R課堂 | 為什么提高電機的電壓時，轉速會隨之上升？

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

問題的內容

本次的問題源于類似下面的經歷。

這是在使用市售的小型電機時產生的疑問。當時使用的是那種只需連接電池就能轉動的電機，即所謂的有刷電機。為探尋如何能提高轉速，經過一番調查后得知，有一種方法是將電池進行串聯。于是采用兩節電池串聯的方式，電機的旋轉速度（轉速）相較于單節電池時加快了。

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

當把兩節電池串聯連接時，有刷電機的轉速的確會上升。像這樣將電池串聯起來提升功率的情況，想必有人在使用小燈泡時體驗過吧。當使用兩節電池時，小燈泡會比使用單節電池時更亮。所以，對于電機轉速上升這件事可能并不會覺得有什么奇怪的。

然而，并非所有電機都遵循這一規律，事實上，有的電機即便提高電壓，轉速也不會改變。比如說步進電機和感應電機就是轉速不會隨著電壓的升高而上升的電機。另外，轉速會上升的電機是有刷電機和無刷電機。那么，這些電機之間的區別是什么呢？下面我們首先從這一點切入，開始講解。

1、轉速不變的電機與轉速可變的電機

之間的區別

當改變電壓時，轉速不變的電機與轉速可變的電機在旋轉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）。

轉速不變的電機，是通過控制使磁場旋轉的速度，使轉子跟隨該磁場轉動，從而驅動電機運行。下面我們借助下圖來對這類電機的具體運行動作進行說明。該圖是步進電機的運行示例。

首先，假設控制電路在圖中1的位置處形成了一個電磁體（繞組磁場）。此時，轉子就會像被該電磁體吸引一樣開始旋轉。繞組磁場會在位置2處等待轉子跟進，但實際上并不是確認轉子是否已經完全跟上，而是在預估 “轉子差不多該跟進到位”的時間點，切換電磁體，將磁場旋轉到位置3。若轉子在圖中位置2階段已完成跟進，當狀態進入位置3時，轉子又會被電磁體吸引而開始轉動。步進電機正是通過不斷重復上述動作實現持續運轉的。因此，電機的轉速取決于旋轉磁場的速度。

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、電機的轉速是如何確定的？

如前所述，轉速會隨電壓變化的電機，是旋轉磁場會根據轉子的運動而變化的電機。這里假定這種旋轉磁場的變化是自動進行的。基于該前提，我們在此僅簡單探討一下作用于轉子的力，以及該力與轉子轉速之間的關系。

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

接下來，我們探討繞組中的電流是如何確定的。

至此，關于“為什么電機在提高電壓時，轉速會隨之上升？”這一問題的講解就結束了。