電機的種類

電機簡單劃分為：交流電機與直流電機，直流電機作為發電機使用時稱之為直流發電機。微型直流電機可以通過改變直流電壓來改變轉速，應用場景非常多，這種控制轉速方法極為簡單，所以使用率是非常高的。

上圖中，電流沿箭頭方向流動，線圈上為S極，下為N極，根據異性相吸、同性相斥的原理，電樞逆時針轉動，當電樞旋轉90°時，磁極就會變換，即S極變成N極，N極變成S極，使電樞繼續朝逆時針轉動。

三相異步電機的工作原理

如上圖所示，以時間相位互差120°的三相交流電，向空間相位互差120°的三相線圈通，0°時產生磁通量的方向如箭頭所示，U相最大（設為1.0），V相和W相各為-0.5。60°時，W相為-1.0，U相和V相各為+0.5。

三相電流隨著時間從0°漸漸變化為60°時，磁通量變化如圖（d），順時針方向旋轉了60°。如此反復，磁通量順時針旋轉，便產生了旋轉磁場。

另外，U相線圈、V相線圈、W相線圈按照順時針方向排列，圖（a）所示的U、V、W相應通電可產生順時針轉動的旋轉磁場。如果按照逆時針方向排列，則可產生逆時針轉動的旋轉磁場。

也就是說，如果更改三相異步電動機三相線圈中兩相的順序，旋轉磁場的轉動方向也會隨著改變。

同步電機與直流電機輸出轉矩的原理相似

同步電機與異步電機均隨著旋轉磁場而轉動。同步電機的轉子受到旋轉磁場N極和S極的吸引而轉動，其轉速與旋轉磁場相同。也就是說，同步電機轉矩輸出的原理與直流電機類似。

異步電機輸出轉矩的原理

鼠籠式線圈切割旋轉磁場，鼠籠式線圈中通過電流，異步電機輸出轉矩。這種轉矩輸出的前提條件是通電鼠籠式線圈切割磁感線，而轉子與旋轉磁場同步轉動時不存在磁感線切割，因此無法輸出轉矩。

直流電機的基本結構

磁體固定+線圈旋轉+電刷：直流電機的輸出轉矩是由磁場（永磁體）磁通量與電樞電流間的電磁力作用產生。磁體位于定子上，線圈（電樞）則排布在轉子上。電刷可使電流通過線圈，換向器則可保證轉矩持續輸出。

直流電機的類別

直流電機采用直流電源，通過勵磁線圈（直流線圈）而非永磁體產生磁場。此種類型的電機大致分為三類：

1）他勵電機：電樞線圈與勵磁線圈分開供電；

2）并勵電機：電樞線圈與勵磁線圈并聯，由同一電源供電；

3）串勵電機：電樞線圈與勵磁線圈串聯，二者電流相同。

直流電機特性的基本公式

電機端子電壓V：

V=E+RaIa

式中，E為反電動勢；Ia為電樞電流；Ra為電樞線圈電抗與電刷接觸電阻之和。另外，反電動勢E和轉矩τ的計算方法如下

E=K1nΦ

τ=K2ΦIa

式中，K1和K2為比例常數；n為轉速；Φ為每極的磁通量（Wb）。由式（1）和式（2）可得出轉速

n：n=（V?RaIa）/K1Φ

電機的機械功率

P（W）：P=ωτ

式中，角速度ω=2πn(rad/s)

轉矩和轉速的關系

包含永磁式他勵直流電機，縱軸表示電機轉矩，橫軸表示轉速，控制電樞電流保持恒定，便如下圖

這里提到的基底轉速指的是，額定轉矩下轉速升高，電壓一定，功率達到最大值的速度。達到基底轉速前，可得到最大轉矩。另外，電機的轉速大于基底轉速時，轉矩隨著轉速上升而下降。

基底轉速與轉矩的關系

大于基底轉速時，端子電壓遠遠低于額定電壓，接著在較弱磁場作用下，轉速升高。永磁電機不容易形成弱磁場，僅有恒轉矩驅動這一特性。磁通量一定時，轉矩與電樞電流成比例關系。控制電樞電流便可控制轉矩。磁通量減半，轉矩也減半。，端子電壓與電樞電流恒定時，轉速變為2倍，電機功率是恒定的。

并勵直流電機的基本特性

與他勵電機相同并勵電機與他勵電機基本相同。設計控制電路時應避免勵磁線圈和電樞線圈控制系統的相互干涉。

串勵直流電機的基本特性

電樞電流=線圈電流

如下圖所示，串勵電機中勵磁線圈與電樞線圈的電流相同，所以不能像他勵或并勵電機那樣，獨立控制各部分的線圈電流。圖中表示的是串勵電機轉速與轉矩的關系。串勵電機只可控制一個電壓，不同電壓下的特征表現如圖所示。

如何選擇電機？

選擇直流有刷電機：電機和控制裝置有分別購買和成套的情況，如果是分別獲取的，推薦直流有刷電機。如果選用交流PM電機（永磁電機），或者異步電機，則需要另行制作或者購買逆變器。另外，控制方面還通常需要向量控制理論和電機常數方面的知識，要么有電子工程學的專業人員，要么有專業組織的援助，否則會格外困難。永磁直流電機沒有勵磁回路，只要單獨控制電樞電流就能控制轉矩，使用斷路器或電阻控制電壓，就能簡單實現轉矩控制。直流電機控制相對比較簡單且入門難度低。

需要注意的電機規格：電機規格存在額定值和最大值，因此檢查過電流承受能力和最大轉速及最大電壓尤為重要。在比賽中電流和電壓在額定值以內的情況較少，并可能相當頻繁地超過額定值使用，因此事前研究即使超過何種程度，電機和控制裝置也不會損壞是非常重要的。直流電機的換向器不會發生閃絡，只要機器不損壞，就能按照相當的速度和功率行駛。

使用勵磁繞組電機的注意事項

勵磁繞組電機盡管能夠控制勵磁繞組電流，但通常勵磁電流的控制方式與永磁電機控制方式相同。不過，由于勵磁繞組電流能夠控制，增大勵磁電流時，電機的反電動勢會變大，能量會返回到電池里，因此可再生。另外，永磁直流電機的反電動勢無法變大，所以實現再生需要使用再生斷路器等。

使用串勵電機時的注意事項

串勵電機的控制系統跟永磁直流電機相同，由于其特性是啟動轉矩非常大，所以電機的加速性能優越。但是空轉時非常危險，所以在進行電機單體測試需要注意。并且，它也像永磁直流電機一樣，需要設計電路才能實現再生。