R課堂 | 為什么提高電機(jī)的電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速會隨之上升？

本文探討的問題是 “ 為什么提高電機(jī)的電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速會隨之上升？ ”具體而言，就是當(dāng)給電機(jī)繞組施加的電壓升高（增大）時(shí)，為什么其轉(zhuǎn)速會隨之上升。這一現(xiàn)象看似理所當(dāng)然，但其背后的原理卻涉及諸多物理公式。這個(gè)問題對于深入了解電機(jī)原理非常關(guān)鍵，下面將為大家詳細(xì)闡述。

問題的內(nèi)容

本次的問題源于類似下面的經(jīng)歷。

這是在使用市售的小型電機(jī)時(shí)產(chǎn)生的疑問。當(dāng)時(shí)使用的是那種只需連接電池就能轉(zhuǎn)動的電機(jī)，即所謂的有刷電機(jī)。為探尋如何能提高轉(zhuǎn)速，經(jīng)過一番調(diào)查后得知，有一種方法是將電池進(jìn)行串聯(lián)。于是采用兩節(jié)電池串聯(lián)的方式，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)速）相較于單節(jié)電池時(shí)加快了。

對于轉(zhuǎn)速的提高，人們很容易直觀的認(rèn)為，“這是由于兩節(jié)電池的功率（電壓？）變成了原來的兩倍”，但是，當(dāng)深入思考電壓和轉(zhuǎn)速之間究竟存在怎樣的關(guān)系時(shí)，就會感到困惑不解，進(jìn)而希望知曉更為詳盡的緣由。

當(dāng)把兩節(jié)電池串聯(lián)連接時(shí)，有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速的確會上升。像這樣將電池串聯(lián)起來提升功率的情況，想必有人在使用小燈泡時(shí)體驗(yàn)過吧。當(dāng)使用兩節(jié)電池時(shí)，小燈泡會比使用單節(jié)電池時(shí)更亮。所以，對于電機(jī)轉(zhuǎn)速上升這件事可能并不會覺得有什么奇怪的。

然而，并非所有電機(jī)都遵循這一規(guī)律，事實(shí)上，有的電機(jī)即便提高電壓，轉(zhuǎn)速也不會改變。比如說步進(jìn)電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)就是轉(zhuǎn)速不會隨著電壓的升高而上升的電機(jī)。另外，轉(zhuǎn)速會上升的電機(jī)是有刷電機(jī)和無刷電機(jī)。那么，這些電機(jī)之間的區(qū)別是什么呢？下面我們首先從這一點(diǎn)切入，開始講解。

1、轉(zhuǎn)速不變的電機(jī)與轉(zhuǎn)速可變的電機(jī)

之間的區(qū)別

當(dāng)改變電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速不變的電機(jī)與轉(zhuǎn)速可變的電機(jī)在旋轉(zhuǎn)磁場的控制策略上存在差異（※在此處的說明中，“控制策略”可能比“控制方法”更為恰當(dāng)）。

轉(zhuǎn)速不變的電機(jī)，是通過控制使磁場旋轉(zhuǎn)的速度，使轉(zhuǎn)子跟隨該磁場轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。下面我們借助下圖來對這類電機(jī)的具體運(yùn)行動作進(jìn)行說明。該圖是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行示例。

首先，假設(shè)控制電路在圖中1的位置處形成了一個(gè)電磁體（繞組磁場）。此時(shí)，轉(zhuǎn)子就會像被該電磁體吸引一樣開始旋轉(zhuǎn)。繞組磁場會在位置2處等待轉(zhuǎn)子跟進(jìn)，但實(shí)際上并不是確認(rèn)轉(zhuǎn)子是否已經(jīng)完全跟上，而是在預(yù)估 “轉(zhuǎn)子差不多該跟進(jìn)到位”的時(shí)間點(diǎn)，切換電磁體，將磁場旋轉(zhuǎn)到位置3。若轉(zhuǎn)子在圖中位置2階段已完成跟進(jìn)，當(dāng)狀態(tài)進(jìn)入位置3時(shí)，轉(zhuǎn)子又會被電磁體吸引而開始轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)正是通過不斷重復(fù)上述動作實(shí)現(xiàn)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的。因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于旋轉(zhuǎn)磁場的速度。

在此我們探討一下，例如若提高施加在繞組上的電壓會怎樣呢？

2、電機(jī)的轉(zhuǎn)速是如何確定的？

如前所述，轉(zhuǎn)速會隨電壓變化的電機(jī)，是旋轉(zhuǎn)磁場會根據(jù)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動而變化的電機(jī)。這里假定這種旋轉(zhuǎn)磁場的變化是自動進(jìn)行的?；谠撉疤?，我們在此僅簡單探討一下作用于轉(zhuǎn)子的力，以及該力與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

首先來解釋一下作用在轉(zhuǎn)子上的力（旋轉(zhuǎn)力，即轉(zhuǎn)矩）是如何確定的。一般來說，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（T）與繞組中通過的電流（I）成正比。下式中的K t 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

接下來，我們探討繞組中的電流是如何確定的。

至此，關(guān)于“為什么電機(jī)在提高電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速會隨之上升？”這一問題的講解就結(jié)束了。