电机工作原理及其分类：电机的作用与发展简史

电机工作原理及其分类：电机的作用与发展简史在工农业、交通运输、国防等部门和生活设施中，极为广泛地应用各种电动机来驱动生产机械、设备和器具。例如，机床驱动、电力排灌、农副产品加工、矿石采掘和输送、电车和电力机车的牵引、抽水、鼓风、起吊、轧钢、造纸、医疗设备及家用电器的运行等一般都采用电动机来拖动。2.驱动各种生产机械和装备电机的主要作用表现在三个方面∶1.电能的生产、传输和分配在发电厂中，发电机由汽轮机、燃气轮机、柴油机或水轮机带动。发电机将燃料燃烧、原子核裂变的能量或水的位能转化为机械动能传给发电机，在发电机中转换成电能，然后用变压器升高电压，通过输电线把电能送到用电地区，再经变压器降低电压，供用户使用。

电机的作用与发展简史

一、电机的作用

电机是以电磁感应现象为基础实现机械能与电能之间的转换以及变换电能的机械，包括旋转申机和变压器两大类。旋转电机是机电能量转换装置。主要用作发电机 把机械能转变成电能;或作为电动机，把电能转变成机械能。有的电机还用作调相机，用于改善电网的功率因数。此外.还有微特电机.广泛应用于自动控制系统中。变压器是各部件间无相对运动的电能变换装置，广泛应用于电能传输，电压、电流、阻抗的变换和电路隔离。

人类的生产劳动离不开各种能源。在现代工业化社会中.各种自然能源-般都不能直接拖动生产机械，还必须将其先转换为电能，然后再将电能转恋为所需要的能量形态（如机械能、热能、声能、光能等）加以利用。这是因为电能在生产、传输、分配、使用、控制及能量转换等方面极为方便。电机是与电能有关的能量转换机械，它是工业、农业。交通运输。国防工程、医疗设备以及日常生活中常用的重要设备。

电机的主要作用表现在三个方面∶

1.电能的生产、传输和分配

在发电厂中，发电机由汽轮机、燃气轮机、柴油机或水轮机带动。发电机将燃料燃烧、原子核裂变的能量或水的位能转化为机械动能传给发电机，在发电机中转换成电能，然后用变压器升高电压，通过输电线把电能送到用电地区，再经变压器降低电压，供用户使用。

2.驱动各种生产机械和装备

在工农业、交通运输、国防等部门和生活设施中，极为广泛地应用各种电动机来驱动生产机械、设备和器具。例如，机床驱动、电力排灌、农副产品加工、矿石采掘和输送、电车和电力机车的牵引、抽水、鼓风、起吊、轧钢、造纸、医疗设备及家用电器的运行等一般都采用电动机来拖动。

3.作为各种控制系统和自动化、智能化装置的重要元件

随着工农业和国防设施自动化水平的日益提高，出现了多种多样的控制电机，它们在控制系统、自动化和智能化装置（例如电子计算机和机器人）中分别作为执行、检测、放大和解算元件。这类电机一般功率较小.但品种繁多、用途各异，例如.电梯的自动选择与显示，阀门遥控.火炮和雷达的自动定位。飞行器的发射和姿态的控制.机床加工的自动控制和显示. 以及计算机外围设备、各种自动记录仪表、音像录放设备、医疗器械和现代家用电器设备等的运行控制、检测或者记录显示。

电机的发展简史

正如绪论中所介绍的，1831年 10月，法拉第创造了第一部感应发电机的模型。从此，电的研究和应用迅速发展起来，电作为一种新的强大的能源开始在人类的生产、生活中发挥日益巨大的作用。

在生产需要的直接推动下，具有实用价值的发电机和电动机相继问世，并在应用中不断得到改进和完善。初始阶段的发电机是水磁式发电机，即用永久磁铁作为场磁铁。由于永久磁铁本身磁场强度有限，因而永磁式发电机不能提供强大的电力.缺乏实用性。要增大发电机的输出功率，使其达到实用要求.就要对发电机的各个组成部分进行改造。 发申机的主要部件是场磁铁、电枢、集电环和电刷。1845年，英国物理学家惠斯通使用外加电源给线圈励磁，以电磁铁取代永久磁铁，取得了极大成功。随后又改进了电枢绕组，从而制成了第一台电磁铁发电机。1866年德国科学家西门子制成第台使用电磁铁的自激式发电机。西门子发电机的成功标志着建造大容量发电机，从而获得强大的电力，在技术上取得了突破。因此，西门子发电机在电学发展史上具有划时代的意义。

自激原理的发现是永磁式发电机向励磁式发电机发展的关键环节。自激是指直流发电机利用本身感应的电功率的一部分去激发场磁铁，从而形成电磁铁。在发电机的改进过程中，磁场的变化经历了从水磁到励磁;而电流励磁又经历了从他激到自激，自激又经历了从串激到并激，再到复激的发展过程。因此直流发电机按其励磁方法的不同又可分为他激和自激两类，而自激发电机又包括了串激、并激和复激三种形式。

1870年比利时人格拉姆（1826—1901）依靠瓦利所提出的原理，并采用了1865年意大利人帕契诺蒂（1841—1912）发明的齿状电枢结构，创造了环形无槽闭合电枢绕组，制成了环形电枢自激直流发电机。1873年，德国电气工程师赫夫纳·阿尔特涅克（1845—1904）对直流发电机的电枢又做了改进，研制成功了鼓状电枢自激直流发电机。他吸取了格拉姆和帕契诺带发电机转子的优点，简化了制造方法.因而大大提高了发电机的效率，降低了发电机的生产成本，使发电机进入到实用阶段。至此，直流发电机的基本结构已达到定型化。1880 年，美国发明家爱迪生制造出了名为"巨象"的大型直流发电机，并于1881年在巴黎博览会上展出。

与此同时，电动机的研制工作也在进行之中。美国工程师达文波特在1836年首先尝试用电动机驱动机械。1834年俄国物理学家雅可比发明了功率为15W的棒状铁心电动机。

发电机和电动机是同一种机器的两种不同的功能，用其作为电流输出装置就是发电机，用其作为动力供给装置就是电动机。电机的这一可逆原理是在 1873年偶然获得证明的。这一年在维也纳的工业展览会上，一位工人操作失误，把一根电线错接到一台正在运行的格拉姆发电机上，结果发现这台发电机的转子改变了方向，迅即向相反的方向转动，变成了一台电动机。在此以前，电动机和发电机是各自独立发展的。从此以后，人们认识到直流电机既可作发电机运行，也可作电动机运行的可逆现象，这个意外的发现，对电机的设计制造产生了深刻的影响。

随着发电、供电技术的发展，电机的设计和制造也日趋完善。1878年出现了铁心开槽法，即把绕组嵌入槽内，以加强绕组的稳固并减少导线内部的涡流损耗。那时出现的有槽铁心和鼓形绕组的结构一直沿用至今。1880年爱迪生提出了薄片叠层铁心法，马克西提出铁心径向通风道原理解决了铁心的散热问题。1882年提出了双层电枢绕组，1883年发明了叠片磁极，1884年发明了补偿绕组和换向极，1885年发明炭粉末制造电刷。1836年确立了磁路计算方法，1891年建立了直流电枢绕组的理论。到19世纪90年代，直流电机已具有了现代直流电机的一切主要结构特点。

尽管直流电机已被广泛使用，并在应用中产生了可观的经济效益，但其自身的缺点却制约了它的进一步发展。这就是直流电不能解决远距离输电，也不能解决电压高低的变换问题，于是交流电机获得了迅速发展。在此期间两相电动机和三相电动机相继问世。1885 年意大利物理学家加利莱奥·费拉里斯（1841-1897）提出了旋转磁场原理，并研制出两相异步电动机模型，1886年移居美国的尼古拉·特斯拉也独立地研制出两相异步电动机。俄国籍电气工程师多利沃—多勃罗沃利斯基在 1888年制成一台三相交流单笼型异步电动机。交流电机的研制和发展.特别是三相交流电机的研制成功为远距离输电创造了条件 同时把电工技术提高到一个新的阶段。

1880年前后，英国的费朗蒂改进了交流发电机，并提出交流高压输电的概念。1882年，英国的高登制造出了大型两相交流发电机。1882年法国人高兰德（1850—1888）和英国人约翰·吉布斯获得了"照明和动力用电分配办法"的专利，并研制成功了第一台具有实用价值的变压器，它是交流输配电系统中最关键的设备。

变压器的基本结构是铁心和绕组，以及油箱和绝缘套管等部件。它所依据的工作原理是法拉第在 1831年发现的互感现象，即由于一个电路产生电流变化，而在邻近另一电路中引起感生电动势的现象。在同一铁心上绕上—次绕组和一次签组，如在—次绕组中通入交

变申电流，由于电流的不断变化.使其产生的磁场也随之不断变化.在一次签组中就威应出由动势来。变压器依靠这一工作原理.把发电机输出的申压升高.而在用户那里又把申压隆低。有了变压器可以说就具备了高压交流输电的基本条件。1884年英国人埃德瓦德·霍普金生（1859—1922）又发明了具有封闭磁路的变压器。后来威斯汀豪斯（1846—1914）对吉布斯变压器的结构进行了改进，使之成为一台具有现代性能的变压器。1891年布洛在瑞十制造出高压油浸变压器，后来又研制出巨型高压变压器。由于变压器的不断改进，使远距离高压交流输电取得了长足的进步。

经过100多年的发展，电机本身的理论已经相当成熟。但是，随着电工科学、计算机科学与控制技术的发展，电机的发展又进入了新的发展阶段。其中.交流调速电机的发展最为令人瞩目。

早在半个多世纪以前.传统的变电压、串级、变压变频等交流调速方法的原理就都已经研究清楚了，只是由于要用电路元件和旋转变流机组来实现，而控制性能又比不上直流调速，所以长期得不到推广应用。20世纪70年代以后，有了电力电子变流装置以后，逐步解决了调速装置需要减少设备、缩小体积、降低成本、提高效率、消除噪声等问题，才使交流调速获得了飞跃的发展。发明矢量控制之后，又提高了交流调速系统的静、动态性能。但是要实现矢量控制规律，需要复杂的电子电路，其设计、制造和调试都很麻烦。采用微机控制以后，用软件实现矢量控制算法，使硬件电路规范化，从而降低了成本，提高了可靠性，而且还有可能进一步实现更加复杂的控制技术。由此可见，电力电子和微机控制技术的迅速进步是推动交流调速系统不断更新的动力。

另外，高性能永磁材料和超导材料的发展，也给电机的发展注入了新的活力。

永磁申机由于结构简单.可靠性女好，效率高.节省能量.从成本。性能、投资、维修和可靠性等几方面综合考虑，优于普通电机。但过去永磁材料的磁能积较小，一直没有得到广泛应用。近几年，随着稀土永磁材料的高速发展和电力电子技术的发展，使永磁电机有了长足进步。采用钕铁硼永磁材料的电动机、发电机已经得到广泛应用，大至舰船推进，小到人工心脏血泵等。

超导电机则已经用于发电和高速磁悬浮列车与船舶的推进等。

随着科学技术的进步、原材料性能的提高和制造工艺的改进，电机正以数以万计的品种规格，大小悬殊的功率等级（从百万分之几瓦到1000 MW 以上）。极为较广的转速范围（从数天一转到每分钟几十万转）、非常灵活的环境适应性（如平地、高原、空中、水下、油中，寒带、温带、湿热带、干热带，室内、室外，车上、船上，各种不同媒质中等），满足着国民经济各部门和人类生活的需要。

二、电机的分类与结构

电机的分类

电机是进行机电能量转换或信号转换的电磁机械装置的总称。按照不同的角度，电机有不同的分类方法∶

按照所应用的电流种类，电机可以分为直流电机和交流电机。按照在应用中的功能来分，电机可以分为下列各类。

（1）将机械功率转换为电功率——发电机。

（2）将电功率转换为机械功率——电动机。

（3）将电功率转换为另一种形式的电功率，又可分为∶

①输出和输入有不同的电压——变压器。

②输出与输入有不同的波形，如将交流变为直流——变流机。

③输出与输入有不同的频率———变频机。

④输出与输入有不同的相位——移相机。

（4）在机电系统中起调节、放大和控制作用的电机——控制电机。

按运行速度，电机又可以分为：

（1）静止设备———变压器。

（2）没有固定的同步速度——直流电机。

（3）转子速度永远与同步速度有差异——异步电机。

（4）速度等于同步速度——同步电机。

（5）速度可以在宽广范围内随意调节——交流换向器电机。

按功率大小.又可以分为大型电机、中小型电机和微型电机。

随着电力电子技术和电工材料的发展，出现了其他一些特殊电机，它们并不属于上述传统的电机类型，包括步进电动机、无刷电机、开关磁阻电机、超声波电机等，这些电机通常被称为特种电机。

发电机

发电机是将机械能转变为电能的机械，发电机将机械能转变成电能后送到电网上。提供机械能的原动机有很多种;水轮机、风力机、由燃油与煤炭或原子能反应堆产生的蒸汽将热能变为机械能的蒸汽轮机、直接燃烧气体的燃气轮机、汽油发动机、柴油机等。

人们所用的交流电绝大多数是由交流发电机发出的。这些发电机都是接到交流电网上的，它们必须以固定电角速度旋转，在任何时候都产生相同频率的交流电，这类电机称为同步发电机。

大型发电机主要是同步发电机，单机容量可达数十万千瓦。小容量发电机用于独立电源系统，如柴油发电机、风力发电机等。由于同步发电机需要励磁装置，在部分场合，如风力发电机.也可使用异步发电机进行发电。正如在绪论中介绍的.现代发电厂已经不再采用直流发电机，仅仅在一些特殊场合才用到小型直流发电机。

大型问步发电机的定子由硅钢片各制而成，铁心的槽内放置对称三相绕组。转子由铁磁材料制成.放置励磁绕组.励磷络组经过漫环接入直流励磷由源。业发电机由原动机拖动旋转时，励磁绕组切割三相绕组导体，在绕组中产生感应电动势。由于定子绕组为对称三相绕组，感应出的电动势为对称的三相电动势。大型同步发电机的转子构造有两种类型;隐极式和凸极式。隐极式转子为圆柱形，发申机的气隙为均匀气隙，这类发电机多用于高速大容量汽轮发电机。凸极式转子多用于水轮发电机，这种发电机的转速较低，电机极数较多，转子通过轴与原动机连接。图2-1所示为隐极式和凸极式同步发电机的结构。

电动机

电动机的作用是将电能转换为机械能。现代各种生产机械都广泛应用电动机来驱动。其中小功率电动机和微特电动机，常常用于电动工具与家用电器中，也可以用在自动控制系统和计算装置中作为检测、放大、执行元件等。

生产机械由电动机驱动有很多优点;简化生产机械的结构，提高生产率和产品质量，能实现自动控制和远距离操纵，减轻繁重的体力劳动。

有的生产机械只装配着一台电动机，如单轴钻床;有的需要好几台电动机，如某些机床的主轴、刀架。横梁以及汇测滑油泵和冷却油泵等都是由单独的电动机来驱动的一一辆现代化的高级轿车.常常要用到 40台以上的微利电动机。一一列电动车组要用到几十台功率为几百千瓦的牵引电动机。而大型客机、舰船要用到的驱动与控制电动机则更多。

目前，在生产上用的电动机主要是三相感应电动机，占世界电机数量的60%以上。由于它结构简单，成本低廉.坚固耐用，所以广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机，传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。图 2-2所示为三相感应电动机的结构。单相感应电动机常用于功率不大的电动工具和某些家用电器中。

在需要均匀调速的生产机械上，如龙门刨床、轧钢机及某些重型机床的主传动机构，以及在某些电力牵引和起重设备中，传统上采用直流电动机，但随着电力电子技术的进步，已经逐步让位于交流电动机。

同步电动机主要应用于功率较大，不需调速，长期工作的各种生产机械，如压缩机、水泵、通风机等。

伺服电动机是自动控制系统及其他装置中使用的一类小型电动机，按照输入信号进行起动、停止、正转和反转等过渡性动作，操作和驱动机械负荷，广泛应用于工业用机器人、航空、航天、机床、办公设备、各种测量仪器、打印机、绘图仪等设备中。

根据实际需要，电动机可以分为旋转（一维）电动机、直线（一维）电动机、平面（二维）电动机、螺旋（二维）电动机与球型（三维）电动机。

变压器

变压器是一种静止电机.其主要组成部分是铁心和绕组。为了改善散热条件，大、中容量的电力变压器的铁心和绕组浸入在盛满变压器油的封团油箱中，各绕组对外线路的连接由绝缘套管引出。为了使变压器安全可靠地运行，还设有储油柜、安全气道、气体继电器等附件。

变压器主体是铁心及套在铁心上的绕组。把接交流电源的绕组设定为一次绕组，其匝数用字母N.表示;把接负载的绕组设定为一次绕组，其匝数用字母N.表示。当一次绕组接通交流电源时，二次绕组接的电灯就会发光。这可以根据电磁感应原理来说明∶

一次绕组接通交流电压U时，在一次绕组中就有交变电流I，通过，这个电流将激发铁心产生交变的磁通。穿过电路的磁通量发生变化，电路中便有感应电动势产生，这个感应电动势将阻止电流的增加。如果二次电路通过负载闭合，便产生二次电流I。由于一、二次绕组套在同一铁心柱上，铁心中的交变磁通同时交链一、二次绕组，于是在两绕组中都产生感应电动势。显然，对于负载来说，二次绕组中的感应电动势相当于申源，在二次绕组接通的回路中，便有电流通过，使电灯发光。这就是变压器的基本工作原理。

变压器只能传递交流电能，而不能产生电能;它只能改变交流电压或电流的大小.不改变频率。

特种电机

一、永磁无刷电动机

无刷电动机诞生于20世纪60年代后期，并伴随着永磁材料技术、微电子及电力电子技术、电动机技术等迅速发展起来。无刷电动机是—种典型的机电—体化产品，主要中由动机本体、位置传感器及电子开关线路组成。转子采用永磁材料的无剧电动机，又称为永磁无刷电动机，而无刷电动机绝大多数采用永磁转子。

永磁无刷电动机可分为方波（注入电动机本体定子绕组为方波形电流）驱动的无刷直流电动机（BLDCM）和正弦波驱动的永磁同步电动机（PMSM）两种类型。与传统有刷直流电动机相比，BLDCM用电子换向取代原直流电动机的机械换向，并将原有刷直流电动机的定、转子颠倒（转子采用永久磁钢）.从而省去了机械换向器和电刷;而PMSM则是用永磁体取代原绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，定子不做改变，因而省去了励磁线圈、滑环和电刷。由于 BLDCM定子电流为方波驱动，相对于 PMSM的正弦波驱动，在相同条件下逆变器获取方波要容易得多，加之其控制也较 PMSM简单（但是其低速运行时性能较 PMSM差——主要是受脉动转矩的影响），因此，BLDC.M 更赢得了人们的广泛关注。

永磁无刷电动机因其卓越的性能和不可替代的技术优势，越来越受到人们的关注，特别是自 20世纪70年代后期以来，随着稀土水磁材料技术、电力电子技术、计算机控制技术等支撑技术的快速发展及微电机制造工艺水平的不新提高，使永磁无刷申动机技术的发展及其性能不断提高，最初在中、小伺服驱动领域与航空、航天、机器人、家用电器中获得应用，而今天已广泛地应用于电动汽车、电动车组、电动舰船等领域。今后，随着永磁无刷直流电动机技术及相关支撑技术等的不断发展以及人类社会的不断进步，永磁无刷电动机将获得更为广泛的应用。

二、直线电机

直线电机的历史，最早可追溯到1840年惠斯登开始提出和制作了略具雏形但并不成功的直线电机，至今已有170多年的历史。在这段历史过程中，直线电机经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个时期。

从1840年到1955年的116年间，直线电机从设想到实验，又到部分实验性的应用，经历了一个不断探索、屡遭失败的过程。20世纪50年代以后，以英国莱思韦特（E，Laithwaite）为代表的研究人员在直线电动机基础理论研究方面取得了重要的研究成果，在电机设计理论上取得了很多进展，对直线电机的应用起到了推动作用，也使直线电机再一次受到了各国的重视。

近年来，直线电机在工业机械、轨道交通、电梯、航空母舰飞机发射、电磁炮、导弹发射架、电磁推进潜艇等方面的应用都已经实用化。而美国等正在研究的所谓"太空电梯（Space Elevator）"，则是用直线电机将航天飞机或宇宙飞船发射到太空的计划。

在计算机磁盘驱动器内，有一种驱动磁头的电机称为音圈电机，也可以看成是直线电机的一种。

直线电机并不限于电动机，也有直线发电机，图2-7所示就是一种海浪驱动的直线发电机。

三、步进电动机

步进电动机（Stepping Motor）把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动，在自动控制装置中作为执行元件。每输入—个脉冲信号.步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。随着微电千和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增.在国民经济各领域都有应用。

步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电动机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能取决于电动机与驱动电源间的良好配合。

步进由动机分为机电式及磁电式两种基本类型。机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。螺线管线圈通电时将产生磁力.椎动其铁心心、运动.通过齿轮机构使输出轴转动一角度，通过抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置;线圈再通电.，转轴又转动一角度，依次进行步进运动。磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应式三种形式。

四、超导电机

超导电机在机电能量转换原理上与普通电机没有什么不同，只是其绕组采用超导材料，可以大大减小体积、节约能源。由于实现超导需要制冷设备，所以结构特别复杂，因此一般仅用于大型发电机或者电动机如万吨巨轮的推进）。图2-9所示是一台舰船用超导直流电动机。

五、超声波压电电动机

超声波压电电动机是 20世纪 80年代中期发展起来的一种全新概念的新型驱动装置。它没有磁场与绕组，与传统电磁式电机原理完全不同。它是利用压电材料的逆压电效应，将电能转换为弹性体的超声振动.并将摩擦传动转换成运动体的旋转或直线运动。这类电动机具有运行速度低、出力大、结构紧凑、体积小、噪声小等优点，而且不受环境磁场的影响，可以应用于生物生命科学、光学仪器、高精密机械等领域。