电动机概念一

一个电动马达是一个电机，其将电能变成机械能。最电动机通过电动机的之间的相互作用操作磁场和电流在绕线中的形式来产生力的转矩施加在电动机的轴上。电动机可由直流(DC)电源供电，例如来自电池或整流器，或由交流(AC) 电源供电，例如电 、逆变器或发电机。一台发电机 在机械上与电动机相同，但以反向动力运行，将机械能转换为电能。

电动机可以根据电源类型、内部结构、应用和运动输出类型等考虑因素进行分类。除了 AC 与 DC 类型之外，电机可以是有刷或无刷的，可以是不同相的（参见单相、两相或三相），并且可以是风冷或液冷的。具有标准尺寸和特性的通用电机为工业用途提供方便的机械动力。最大的电动机用于船舶推进、管道压缩和抽水蓄能额定功率达到 100 兆瓦的应用。电动机用于工业风扇、鼓风机和泵、机床、家用电器、电动工具和磁盘驱动器。电动手表中可能有小型电机。在某些应用中，例如在再生制动与牵引电动机，电动机可在反向被用作发电机，以回收能量，否则可能会被作为热量损失和摩擦。

电动机产生线性或旋转力（扭矩）以推动某些外部机构，例如风扇或电梯。电动机通常设计为连续旋转，或与其尺寸相比在相当长的距离内进行线性运动。电磁螺线管也是将电能转换为机械运动的换能器，但只能在有限的距离内产生运动。

电动机比工业和运输中使用的其他原动机内燃机(ICE)效率高得多；电动机的效率通常超过 95%，而 ICE 的效率远低于 50%。它们也很轻，体积更小，机械结构更简单，制造成本更低，可以在任何速度下提供即时和一致的扭矩，可以使用可再生能源产生的电力运行，并且不会将碳排放到大气中。由于这些原因，电动机正在取代运输和工业中的内燃机，尽管它们在车辆中的使用目前受到高成本和电池重量的限制，这些电池可以提供足够的充电间隔。

内容

感应电机定子剖视图。

主条目：电动机的历史

法拉第的电磁实验，1821 [1]

在现代电磁电机之前，人们研究了通过静电力工作的实验电机。第一个电动机是简单的静电装置，在 1740 年代苏格兰僧侣安德鲁戈登和美国实验者本杰明富兰克林的实验中描述。[2] [3]它们背后的理论原理，库仑定律，由亨利·卡文迪什于 1771年发现但未发表。该定律是由查尔斯-奥古斯丁·德库仑于 1785 年独立发现的，他发表了它，因此现在为人所知用他的名字。[4] 由于难以产生所需的高电压，静电电机从未用于实际用途。

亚历山德罗·沃尔特( Alessandro Volta)于 1799 年发明的电化学电池[5]使产生持续电流成为可能。Hans Christian ?rsted于 1820 年发现电流会产生磁场，该磁场可以对磁铁施加力。André-Marie Ampère仅用了几周时间就开发出电磁相互作用的第一个公式并提出了安培力定律，该定律描述了通过电流和磁场的相互作用产生机械力。[6] Michael Faraday首次演示了旋转运动效果1821 年。将一根自由悬挂的电线浸入水银池中，水银池上放置了永磁体 (PM)。当电流通过导线时，导线围绕磁铁旋转，表明电流在导线周围产生了一个封闭的圆形磁场。[7]这种马达经常在物理实验中得到证明，用盐水代替（有毒）汞。巴洛轮是法拉第演示的早期改进，尽管这些和类似的单极电机直到本世纪后期仍然不适合实际应用。

Jedlik的“电磁自转子”，1827 年（布达佩斯应用艺术博物馆）。历史悠久的电机今天仍然可以完美运行。[8]

James Joule于 1842 年赠送给Kelvin的电动机，格拉斯哥亨特博物馆

1827 年，匈牙利 物理学家 ányos Jedlik开始试验电磁线圈。在杰德利克发明换向器解决了连续旋转的技术问题后，他将他的早期装置称为“电磁自转子”。尽管它们仅用于教学，但在 1828 年 Jedlik 展示了第一个包含实用直流电机的三个主要部件的设备：定子、转子和换向器。该设备不使用永磁体，因为固定和旋转部件的磁场完全由流经其绕组的电流产生。[9] [10][11] [12] [13] [14] [15]

主条目：直流电机

第一换向器 能够转动机械的直流电动机是英国科学家威廉·斯特金于 1832年发明的。 [16]继斯特金的工作之后，美国发明家托马斯·达文波特和他的妻子艾米丽·达文波特制造了一种换向器型直流电动机， [17]他于 1837 年申请了专利。电机的转速高达每分钟 600 转，并为机床和印刷机提供动力。[18]由于原电池电力的高成本，马达在商业上不成功并且破产了达文波特。几位发明家跟随 Sturgeon 开发直流电机，但都遇到了相同的电池成本问题。因为没有当时有配电系统，这些电机没有出现实际的商业市场。[19]

在使用相对较弱的旋转和往复装置进行许多其他或多或少的成功尝试后，普鲁士/俄罗斯人Moritz von Jacobi于 1834 年 5 月创造了第一台真正的旋转电动机。它开发了非凡的机械输出功率。他的发动机创造了世界纪录，四年后的 1838 年 9 月，雅可比改进了这项记录。[20]他的第二台发动机的动力足以驱动一艘载有 14 人的船穿过一条宽阔的河流。也是在 1839/40 年，其他开发人员设法制造出性能相似但性能更高的电机。

1855 年，Jedlik 使用与他的电磁自旋翼中使用的原理类似的原理制造了一种能够进行有用工作的装置。[9] [15]同年，他制造了一辆电动汽车模型。[21]

一个重要的转折点出现在 1864 年，当时安东尼奥·帕西诺蒂( Antonio Pacinotti)首次描述了环形电枢（尽管最初设想的是直流发电机，即发电机）。[6]这具有对称分组的线圈，它们自身闭合并连接到换向器的条形件，其电刷提供几乎无波动的电流。[22] [23]第一个商业上成功的直流电机跟随Zénobe Gramme的发展，他在 1871 年重新发明了 Pacinotti 的设计并采用了Werner Siemens 的一些解决方案。

直流电机的一个好处来自于电机可逆性的发现，这一发现由西门子于 1867 年宣布，帕西诺蒂于 1869 年观察到。[6]格莱姆在1873 年的维也纳世界博览会上偶然证明了这一点，当时他将两台相距最远 2 公里的直流设备连接起来，其中一台用作发电机，另一台用作电动机。[24]

1872 年，Siemens & Halske的Friedrich von Hefner-Alteneck引入滚筒转子以取代 Pacinotti 的环形电枢，从而提高了机器效率。[6] 次年，Siemens & Halske 引入了叠片转子，从而降低了铁损并增加了感应电压。1880 年，Jonas Wenstr?m为转子提供了用于容纳绕组的槽，进一步提高了效率。

1886 年，弗兰克·朱利安·斯普拉格( Frank Julian Sprague)发明了第一台实用的直流电机，这是一种在可变负载下保持相对恒定速度的无火花装置。大约此时的其他 Sprague 电气发明极大地改善了电 配电（托马斯·爱迪生（Thomas Edison）之前所做的工作），允许电动机的电力返回电 ，通过架空电线和电车杆向电车配电并提供电力操作的控制系统。这使 Sprague 能够使用电动机于 1887-88 年在弗吉尼亚州里士满发明第一个电动手推车系统、1892 年的电动电梯和控制系统，以及具有独立供电中控车的电动地铁。后者于 1892 年由南侧高架铁路在芝加哥首次安装，在那里它被普遍称为“ L ”。Sprague 的电机和相关发明引起了人们对工业电机的兴趣和使用。由于未能认识到转子和定子之间气隙的极端重要性，效率可接受的电动机的开发被推迟了几十年。高效设计具有相对较小的气隙。[25] [一]圣路易斯电机长期以来在课堂上用于说明电机原理，但出于同样的原因，效率极低，而且看起来与现代电机完全不同。[26]

电动机彻底改变了工业。工业过程不再受使用线轴、皮带、压缩空气或液压的动力传输的限制。相反，每台机器都可以配备自己的动力源，在使用点提供轻松控制，并提高动力传输效率。应用于农业的电动机消除了人类和动物在处理谷物或抽水等任务中的肌肉力量。电动机的家庭用途（如洗衣机、洗碗机、风扇、空调和冰箱（替代冰盒））减少了家庭中的繁重劳动，并提高了便利性、舒适性和安全性的标准。今天，电动机消耗了美国生产的电能的一半以上。[27]

主条目：交流电机

1824 年，法国物理学家弗朗索瓦·阿拉戈( Fran?ois Arago)提出了旋转磁场的存在，称为阿拉戈旋转，通过手动打开和关闭开关，沃尔特·贝利 (Walter Baily) 在 1879 年证明了实际上是第一个原始感应电机。[28] [29] [30] [31]在 1880 年代，许多发明者试图开发可工作的交流电机[32]，因为交流电机在长距离高压传输方面的优势被交流电机无法运行所抵消。

第一台交流无换向器感应电机由伽利略·法拉利于 1885年发明。法拉利于 1886 年通过生产更先进的装置改进了他的第一个设计。[33] 1888 年，都灵皇家科学院发表了法拉利的研究，详细介绍了电机操作的基础，同时得出结论，“基于该原理的设备不能作为电机具有任何商业重要性”。[31] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [过度引用]

可能的工业发展由构想尼古拉·特斯拉，谁在1887年发明了他的独立感应电动机并在5月1888年获得了专利。同年，特斯拉提出了他的论文的新系统交流电机和变压器的AIEE所描述三项专利两相四定子极电机类型：一种是四极转子构成非自启动磁阻电机，另一种是绕线转子构成自启动感应电机，第三种是真正的同步电机，分别带有转子绕组的励磁直流电源。然而，特斯拉于 1887 年提交的一项专利也描述了一种短路绕组转子感应电机。乔治威斯汀豪斯已经从法拉利那里获得了权利（1000 美元），迅速购买了特斯拉的专利（60000 美元加上每售出 2.50 美元，支付到 1897 年），[33]聘请特斯拉开发他的电机，并指派CF Scott帮助特斯拉; 然而，特斯拉在 1889年离开了其他追求。[31] [39] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [ 53] [过度引用]发现恒速交流感应电机不适合街车，[32]但西屋公司的工程师于 1891 年成功地将其改装为科罗拉多州特柳赖德的采矿作业。[54] [55] [56] 西屋电气于 1892 年实现了其第一台实用感应电机，并于 1893 年开发了一系列多相 60 赫兹感应电机，但这些早期的西屋电机是带有绕线转子的两相电机。BG Lamme后来开发了一种旋转棒式绕线转子。[46]

米哈伊尔·多利沃-多布罗沃尔斯基坚定推进三相发展，1889 年发明了三相感应电动机，包括带启动变阻器的笼型转子和绕线转子，1890 年发明了三臂变压器。在 AEG 和 Maschinenfabrik Oerlikon 之间，Doliwo-Dobrowolski 和Charles Eugene Lancelot Brown开发了更大的模型，即一个 20 马力的鼠笼和一个 100 马力的带启动变阻器的绕线转子。这是第一批适用于实际操作的三相异步电动机。[33]自 1889 年以来，Wenstr?m 开始了类似的三相机械开发。在 1891 年法兰克福国际电工展上，成功展示了第一个长距离三相系统。它的额定电压为 15 kV，距离内卡河上的劳芬瀑布超过 175 公里。劳芬电站包括一台 240 千瓦 86 伏 40 赫兹交流发电机和一台升压变压器，而在展览中，一台降压变压器为一台 100 马力的三相感应电机供电，为人工瀑布供电，代表了原厂的转移能量源。[33] 三相感应现在用于绝大多数商业应用。[57] [58] 米哈伊尔·多利沃-多布罗沃尔斯基声称特斯拉的电机因为两相脉动不实用，这促使他坚持他的三相工作。[59]

在通用电气公司于1891年开始研制的三相异步电动机[46]到1896年，通用电气公司和西屋公司签署了吧绕组转子设计了交叉授权协议，后来被称为笼型转子。[46]源自这些发明和创新的感应电机改进使得 100马力感应电机目前与 1897 年的 7.5 马力电机具有相同的安装尺寸。[46]

电动机转子（左）和定子（右）

在电气方面，电机由两个相对运动的部件组成，它们共同形成一个磁路：[60]

这些部件之一安装在定子上，即电机固定在机架上的固定部分，另一个安装在转子上，即转动的部分。励磁磁铁通常在定子上，电枢在转子上，但在某些类型的电机中，它们是相反的。

在机械上，电机由这些部分组成

主条目：转子（电动）

在电动机中，运动部件是转子，它转动轴以提供机械动力。转子通常有导体放置在其中以承载电流，定子的磁场在其上施加力以转动轴。或者，一些转子带有永磁体，定子保持导体。

转子由轴承支撑，轴承允许转子绕其轴线转动。轴承又由电机外壳支撑。电机轴通过轴承延伸到电机外部，在那里施加负载。因为负载的力施加在最外面的轴承之外，所以称负载为悬臂式。[61]

主条目：定子

定子是电机围绕转子的电磁回路的固定部分，通常由场磁体组成，场磁体是由绕铁磁铁芯或永磁体的绕线组成的电磁体。它产生一个穿过转子电枢的磁场，对绕组施加力。定子铁芯由许多彼此绝缘的薄金属片组成，称为叠片。叠片用于减少使用实心芯时会导致的能量损失。用于洗衣机和空调的树脂封装电机利用树脂（塑料）的阻尼特性来降低噪音和振动。这些电机完全用塑料封装定子。[62]

凸极转子

主条目：电磁线圈

绕组是绕成线圈的导线，通常缠绕在层压软铁磁芯上，以便在通电时形成磁极。

电机有两种基本的磁极配置：凸极配置和非凸极配置。在凸极电机中，转子和定子上的铁磁芯具有相互面对的称为极的突起，在极面下方的每个极周围都有一根导线，当电流流过导线时，它们成为磁场的北极或南极. 在非凸极或分布式磁场或圆转子电机中，铁磁芯没有突出的磁极，而是一个光滑的圆柱体，绕组围绕圆周均匀分布在槽中。绕组中的交流电在铁芯中产生连续旋转的磁极。[63]阿罩极电机 在极的一部分周围有一个绕组，可以延迟该极的磁场相位。

一些电机的导体由较厚的金属组成，例如金属条或金属片，通常是铜，或者铝。这些通常由电磁感应供电。

主条目：换向器（电动）

真空吸尘器通用电机中的换向器。零件：(A)换向器，(B)电刷

甲换向器是旋转式电气开关，在某些电机供给电流在转子上。它由一个圆柱体组成，该圆柱体由机器旋转电枢上的多个金属接触段组成。两个或多个称为“电刷”的电触点由软导电材料（如碳）压在换向器上，在换向器旋转时与换向器的连续部分滑动接触，为转子提供电流。转子上的绕组连接到换向器片。换向器周期性地反转电流每半圈 (180°) 转子绕组中的方向，因此定子磁场施加在转子上的扭矩始终处于相同方向。[64] [65] 如果没有这种电流反转，每个转子绕组上的扭矩方向将随着每半圈反转，因此转子将停止。换向器效率低下，换向电机大多被无刷直流电机、永磁电机和感应电机取代。

如上所述，直流电机通常通过开口环换向器供电。交流电机的换向可以采用滑环换向器或外部换向器来实现，可以是定速或变速控制型，也可以是同步型或异步型。通用电机可以在交流或直流上运行。

直流电机可以通过调整施加到端子的直流电压或使用脉宽调制(PWM)以可变速度运行。

以固定速度运行的交流电机通常直接从电 或通过电机软启动器供电。

以可变速度运行的交流电机由各种功率逆变器、变频驱动器或电子换向器技术供电。

术语电子换向器通常与自换向无刷直流电机和开关磁阻电机应用相关联。

电动机根据三个不同的物理原理运行：磁性、静电和压电。

在磁电机中，磁场在转子和定子中形成。这两个场之间的乘积会产生一个力，从而在电机轴上产生一个扭矩。这些场中的一个或两个必须随着转子的旋转而改变。这是通过在正确的时间打开和关闭电线杆，或改变电线杆的强度来完成的。

主要类型是直流电机和交流电机，[66]后者取代了前者。[需要引用]

交流电动机是异步的或同步的。[67]

一旦启动，同步电机需要在所有正常扭矩条件下与移动磁场的速度同步。

在同步电机中，磁场必须通过感应以外的方式提供，例如来自他励绕组或永磁体。

甲分马力电机或者具有低于约1马力（0.746千瓦）的评级，或用标准帧尺寸比标准1个HP马达较小制造。许多家用和工业电机都属于小马力级别。

笔记：

缩写：

主条目：直流电机

根据定义，所有自换向直流电机都使用直流电源运行。大多数直流电机是小型永磁 (PM) 类型。它们包含有刷的内部机械换向，以与旋转同步反转电机绕组的电流。[77]

主条目：有刷直流电动机

带有两极转子和永磁定子的有刷电动机的工作原理。（“N”和“S”表示磁铁内表面的极性；外表面具有相反的极性。）

换向直流电机具有一组绕在安装在旋转轴上的电枢上的旋转绕组。轴还带有换向器，这是一种持久的旋转电气开关，可在轴旋转时周期性地反转转子绕组中的电流。因此，每个有刷直流电机都有交流电流过其旋转绕组。电流流过装在换向器上的一对或多对电刷；电刷将外部电源连接到旋转电枢。

旋转电枢由一个或多个绕在层压的、磁性“软”铁磁芯上的线圈组成。来自电刷的电流流过换向器和电枢的一个绕组，使其成为临时磁铁（电磁铁）。电枢产生的磁场与永磁体或另一个绕组（励磁线圈）产生的固定磁场相互作用，作为电机框架的一部分。两个磁场之间的力倾向于使电机轴旋转。当转子转动时，换向器将电源切换到线圈，防止转子的磁极与定子磁场的磁极完全对齐，这样转子就不会停止（就像罗盘指针那样），而是继续旋转只要通电。

经典换向器直流电机的许多局限性是由于需要将电刷压在换向器上。这会产生摩擦。当电刷穿过换向器部分之间的绝缘间隙时，电刷通过转子线圈接通和断开电路会产生火花。根据换向器设计，这可能包括电刷在穿过间隙时将相邻部分（从而线圈末端）短时间短接在一起。此外，转子线圈的电感会导致每个转子线圈的电压在其电路打开时升高，从而增加电刷的火花。这种火花会限制机器的最大速度，因为过快的火花会使换向器过热、腐蚀甚至熔化。电刷单位面积的电流密度，结合它们的电阻率，限制了电机的输出。电触点的接通和断开也会产生电噪声；火花产生RFI。电刷最终会磨损并需要更换，而换向器本身也会受到磨损和维护（大型电机）或更换（小型电机）。大型电机上的换向器组件是一个昂贵的元件，需要对许多零件进行精密组装。在小型电机上，换向器通常永久集成到转子中，因此更换它通常需要更换整个转子。

虽然大多数换向器是圆柱形的，但有些是由安装在绝缘体上的几个段（通常至少三个）组成的扁平圆盘。

较大的电刷接触面积需要大电刷以最大化电机输出，但小电刷需要小质量以最大化电机运行的速度，而电刷不会过度弹跳和产生火花。（小电刷也可用于降低成本。）更硬的电刷弹簧也可用于使给定质量的电刷以更高的速度工作，但代价是更大的摩擦损失（更低的效率）以及加速电刷和换向器的磨损。因此，直流电机电刷设计需要在输出功率、速度和效率/磨损之间进行权衡。

DC 机器定义如下：[78]

A：分流器 B：系列 C：复合 f = 励磁线圈

有刷直流电机有五种类型：

主条目：永磁电动机

PM（永磁）电机在定子框架上没有励磁绕组，而是依靠 PM 提供磁场，转子磁场与该磁场相互作用以产生扭矩。与电枢串联的补偿绕组可用于大型电机，以改善负载下的换向。由于该字段是固定的，因此无法为速度控制进行调整。PM场（定子）在微型电机中很方便，可以消除励磁绕组的功耗。大多数较大