例。同步电机工作时，转子的永磁体产生磁场，或者是电机转子的绕组通入直流电，产生类似永磁体的磁场；定子上通入三相交流电后，会随磁场变化同步旋转，转速n＝60f/p。这里f是电源频率，p是电机的极对数（图10）。
而异步电机工作时，只有定子通电（三相交流电），转子受到感应电流产生磁场（原理同变压器）。因为是感应电流，所以转子产生磁场旋转的速度要滞后于定子磁场，相当于定子磁场拖动转子旋转，其转速低于同步转速，而且负载越重，滞后越多。
同步电机的转速准确，不随负载变化，易于精确控制，常用于需要精确运作的机械，例如数控机床上的步进电机，就是同步电机的一种特例（图11）。而异步电机的特点在于转子结构简单，生产成本低廉，在要求不高的场合作为高性价比的动力源，被大量使用（图12）。
按有无电刷分类：
有刷电机和无刷电机
电机的连续运转需要靠线圈产生变化的磁场实现。而在很多情况下，电机通过电刷在转子旋转过程中接触换向器上的不同电极来实现这一目的。因此根据有无电刷，电机又分为“有刷电机”和“无刷电机”。
顾名思义，有电刷的电机称为有刷电机，无电刷的自然为无刷电机了。很多模友都很清楚：直流电机都是有刷电机，交流电机都是无刷电机。但这个概念只在大部分情况下正确。在有些场合，直流电机内置了转换和控制电路，可以不需要电刷，比如散热风扇的电机（图13）：虽属于直流电机，但实际上没有电刷。另一方面，如果需要交流电机产生很大扭矩和转速，那么转子和定子都不使用永磁铁，而是通过电刷给转子上的线圈供电产生强磁场。这时虽然是交流电机，但也需要使用电刷，属于有刷电机，比如手电钻里的电机（图14）。因此，本文把直流/交流电机、有刷/无刷电机按两种分类方法来讨论。不过，一般可以认为，有刷电机的转子上有线圈绕组，而无刷电机的转子上没有通电的线圈绕组。
从性能上看，有无电刷对电机影响较大。首先是效率，固定的电刷要与旋转的转子接触，必然会有摩擦，产生阻力，发出热量，在同样的生产工艺水平下（即电机的铜线圈、硅钢片定子、磁钢、轴承等部件的质量和加工精度相同），有刷电机的效率一般比无刷电机低。
其次是寿命。电刷为保持良好的导电性，不能使用油脂等润滑方法手段，因此它和换向器往往成为有刷电机中因摩擦磨损最先“到寿”的部件。较大的电机需要大修，更换磨损件；而对于小电机，一般就结束它的使命了（图15）。
最后是制造成本。电刷和与之接触的换向器，都要使用高导电性、高耐磨性材料制造。电机内部需设计专门空间以安装，大功率电机还要考虑散热和防尘问题。同时，有刷电机的转子，线圈一般都用铜质漆包线制作，无论是人工还是机器加工都难以保证绕组的一致性。由于不一致的转子线圈会在高速运转中产生剧烈震动，因此转子绕组制作完成后需要做动平衡，进一步增加了成本。而无刷电机转子一般是铝制“鼠笼”或磁钢，比较容易保持一致，大部分情况都能满足要求，只有在极高速的场合才需进一步做动平衡。这一系列原因使得大功率有刷电机的生产工艺繁琐、转子结构较为复杂、成本相比无刷电机更高（这里只是在同级别、同档次的情况下单纯比较电机本身的成本，不包括直流无刷电机的控制电路等，图16、图17）。当然，尽管有刷电机存在一些不足，使其应用受到限制，但很多情况下，有刷电机的独特之处又使它变得不可替代。
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发表于 2012-2-7 12:41
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