你知道怎么做 电动机 工作?答案可能是肯定的 和 不!虽然我们中的许多人已经学会了如何 基本的电机作品，从简单的科学书籍和诸如此类的网页，许多 我们每天使用的电机——从工厂机器到 电动火车——实际上根本不是这样工作的。什么书 教我们简单 直流 (直流)电机，具有 在永久两极之间旋转的线环 磁铁;在现实生活中， 大多数大功率电机使用交流电 (AC) 和 以完全不同的方式工作：这就是我们所说的 感应 电机 他们非常巧妙地利用了旋转的磁场。让我们仔细看看!

　　照片：拆除外壳和转子的日常交流感应电机，显示 铜 构成定子(电机的静态、非移动部分)的线圈绕组。这些线圈设计用于产生旋转磁场，在它们之间的空间中转动转子(电机的运动部分)。照片由David Parsons提供 美国能源部/自然资源部.

　　普通直流电机是如何工作的?

　　您在科学书籍中看到的简单电机是基于 一根线弯曲成一个矩形环，悬挂在 磁铁的两极。(物理学家称之为 位于磁场中的载流导体。什么时候 你把这样的电线连接到一个 电池一个 直流 (DC)流过它，在其周围产生临时磁场。此临时字段 排斥永磁体的原始磁场，导致导线 翻身。通常，电线会在该点停止，然后再次翻转回来， 但是如果我们使用巧妙的旋转连接 称为 换向器，我们可以使电流每次反转 电线翻转，这意味着电线将继续旋转 只要电流保持流动，方向相同。那就是 简单直流电动机的本质，是在 1820年代 迈克尔·法拉第(迈克尔·法拉第) 和 变成了一项实用的发明 十年后由 威廉·斯特金.(您可以在我们的介绍性文章中找到更多详细信息 电动机.)

　　艺术品：直流电动机基于在永磁体产生的固定磁场内旋转的电线环。换向器(分流环)和电刷(换向器的碳触点)每次导线翻转时都会反转电流，从而使其保持同一方向旋转。

　　在我们继续讨论交流电机之前，让我们快速了解一下 总结一下这里发生的事情。在直流电机中，磁铁(及其 磁场)固定在原位并形成外部静态部分 电机( 定子)，而一圈电线承载电 电流形成电机的旋转部分 (的 转子).磁场来自定子，定子是一个 永磁体，而你把电力馈送到线圈 组成转子。永磁之间的相互作用 定子的磁场和转子产生的临时磁场为 是什么让电机旋转。

　　交流电机如何工作?

　　与玩具和手电筒不同，大多数家庭、办公室、 工厂和其他建筑物不是由小电池供电的： 它们不是直流电供电，而是交流电 (AC)，每秒反转方向约 50 次 (频率为 50 Hz)。如果您想从家用交流电源运行电机， 您需要不同的电机设计，而不是直流电池。

　　在交流电机中，有一圈电磁铁 围绕外部布置(构成 定子), 旨在产生 旋转 磁场。 在定子内部，有一个实心金属轴，一圈电线，一个 线圈，A 鼠笼式 由金属棒和互连件制成 (就像人们有时会逗宠物老鼠的旋转笼子一样)， 或其他一些可以导电的自由旋转金属部件 电力。与直流电机不同，在直流电机中，您将电源发送到内部 转子，在交流电机中，您将功率发送到构成 这 定子.线圈成对、依次通电， 产生围绕电机外部旋转的磁场。

　　照片：定子使用紧密缠绕的铜线线圈产生磁场， 它们被称为绕组。当电动机磨损或烧坏时，一种选择是用另一台电动机替换它。有时用新电线更换电机绕组更容易——这是一项称为倒带的熟练工作，这就是这里正在发生的事情。照片由Seth Scarlett提供 美国海军.

　　这个旋转场如何使电机运动?请记住，转子，悬挂在内部 磁场，是一种电导体。磁场在不断变化(因为它在旋转)，所以， 根据电磁定律(法拉第定律，准确地说)，磁场产生(或 诱导，用法拉第自己的术语来说)转子内的电流。如果导体是环形或导线，则电流以环路形式围绕其流动。如果导体只是一块实心金属， 涡流 而是围绕它旋转。无论哪种方式，感应电流都会产生 自己的磁场，根据电磁学的另一个定律 (楞次定律) 试图阻止导致它的任何因素 — 旋转磁场——通过旋转。(你可以想到转子 疯狂地试图“赶上”旋转磁场，以消除 它们之间的运动差异。电磁感应是为什么像这样的电机旋转的关键 - 这就是为什么它被称为感应电机。

　　相片：高效交流感应电机。照片由Al Puente提供 NREL.

　　交流感应电机如何工作?

　　这里有一个小动画来总结事情，希望能把它说清楚：

　　两对电磁铁线圈(此处以红色和蓝色显示)由交流电源依次通电(未显示，但进入右侧引线)。两个红色线圈串联并通电，两个蓝色线圈 线圈的接线方式相同。由于它是交流电，每个线圈中的电流不会突然打开和关闭(如本动画所示)，而是以正弦波的形式平稳上升和下降：当红色线圈最活跃时，蓝色线圈完全不活动，反之亦然。换句话说，它们的电流不同步(90°异相)。

　　当线圈通电时，它们之间产生的磁场会在转子中感应出电流。这种电流产生自己的磁场，试图反对引起它的东西(来自外部线圈的磁场)。两个磁场之间的相互作用导致转子转动。

　　当磁场在红色和蓝色线圈之间交替时，它有效地围绕电机旋转。旋转磁场使转子以几乎相同的速度(理论上)以相同的方向旋转。

　　实践中的感应电机

　　什么控制交流电机的速度?

　　照片：变频电机。照片由Warren Gretz提供 NREL.

　　在 同步交流电机，转子以与旋转磁场完全相同的速度转动;在感应电机中，转子总是以低于磁场的速度转动，使其成为所谓的 异步交流电机.感应电机中转子的理论速度取决于交流电源的频率和构成定子的线圈数量，并且在电机上没有负载的情况下，接近旋转磁场的速度。在实践中，电机上的负载(无论它驱动什么)也起着一定的作用——往往会减慢转子的速度。负载越大，旋转磁场速度与转子实际速度之间的“滑动”越大。要控制交流电机的速度(使其运行得更快或更慢)，您必须使用所谓的 变频驱动.因此，当您调整由交流感应电机供电的工厂机器的速度时，您实际上是在控制一个电路，该电路正在转动驱动电机的电流频率。

　　交流电机的“相位”是什么?

　　我们不一定必须用四个线圈(两个相对的线圈)驱动转子，如图所示。可以使用各种其他线圈布置来制造感应电机。您拥有的线圈越多，电机的运行就越平稳。独立为线圈供电的独立电流的数量，不同步，称为 阶段 的电机，所以上面显示的设计是一个 两相 电机(两个电流为四个线圈供电，这些线圈在两对中不同步运行)。在一个 三相 电机，我们可以将三个线圈排列在定子周围呈三角形，六个均匀分布的线圈(三对)，甚至 12 个线圈(三组四个线圈)，其中一个、两个或四个线圈通过三个独立的异相电流一起打开和关闭。

　　动画：由三个电流供电的三相电机(由红色、绿色和 蓝色线圈对)，120°异相。

　　感应电机的优缺点

　　优势

　　交流感应电机的最大优点是它们非常简单。它们只有一个活动部件， 转子，这使得它们成本低、安静、持久且相对无故障。直流 相比之下，电机具有换向器和磨损的碳刷 出局，需要不时更换。刷子和刷子之间的摩擦 换向器还使直流电机相对嘈杂(有时甚至很臭)。

　　插图：电动机非常高效，通常将大约85%的输入电能转换为有用的输出机械功。即便如此，绕组内部仍有相当多的能量浪费为热量，这就是为什么电机会变得非常热的原因。大多数工业强度的交流电机都有内置的冷却系统。外壳内有一个风扇连接到转子轴(在轴的另一端，驱动电机所连接的任何机器)，此处以红色显示。风扇将空气吸入电机，通过热通风翅片将其吹到外壳外部。如果你曾经想知道为什么电动机在外面有这些脊(如你在本页顶部的照片中看到的那样)，这就是原因：它们正在冷却电机。

　　弊

　　由于感应电机的速度取决于驱动它的交流电的频率，因此它在 除非使用变频驱动器，否则速度恒定;只需调高或调低电源电压，即可轻松控制直流电机的速度。虽然相对简单，但由于其线圈绕组，感应电机可能相当重和笨重。与直流电机不同，如果不使用电池板，它们就不能由电池或任何其他直流电源(例如太阳能电池板)驱动 逆变器 (将直流电转换为交流电的设备)。那是因为他们需要一个 改变 磁场转动转子。

　　谁发明了感应电机?

　　艺术品：尼古拉·特斯拉对交流感应电机的原始设计。它的工作方式与上面的动画完全相同，右侧的两个蓝色和两个红色线圈交替供电。这件艺术品来自特斯拉存放在美国专利商标局的原始专利，您可以在下面的参考资料中自行阅读。

　　尼古拉·特斯拉 (1856-1943)是物理学家 和多产的发明家，他对科学和技术做出了许多惊人的贡献 从未得到充分承认。28岁来到美国后，他开始了 为著名的电气先驱托马斯·爱迪生工作。但两个人闹翻了 灾难性的，很快就变成了死对头。特斯拉坚信 交流电(AC)远远优于直流电(DC)， 而爱迪生则认为相反。与他的搭档乔治 西屋电气，特斯拉拥护交流电，而爱迪生 决心在DC上经营世界，并梦想着各种 宣传噱头，证明空调太危险而无法广泛使用 (发明电椅，以证明交流电可能是致命的，以及 甚至触电 大象托普西 用AC来显示它是多么致命和残酷)。这两者之间的战斗 对电力截然不同的看法有时被称为 潮流之战.

　　尽管爱迪生做出了最好(或最坏)的努力，但特斯拉还是赢得了胜利，交流电现在为电力提供了很多电力。 的世界。这在很大程度上就是为什么许多电动机 驱动我们家庭、工厂和办公室中的电器是交流电 感应电机，由旋转磁场驱动，尼古拉 特斯拉在 1880 年代设计(如图所示，他的专利于 1888 年 5 月授予)。一位名叫 伽利略·法拉利 几乎在同一时间独立地提出了同样的想法，但历史对待他比 特斯拉和他的名字现在几乎被遗忘了。