电动机

电动机（electric motor，electromotor）又称电马达，简称电机、马达，是使用电磁力的发动机，泛指任何可以将电能通过电磁学原理转化成机械能并做功产生动能来驱动其他装置的电气设备。大部分电动机都是旋转电机，通过磁场和绕组电流之间的互动产生转矩；但可以产生直线动量的直线电动机正在被研发作为电磁弹射器和磁轨炮等现代军用装备。

电动机与依赖燃料的热机发动机（比如蒸汽机、内燃机和喷气发动机等）和依赖流体力学的其它发动机（如液压发动机和气压发动机）的原理差别在于能量转换的方式不同：大部分传统车辆发动机都是往复式发动机，通过燃烧燃料释放热能为气缸加压驱动活塞产生往复运动，然后再通过曲轴将直线运动转换为旋转；航空发动机和航海发动机多为涡轮发动机，也依靠燃气热能在燃烧室内产生高压，然后定向释放压力驱动涡轮旋转；液压和气压发动机则是使用物理手段将流体加压，然后释放压力驱动机械；而电动机则是依赖洛伦兹力原理直接产生旋转动能。

与电动机原理相同、但能量转化方向相反的是发电机，将外部（如水力、风力、或由火力或核动力推动涡轮机构）施加的机械能通过驱动磁场和绕组之间的相对旋转转为电能来满足下游的负载；若没有负载，发电机不会有电流流出。电动机和电力电子、微控器配合已形成一门新专业，称为机电工程学。

## 研发历史

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1740年，第一个电动马达是由苏格兰僧侣安德鲁·戈登（Andrew Gordon）创建的简单的静电设备。1827年，匈牙利物理学家耶德利克·阿纽什（Ányos Jedlik）开始尝试用电磁线圈进行实验。杰德利克解决一些技术问题后，称他的设备为“电磁自转机”（electromagnetic self-rotors）。虽然只用于教学目的，但第一款杰德利克的设备已包含今日直流马达的三个主要组成部分：定子，转子和换向器。

1836年，美国一位铁匠汤马斯·达文波特（Thomas Davenport）制作出世界上第一台能驱动小电车的应用马达，并在1837年申请了专利。由于主要动力电池成本极高，在商业上不成功，达文波特破产。一些发明家继续发展应用马达，但都遇到了同样电池发电成本的问题。

1845年，英国物理学家查尔斯·惠斯通（Wheatstone）申请线性马达的专利，但原理于1960年代才被重视，而设计了实用性的线性马达每次目前已被广泛在工业上应用。

1870年代初期，世界上最早可商品化的马达由比利时电机工程齐纳布·格拉姆（Zénobe Théophile Gramme）发明。

1888年，美国著名发明家尼古拉·特斯拉应用法拉第的电磁感应原理，发明交流马达，即为感应马达。

1902年，瑞典工程师丹尼尔森利用特斯拉感应马达的旋转磁场观念，发明了同步马达。1923年，苏格兰人James Weir French发明三相可变磁阻型（Variable reluctance）步进马达。

1962年，借助霍尔元件，实用的直流电无刷马达问世。1980年代，实用的超音波马达问世。

## 原理

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马达的旋转原理的依据为佛来明右手定则或是右手开掌定则，当一导线置放于磁场内，若导线通上电流，则导线会切割磁场线使导线产生移动。电流进入线圈产生磁场，利用电流的磁效应，使电磁铁在固定的磁铁内连续转动的装置，可以将电能转换成动能。与永久磁铁或由另一组线圈所产生的磁场互相作用产生动力。

电动机的种类很多，以基本结构来说，其组成主要由定子和转子所构成。定子在空间中静止不动，转子则可绕轴转动，由轴承支撑。定子与转子之间会有一定空气间隙（气隙），以确保转子能自由转动。机壳（场轭）需要用高导磁系数材料制成，要当作磁路用。

直流马达的原理是定子不动，转子依相互作用所产生作用力的方向运动。交流马达则是定子绕组线圈通上交流电，产生旋转磁场，旋转磁场吸引转子一起作旋转运动。

## 种类

### 依磁通方向分类

- 轴向磁通电动机
- 径向磁通马达

### 依使用电源分类

- 直流马达：使用永久磁铁或电磁铁、电刷、整流子等元件，电刷和整流子将外部所供应的直流电源，持续地供应给转子的线圈，并适时地改变电流的方向，使转子能依同一方向持续旋转。直流电的操作 电动机基于以下原理：当将载流导体置于磁场中时，导体会受到机械力。
- 交流马达：将交流电通过马达的定子线圈，设计让周围磁场在不同时间、不同的位置推动转子，使其持续运转
- 脉冲马达：电源经过数位IC芯片处理，变成脉冲电流以控制马达，步进马达就是脉冲马达的一种。

### 依构造分类

- 同步马达：特点是恒速不变与不需要调速，起动转矩小，且当马达达到运转速度时，转速稳定，效率高。
- 感应马达：又名异步马达，特点是构造简单耐用，且可使用电阻或电容调整转速与正反转，典型应用是风扇、压缩机、冷气机。
- 可逆马达：基本上与感应马达构造与特性相同，特点马达尾部内藏简易的刹车机构（摩擦刹车），其目的为了借由加入摩擦负载，以达到瞬间可逆的特性，并可减少感应马达因作用力产生的过转量。
- 步进马达：特点是脉冲马达的一种，以一定角度逐步转动的马达，因采用开回路（Open Loop）控制方式处理，因此不需要位置检出和速度检出的回授装置，就能达成精确的位置和速度控制，且稳定性佳。
- 伺服马达：特点是具有转速控制精确稳定、加速和减速反应快、动作迅速（快速反转、迅速加速）、小型质轻、输出功率大（即功率密度高）、效率高等特点，广泛应用于位置和速度控制上。
- 线性马达：具有长行程的驱动并能表现高精密定位能力。
- 其他：旋转换流机（Rotary Converter）、旋转放大机（Rotating Amplifier）等。

## 用途

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电动机用途众多，大至重型工业，小至小型玩具都有其踪迹。在不同的环境下都会选择不同类型的电动机，以下是一些例子：

- 制风设备，例如电风扇
- 升降机（电梯）
- 以电力推动的交通工具，例如地下铁路、无轨电车、电动汽车
- 汽车、喷射机及直升机的起动马达（starter motor）
- 工厂与大卖场的传动带
- 公共汽车上的电动自动门
- 电动卷闸

民生用品

- 光驱
- 打印机
- 洗衣机
- 水泵
- 磁盘机
- 电动刮胡刀
- 录音机
- 录影机

工业与商业用途

- 高速升降机
- 工作母机（如：机床）
- 纺织机
- 搅拌机

## 使用安全

在使用马达前需先了解其使用的电源是直流电还是交流电，如果是交流电，还需知道它是三相还是单相的交流电，接错电源会导致不必要的损失和危险。马达转动后若没有接负载或负载很轻使得马达转速快，则感应电动势较强，此时马达两端电压为电源提供电压减去感应电压，因此电流减弱。

若马达的负载很重，转速慢则相对感应电动势较小，也因此电源需提供较大电流（功率）以对应所需的较大功率来输出／作功。

## 参考资料

- 宋扬曙。1990。电机机械。全华科技图书股份有限公司。
- 刘蕴陶。1996。电机学。文京图书有限公司。
- 萧进松、谢承达。1996。电机机械。全华科技图书股份有限公司。
- 陈祺铭。1990。小型电动机的基础与微电脑控制。复文书局。
- 许正道。1989。机电整合入门。复文书局
- 李适中。1991。直流马达速度控制．伺服系统（基础篇）。全华科技图书股份有限公司。
- 陈熹棣。1989。步进马达应用技术。全华科技图书股份有限公司。
- 李清元。2002。伺服马达的类别与应用。电机月刊第12卷第8期。
- 卢明智、陈政传。2002。感测与转换—感测器原理与应用实习。台科大图书股份有限公司。
- 江正雍译。1993。伺服控制系列（10）—无人搬运车之位置控制技术。机械月刊第19卷第1期。
- 江正雍译。1993。伺服控制系列（13）—AC伺服控制应用实务（上）。机械月刊第19卷第6期。