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
参考资料
- 电机 [引用日期2026-10-29]
- [科普中国]-电的能量转换 [引用日期2026-10-29]
- 电机概念及分类介绍(可下载) [引用日期2026-10-29]
- google.com 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- jyeoo.com 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- 电机分类-西莫电机圈 [引用日期2026-10-29]
- [科普中国]-直流发电机 - 版权归原作者所有,如有侵权,请联系我们 [引用日期2026-10-29]
- 马达发展史 [引用日期2026-10-29]
- History of the Motor [引用日期2026-10-29]
- Electrical Motors/Generator Technology [引用日期2026-10-29]
- 控制电机及其应用 [引用日期2026-10-29]
- Chapter 1 Introduction [引用日期2026-10-29]
- unsw.edu.au 上的文件 [引用日期2026-10-29]
- US20050073281A1(PDF) [引用日期2026-10-29]
- Motor - Eureka | Patsnap [引用日期2026-10-29]
- content [引用日期2026-10-29]