电机 electric machine

实现机械能与电能之间的转换以及变换电能的机械。包括旋转电机和变压器两大类。为简便计，下文主要介绍旋转电机方面内容。

1.基本原理

旋转电机实现机械能与电能之间的转换，基本工作原理依据的是物理学中的电动机定则（左手定则）和发电机定则（右手定则）。电机工作时此两定则均同时起作用。

如在某个导体中输入电流i，则在磁场的作用下产生电动机作用，出现机械力F，使导体运动。导体与磁场有了相对运动以后，就会切割磁场，根据发电机定则在导体中产生电动势e。这个电动势，的方向和输入电流i的方向相反（图a），所以通常称此电动势为反电动势。

为了克服这个反电动势，使电流i能够流入导体，外界的电源须输入电功率P，P=ei，即Blvi，l为处于磁场内的导线长度，与此同时，由于导体的运动，它能输出机械功率P，P=Fv=Bilv。其值正好等于从电源输入的电功率。反之，若输入一个枧械力F，加在导体上使它以速度，运动（图b），导体切割磁场，产生感应电动势e。如导体经外电路接通，通过负载产生电流i，则导体中发出的电功率为P=ei=Blvi。而推动导体运动需输入的机械功率为P=Fv=Bilv。其值也正好等于输出的电功率。这就是在电动机和发电机中实现机电能量变换的实质。

2.典型结构

电机中有作相对运动的两个部件，在空间静止不动的部件叫定子；运动的部件通常作旋转运动，称为转子。定、转子之间有一定的间隙，称为气隙。气隙的大小对电机的性能有很大的影响。

电机中有由导电线绕成的许多线圈，它们按一定的规律连接成不同的绕组。绕组有两类：一类通直流电流在电机中产生磁场，称为励磁绕组；另一类通交流电，实现机电能量变换，称为电枢绕组。

电枢绕组中电流产生的磁场，称为电枢反应磁场，它相对该绕组作旋转运动。直流电机有一个励磁绕组在定子上，转子上有一个电枢绕组。同步电机有一个励磁绕组和个电枢绕组。异步电机定、转子上都各有一个电枢绕组．其励磁作用由电相磁场担任。

为了在电机中获得较强的磁场，电机中磁路的各部分均由导磁性能好的铁磁材料组成。磁路中磁通不随时间变化的部分采用钢板叠成或用铸钢件，磁通呈交变的部分必须用薄的硅钢片叠成，片间涂绝缘漆，以减少其中的涡流损耗。

2.1.损耗与发热

电机中的能量损耗有：①导电线圈及通路电阻中流过电流所产生的能量损耗，一般称为铜耗；②导磁磁路中由于磁通变化所产生的涡流损耗和磁滞损耗，称为铁耗；③转动部分及空气产生的摩擦损耗，称为机械损耗。

电机运行时，铁耗及机械损耗基本保持不变，铜耗随负载增加而增大。电机中的各种损耗均变成热量，使电机发热、温度升高，与环境温度产生温差（称为电机的温升），向环境散热。当电机中的损耗与所散的热量相等时，电机的温升就达到稳定。

2.2.绝缘等级

电机线圈所用绝缘材料按其耐热性分为Y（90℃）、E（120℃）、B（130℃）、F（155℃）、H（180℃）几级。耐热程度越高，同等容量电机的体积越小。现代电机绝缘多用B、F级。

2.3.冷却

为了避免电机温升过高，常需加强电机中的冷却措。通常在电机转子上带有风扇，低速电机有时需另装风扇鼓风。大型汽轮发电机也用在电机内腔中充氢（氢冷）。更大型发电机也有将线圈导线作成空心管状，管内通氢（氢内冷）、水（水冷）或其他低蒸发温度介质（蒸发冷却）的。

2.4.电机的定额

电机的额定值（铭牌数据），规定了电机正常运行的条件。包括电机的额定电压、电流、劝率、频率、转速、工作制、绝缘等级（允许温升）等。电机的额定功率或容量决定了电机尺寸的大小和材料的消耗量，对电动机指轴上输出的机械功率，对发电机指其发出的电功率。超过额定容量运行将导致电机温升过高烧毁或产生机械损坏。

3.电机的负载特性

电机的特性很多，对用户来说最重要的是它的负载特性。发电机的负载特性指转速及励磁不变情况下，其端电压随负载而变化的特性，通常称为发电机的外特性；对电动机则指励磁电流及电源电压不变的情况下，其转速随负载而变的特性，通常称为电动机的机械特性。

视负载变化的快慢，这两种特性又分静态特和动态特性两种，用户对这些特性常有一定的要求，如要求不能满足，需对电机的设计进行改变或在运行时采取一定的调节措施。

4.电机试验

电机产品试验分型式试验和检查试验两种：型式试验旨在对电机的名种性能进行全面的检查和考核，以确定其能否满足有关标准、技术条件和设计的要求。试验的项目众多，进行型式试验需要比较长的时间，消耗较多的能量，通常只在新产品完成，或对电机设计和工艺有较大改动后进行，以验证电机的设计和工艺恰当，成功后投入批量生产。检查试验又称出厂试验，试验项目不多，只是型式试验项目中的较易作的一小部分，旨在以此判断电机在出厂前基本合格。

各种电机型式试验和检查试验的试验项目在国家（或公司、行业）标准或有关产品的技术条件中有明确的规定。

5.发展趋势

虽然电机工业已有150多年的历史，技术比较成熟，但随着科学的发展，新材料、新工艺、新结构不断涌现，电机仍在不断改进。特别是电机与电力电子技术和微型计算机相结合，形成了许多机电一体化的新产品，对改善电机的运行特性，减少能量损耗，节约运行费用具有显著的效果，将成为今后电机发展的重要方向。

在大型电机方面，无论从发展电力工业的需要，或从提高发电机效率、降低运行费用着眼，都要求增大发电机的单机容量。但由于材料强度的限制，大容量电机的电磁负荷愈来愈高，单位体积内的损耗也愈来愈大，散热问题更为突出。为此必须加强冷却。因此，开展新的冷却方式的研究仍然是大型电机发展的一个重要方面。从1986年以来，由于在超导材料研究方面取得了重大突破，展现了大型电机的新发展前景。

中小型电机是量大面广的产品。在中小型电机生产中采用新材料，新工艺，提高标准化、系列化和通用化的程度，降低成本、提高生产效率具有重要经济意义，这是中小型电机生产的重要发展方向。随着电子技术和计算机的进步，电子装置和电机有机结合形成机电一体化的产品，以改善电机运行性能和节约能源，这是中小型电机的又一重要研究课题。尤其是利用微型计算机形成智能化的电机，使它具有根据负载情况的变化自动寻优的功能，更是今后中小型电机的发展趋势。

微处理机、电力电子器件和稀土永磁材料三大新成就更促进了微型电机的迅速发展。随着微电子技术的进步，许多与微特电机配套的专用集成电路已开始系列生产，各种高准确度的数字式控制系统纷纷出现，它对工业自动化、办公室自动化和家庭电气化、自动化的发展起了积极推动作用。微型电机的需要量与日俱增，尤其是随着机器人的出现，为适应机器人仿人功能的要求，各种动作更为灵活的，超小型、小惯量、快动作的微型电机得到了迅速的发展。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第5册，中国大百科全书出版社，2009年