电机

定义

电机又称电力机械，指依靠电磁感应工作、并带有能作相对运动的部件的换能机械，其功能是在电能与机械能之间实现转换^[1]。把电能换成机械能的称为电动机，把机械能换成电能的称为发电机，二者在结构与原理上高度相似，同一台机器往往可以兼作两种运行方式^[4]。

按运动方式，电机可分为旋转电机与直线电机两大类，另有不靠运动部件换能的静止电机即变压器，它把一种电压等级的电能变为另一种电压等级的电能^[3]。研究这类装置的学科称为电机学^[1]。

原理

电机实现换能的前提是存在一个耦合磁场。建立磁场的电流称为励磁电流，它所产生的磁通受安培环路定律约束；把磁阻与磁通联系起来，可得作用于磁路上的磁动势等于磁阻与磁通之积^[1]。为用较小的励磁电流获得较大的磁通，电机与变压器的铁芯多用磁导率较高的硅钢片叠成^[1]。

在电动机中，通电导体处于磁场内会受到安培力，该力推动转子旋转，通过做功把电能转为机械能；导体所受力的方向由电流方向与磁场方向共同决定^[2]。通常把产生旋转运动的称为旋转电动机，产生直线运动的称为直线电动机^[5]。

电磁转矩与磁通、电流相关，机械功率可写成转矩与转速之积：$P=T\omega$，其中 $T$ 为转矩、$\omega$ 为转子角速度。输入电功率与输出机械功率之差即为损耗，包括绕组铜耗、铁芯的磁滞与涡流损耗以及轴承摩擦、通风等机械损耗。

按电流形式，电机分为直流电机与交流电机；交流电机又依转子转速是否与旋转磁场同步，分为同步电机与异步（感应）电机^[1]。按主磁场方向是否沿转轴，还可分为径向磁场电机与轴向磁场电机，目前多数产品属前者^[1]。此外，步进电机、开关磁阻电机等工作时所依据的是磁阻差异形成的最小磁通路径，而非单纯的电磁感应^[6]。

发展历程

1821 年前后出现最早的直流电动机雏形；1831 年法拉第发现电磁感应，并据此做成圆盘式单极直流发电机的实验模型，同年亨利试制出使用电磁铁的电动机模型^[7]。1834 年雅可比把水平电磁铁改为转动电枢并加装换向器，制成第一台具有实用价值的电动机。

1838 年楞次提出同一台电机既可作发电机、又可作电动机的可逆原理；1866 年西门子提出利用剩磁自励的方案并制成自励直流发电机，使大容量发电成为可能^[7]。此后格拉姆、阿尔特涅克等改进转子结构，1873 年维也纳世博会上用直流发电机带动直流电动机运转，解决了电动机长期依赖电池供电的问题^[7]。

交流方面，1882 年特斯拉提出二相交流电机的原理，1888 年他又制成交流感应电动机，并与交流输电系统配合^[8]。1889 年多布罗沃尔斯基做出三相鼠笼式感应电机，三相交流因而成为工业驱动的主要供电方式^[9]。20 世纪 50 年代以后，晶闸管等电力电子器件取代旋转变流机组，电机的调速与控制转向静止变流装置。

应用

电动机是最常见的动力源，用于机床、风机、水泵、压缩机、起重运输设备与印刷、纺织机械等工业场合^[10]。直流电动机调速性能好、起动转矩大，长期用于轧机、电牵引与伺服场合，但因电刷与换向器需维护，其最高转速受到限制，市场比重已逐步让给交流调速电机^[10]。

在控制系统中，步进电动机把脉冲信号转换为固定的角位移，用于数控机床、打印机、绘图仪与工业机器人；伺服电动机把输入的电压信号变为轴上的机械输出量，用于拖动被控对象^[3]。直线电动机直接产生直线运动，省去中间传动机构，用于需要长行程直线传动的设备^[11]。

车辆电驱动用电机的基本原理与工业电机一致，但对功率密度、效率区间与转速范围要求更高，常见驱动电机的最高转速已超过 20000 转每分，永磁同步电机因综合性能较优而使用最广^[12]。发电侧则依靠发电机把汽轮机、水轮机、风力机输出的机械能转为电能，构成电力系统的电源端^[10]。

局限

电机的效率并非固定值，而是随转速与转矩变化。多数电机只在某一较小的工作区间效率最高，负载偏离该区间后效率明显下降，因而在负荷频繁波动的场合，实际能耗高于额定工况下的水平^[4]。绕组铜耗与电流的平方成正比，铁耗则随磁通密度与频率上升，二者共同构成散热压力。

有刷直流电机的换向器与电刷在运行中会磨损，需要定期维护，并限制了最高转速，也不适合在易爆、低气压或水下等环境中使用^[10][13]。永磁材料存在温度敏感性问题，超过一定温度会不可逆地失磁，限制了永磁电机在持续高功率工况下的使用^[14]。

高转速与高转矩往往难以兼顾：提高转矩需增大电流或磁通，会带来更多发热和更大的体积；弱磁扩速又会使功率因数下降，铜耗上升^[15]。异步电机的转速随负载变化存在转差，难以在开环条件下维持严格恒速；而其结构简单、成本低的特点又与高性能指标形成取舍^[12]。此外，变频器供电带来的高次谐波会增加铁耗与振动噪声，需在电磁设计与滤波上另作处理^[16]。

参见

• 电动机 —— 把电能转换为机械能的电机，是电机中最常见的一类。

• 发电机 —— 把机械能转换为电能的电机，构成电力系统的电源端。

• 变压器 —— 无运动部件的静止电机，用于改变电压等级。

• 电机学 —— 研究电机运行原理、结构与特性的学科。

• 直线电动机 —— 直接产生直线运动的电机，可省去旋转到直线的转换机构。

• 伺服电动机 —— 用于控制系统、按输入信号拖动负载的电机。