【導(dǎo)讀】交流電機(jī)（特別是異步電機(jī)）無需換向器，是其工作原理——利用交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并感應(yīng)轉(zhuǎn)子電流——的必然結(jié)果。這種簡潔高效的能量轉(zhuǎn)換方式，使其在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中占據(jù)了主導(dǎo)地位。而直流電機(jī)的核心優(yōu)勢(shì)則在于其卓越的控制性能。隨著電力電子技術(shù)（如變頻器）的發(fā)展，交流電機(jī)的調(diào)速性能已大幅提升，應(yīng)用范圍也越來越廣，但直流電機(jī)在特定的高性能控制領(lǐng)域依然不可或缺。
一、 核心原理：旋轉(zhuǎn)磁場的誕生
交流電機(jī)之所以不需要機(jī)械式的換向器，其根本原因在于交流電自身的特性能夠直接產(chǎn)生“旋轉(zhuǎn)磁場”。
在交流電機(jī)（以常見的異步電機(jī)為例）中，當(dāng)定子繞組通入三相或單相交流電時(shí)，由于電流的大小和方向隨時(shí)間呈周期性變化，這些繞組共同產(chǎn)生的合成磁場不是一個(gè)靜止的磁場，而是一個(gè)以固定速度旋轉(zhuǎn)的“旋轉(zhuǎn)磁場”。這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場可以想象成一個(gè)無形的磁鐵在持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
二、 轉(zhuǎn)子如何被“驅(qū)動(dòng)”？
這個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場會(huì)切割轉(zhuǎn)子上的閉合導(dǎo)體（如鼠籠條），根據(jù)電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)子內(nèi)部便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流（即渦流）。這個(gè)感應(yīng)電流又處于旋轉(zhuǎn)磁場中，進(jìn)而受到安培力的作用，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
關(guān)鍵點(diǎn)在于：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)是被定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場“拖著走”的（存在轉(zhuǎn)差率），它本身不需要外部通電。由于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的電流是“感應(yīng)”而來的，因此不需要像直流電機(jī)那樣通過機(jī)械部件（換向器和電刷）為旋轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)子引入電流，從而省去了換向器這一結(jié)構(gòu)。
三、 與直流電機(jī)原理的對(duì)比
為了更好地理解，我們可以與直流電機(jī)進(jìn)行對(duì)比：
直流電機(jī)：其定子磁場通常是固定的（由永磁體或勵(lì)磁繞組產(chǎn)生）。為了使轉(zhuǎn)子（電樞）能持續(xù)朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，必須在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過半周后，改變通入其線圈的電流方向。這個(gè)任務(wù)就是由換向器和電刷完成的，它們作為一個(gè)機(jī)械開關(guān)，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)反轉(zhuǎn)電流方向，以維持轉(zhuǎn)矩的單一性。
交流電機(jī)（異步）：如前所述，它利用交流電直接產(chǎn)生一個(gè)空間上就在旋轉(zhuǎn)的磁場，從源頭上解決了磁場方向連續(xù)變化的問題，轉(zhuǎn)子只需被動(dòng)跟隨即可，因此無需換向器。
補(bǔ)充說明：文章原文中提到“只需要改變電源的極性即可”改變方向，這不夠精確。對(duì)于三相異步電機(jī)，是通過交換任意兩相電源的接線來改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向，從而實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。而“采用換向器使交流電機(jī)短時(shí)反轉(zhuǎn)”也非典型應(yīng)用，現(xiàn)代交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制通常通過接觸器改變相序?qū)崿F(xiàn)，而非加裝機(jī)械換向器。
四、 交流電機(jī)與直流電機(jī)的應(yīng)用對(duì)比
兩者因原理不同，各自擁有獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域：
| 特點(diǎn) | 交流電機(jī) (以異步電機(jī)為主) | 直流電機(jī) |
|---|---|---|
| 優(yōu)點(diǎn) | 結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、成本低、維護(hù)方便、可靠性高、適用于高速大功率場合。 | 控制性能優(yōu)異、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬且平滑、響應(yīng)速度快。 |
| 缺點(diǎn) | 早期直接啟動(dòng)時(shí)調(diào)速性能較差（但隨著變頻技術(shù)的發(fā)展已得到極大改善）。 | 存在電刷和換向器，有磨損和火花、需要定期維護(hù)、成本較高、制造成本高。 |
| 典型應(yīng)用 | 工業(yè)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、機(jī)床、傳送帶、家用電器等絕大多數(shù)固定轉(zhuǎn)速或通過變頻器調(diào)速的場合。 | 對(duì)調(diào)速性能要求高的領(lǐng)域，如起重機(jī)、電力機(jī)車、軋鋼機(jī)、精密機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)等。（注：在許多傳統(tǒng)領(lǐng)域，已被變頻調(diào)速的交流電機(jī)取代） |
