電、磁和運動(dòng)之間的聯(lián)系最初是在 1820 年由法國物理學(xué)家安德烈-瑪麗?安培（ André-Marie Ampère ，1775-1867 年）發(fā)現的，它是電動(dòng)機背后的基礎科學(xué)。但是，如果我們想將這一驚人的科學(xué)發(fā)現轉化為更實(shí)用的技術(shù)來(lái)為我們的電動(dòng)割草機和牙刷提供動(dòng)力，我們就必須更進(jìn)一步。這樣做的發(fā)明家是英國人邁克爾?法拉第(1791–1867) 和威廉?斯特金(1783–1850) 以及美國人 約瑟夫?亨利(1797–1878)。以下是他們如何得出他們的絕妙發(fā)明。

假設我們將電線(xiàn)彎曲成方形 U 形環(huán)，這樣實(shí)際上有兩條平行電線(xiàn)穿過(guò)磁場(chǎng)。其中一個(gè)通過(guò)電線(xiàn)將電流從我們身上帶走，另一個(gè)將電流帶回來(lái)。由于電流在導線(xiàn)中以相反的方向流動(dòng)，弗萊明的左手定則告訴我們兩條導線(xiàn)將以相反的方向移動(dòng)。換句話(huà)說(shuō)，當我們接通電源時(shí)，一根電線(xiàn)會(huì )向上移動(dòng)，另一根會(huì )向下移動(dòng)。

如果線(xiàn)圈能夠像這樣繼續運動(dòng)，它就會(huì )不斷旋轉——我們就能順利地制造出電動(dòng)機。但我們目前的設置不會(huì )發(fā)生這種情況：電線(xiàn)會(huì )很快纏在一起。不僅如此，如果線(xiàn)圈可以旋轉得足夠遠，還會(huì )發(fā)生其他事情。一旦線(xiàn)圈到達垂直位置，它就會(huì )翻轉，因此電流會(huì )以相反的方式流過(guò)它?，F在線(xiàn)圈兩側的力會(huì )反轉。它不會(huì )繼續朝同一個(gè)方向旋轉，而是會(huì )朝剛剛來(lái)的方向倒退！想象一輛帶有這樣馬達的電動(dòng)火車(chē)：它會(huì )在原地不停地來(lái)回移動(dòng)，而不會(huì )實(shí)際去任何地方。

相片：電工在航空母艦上維修電動(dòng)機。他使用的閃亮金屬可能看起來(lái)像金子，但實(shí)際上是銅，一種價(jià)格便宜得多的良導體。照片由 Jason Jacobowitz 提供，由 美國海軍提供。

電動(dòng)機的工作原理——實(shí)踐

有兩種方法可以克服這個(gè)問(wèn)題。一種是使用一種周期性反轉方向的電流，稱(chēng)為交流電 (AC)。在我們在家中使用的小型電池供電電機中，更好的解決方案是添加一個(gè)稱(chēng)為換向器的組件到線(xiàn)圈的末端。（不用擔心毫無(wú)意義的技術(shù)名稱(chēng)：“commutation”這個(gè)略顯老套的詞有點(diǎn)像“commute”這個(gè)詞。它只是簡(jiǎn)單地表示來(lái)回變化，就像commute表示來(lái)回旅行一樣.) 在最簡(jiǎn)單的形式中，換向器是一個(gè)金屬環(huán)，分為兩個(gè)獨立的兩半，其作用是每次線(xiàn)圈旋轉半圈時(shí)反轉線(xiàn)圈中的電流。線(xiàn)圈的一端連接到換向器的每一半。來(lái)自電池的電流連接到電機的電氣端子。它們通過(guò)一對稱(chēng)為電刷的松散連接器將電力饋入換向器，由石墨片（類(lèi)似于鉛筆“鉛”的軟碳）或細長(cháng)的彈性金屬制成，（顧名思義）“刷”在換向器上。換向器就位后，當電流流過(guò)電路時(shí)，線(xiàn)圈將繼續沿同一方向旋轉。

顯示主要部件的電動(dòng)機的標記圖。 顯示電機如何旋轉的動(dòng)畫(huà)。

圖稿：電動(dòng)機零件的簡(jiǎn)化圖。動(dòng)畫(huà)：它在實(shí)踐中是如何工作的。請注意換向器如何在每次線(xiàn)圈轉動(dòng)一半時(shí)反轉電流。這意味著(zhù)線(xiàn)圈每一側的力始終沿相同方向推動(dòng)，從而使線(xiàn)圈保持順時(shí)針旋轉。

像這樣的簡(jiǎn)單的實(shí)驗電機無(wú)法產(chǎn)生很大的功率。我們可以通過(guò)三種方式增加電機產(chǎn)生的轉動(dòng)力（或扭矩）：我們可以使用更強大的永磁體，或者我們可以增加流過(guò)電線(xiàn)的電流，或者我們可以制作線(xiàn)圈，使其具有許多“圈”（環(huán)）非常細的電線(xiàn)而不是一個(gè)“圈”的粗線(xiàn)。實(shí)際上，電機還具有彎曲成圓形的永磁體，因此它幾乎接觸到在其內部旋轉的線(xiàn)圈。磁鐵和線(xiàn)圈靠得越近，電機產(chǎn)生的力就越大。

盡管我們描述了許多不同的部件，但您可以將電機視為只有兩個(gè)基本部件：

電機外殼邊緣周?chē)幸粋€(gè)（或多個(gè)）永磁體，它保持靜止，因此稱(chēng)為電機定子。

在定子內部，有線(xiàn)圈，安裝在高速旋轉的軸上——這就是所謂的轉子。轉子還包括換向器。

通用電機

像這樣的直流電機非常適合電池供電的玩具（例如模型火車(chē)、無(wú)線(xiàn)電遙控汽車(chē)或電動(dòng)剃須刀），但您在許多家用電器中找不到它們。小型電器（如咖啡研磨機或電動(dòng)食品攪拌機）傾向于使用所謂的通用電機，它可以由交流電或直流電供電。與簡(jiǎn)單的直流電機不同，通用電機有一個(gè)電磁鐵，而不是永磁體，它從您輸入的直流或交流電源中獲取能量：

當您輸入直流電時(shí)，電磁鐵就像傳統的永磁體一樣工作，并產(chǎn)生始終指向同一方向的磁場(chǎng)。每次線(xiàn)圈翻轉時(shí)，換向器都會(huì )反轉線(xiàn)圈電流，就像在簡(jiǎn)單的直流電機中一樣，因此線(xiàn)圈始終沿相同方向旋轉。

然而，當你輸入交流電時(shí)，流過(guò)電磁鐵的電流和流過(guò)線(xiàn)圈的電流都是反向的，步調一致，所以線(xiàn)圈上的力總是同向的，電機總是順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉順時(shí)針。換向器呢？電流頻率的變化比電機旋轉快得多，并且由于磁場(chǎng)和電流始終同步，換向器在任何給定時(shí)刻處于什么位置實(shí)際上并不重要。

顯示通用電機如何與交流電源一起工作的動(dòng)畫(huà) 顯示電動(dòng)機內部主要部件的標記照片

動(dòng)畫(huà)：通用電機的工作原理：電源為磁場(chǎng)和旋轉線(xiàn)圈供電。使用直流電源，通用電機就像傳統的直流電機一樣工作，如上所述。使用交流電源時(shí)，每次電源電流反轉時(shí)，磁場(chǎng)和線(xiàn)圈電流都會(huì )改變方向。這意味著(zhù)線(xiàn)圈上的力始終指向相同的方向。

相片：典型的通用電機內部：咖啡研磨機的中型電機內部的主要部件，可以在直流或交流下運行。邊緣周?chē)幕疑姶盆F是定子（靜態(tài)部分），由橙色線(xiàn)圈供電。還要注意換向器上的狹縫和推動(dòng)它的碳刷，它們?yōu)檗D子（旋轉部分）提供動(dòng)力。電動(dòng)火車(chē)等設備中的感應電機比這大很多倍，功率也大很多，并且始終使用高壓交流電 (AC) 工作，而不是使用低壓直流電 (DC) 或中低壓家用交流電為通用電機提供動(dòng)力。

其他種類(lèi)電動(dòng)機

一輛裝有電動(dòng)馬達的黃色美國校車(chē)。

照片：電動(dòng)機有各種形狀和大小。這輛校車(chē)用大型電動(dòng)機（白盒子）取代了舊的臟柴油發(fā)動(dòng)機，以減少空氣污染。照片由 Dennis Schroeder 提供，由 NREL（國家可再生能源實(shí)驗室）提供。

在簡(jiǎn)單的直流電機和通用電機中，轉子在定子內旋轉。轉子是連接到電源的線(xiàn)圈，定子是永磁體或電磁鐵。大型交流電機（用于工廠(chǎng)機器之類(lèi)的東西）的工作方式略有不同：它們使交流電通過(guò)相對的磁鐵對以產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)，從而在電機轉子中“感應”（產(chǎn)生）磁場(chǎng)，導致它旋轉。您可以在我們關(guān)于交流感應電機的文章中閱讀更多相關(guān)信息。如果你把這些感應電機中的一個(gè)“展開(kāi)”，那么定子就有效地布置成一條長(cháng)而連續的軌道，轉子可以沿著(zhù)它直線(xiàn)滾動(dòng)。這種巧妙的設計被稱(chēng)為直線(xiàn)電機，你會(huì )在工廠(chǎng)機器和漂浮的“磁懸浮”（磁懸?。╄F路等事物中找到它。

另一個(gè)有趣的設計是無(wú)刷直流 (BLDC) 電機。定子和轉子有效地互換，多個(gè)鐵線(xiàn)圈在中心靜止，永磁體圍繞它們旋轉，換向器和電刷被電子電路取代。您可以在我們關(guān)于輪轂電機的主要文章中閱讀更多內容。 通過(guò)精確控制的角度轉動(dòng)的步進(jìn)電機是無(wú)刷直流電機的變體。