電、磁和運動之間的聯(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(xiàn)的，它是電動機背后的基礎(chǔ)科學(xué)。但是，如果我們想將這一驚人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為更實用的技術(shù)來為我們的電動割草機和牙刷提供動力，我們就必須更進一步。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?nèi)绾蔚贸鏊麄兊慕^妙發(fā)明。

假設(shè)我們將電線彎曲成方形 U 形環(huán)，這樣實際上有兩條平行電線穿過磁場。其中一個通過電線將電流從我們身上帶走，另一個將電流帶回來。由于電流在導(dǎo)線中以相反的方向流動，弗萊明的左手定則告訴我們兩條導(dǎo)線將以相反的方向移動。換句話說，當(dāng)我們接通電源時，一根電線會向上移動，另一根會向下移動。

如果線圈能夠像這樣繼續(xù)運動，它就會不斷旋轉(zhuǎn)——我們就能順利地制造出電動機。但我們目前的設(shè)置不會發(fā)生這種情況：電線會很快纏在一起。不僅如此，如果線圈可以旋轉(zhuǎn)得足夠遠(yuǎn)，還會發(fā)生其他事情。一旦線圈到達垂直位置，它就會翻轉(zhuǎn)，因此電流會以相反的方式流過它?，F(xiàn)在線圈兩側(cè)的力會反轉(zhuǎn)。它不會繼續(xù)朝同一個方向旋轉(zhuǎn)，而是會朝剛剛來的方向倒退！想象一輛帶有這樣馬達的電動火車：它會在原地不停地來回移動，而不會實際去任何地方。

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

電動機的工作原理——實踐

有兩種方法可以克服這個問題。一種是使用一種周期性反轉(zhuǎn)方向的電流，稱為交流電 (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稱為換向器的組件到線圈的末端。（不用擔(dān)心毫無意義的技術(shù)名稱：“commutation”這個略顯老套的詞有點像“commute”這個詞。它只是簡單地表示來回變化，就像commute表示來回旅行一樣.) 在最簡單的形式中，換向器是一個金屬環(huán)，分為兩個獨立的兩半，其作用是每次線圈旋轉(zhuǎn)半圈時反轉(zhuǎn)線圈中的電流。線圈的一端連接到換向器的每一半。來自電池的電流連接到電機的電氣端子。它們通過一對稱為電刷的松散連接器將電力饋入換向器，由石墨片（類似于鉛筆“鉛”的軟碳）或細(xì)長的彈性金屬制成，（顧名思義）“刷”在換向器上。換向器就位后，當(dāng)電流流過電路時，線圈將繼續(xù)沿同一方向旋轉(zhuǎn)。

顯示主要部件的電動機的標(biāo)記圖。 顯示電機如何旋轉(zhuǎn)的動畫。

圖稿：電動機零件的簡化圖。動畫：它在實踐中是如何工作的。請注意換向器如何在每次線圈轉(zhuǎn)動一半時反轉(zhuǎn)電流。這意味著線圈每一側(cè)的力始終沿相同方向推動，從而使線圈保持順時針旋轉(zhuǎn)。

像這樣的簡單的實驗電機無法產(chǎn)生很大的功率。我們可以通過三種方式增加電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力（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電線的電流，或者我們可以制作線圈，使其具有許多“圈”（環(huán)）非常細(xì)的電線而不是一個“圈”的粗線。實際上，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(nèi)部旋轉(zhuǎn)的線圈。磁鐵和線圈靠得越近，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基本部件：

電機外殼邊緣周圍有一個（或多個）永磁體，它保持靜止，因此稱為電機定子。

在定子內(nèi)部，有線圈，安裝在高速旋轉(zhuǎn)的軸上——這就是所謂的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)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、無線電遙控汽車或電動剃須刀），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。與簡單的直流電機不同，通用電機有一個電磁鐵，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(dāng)您輸入直流電時，電磁鐵就像傳統(tǒng)的永磁體一樣工作，并產(chǎn)生始終指向同一方向的磁場。每次線圈翻轉(zhuǎn)時，換向器都會反轉(zhuǎn)線圈電流，就像在簡單的直流電機中一樣，因此線圈始終沿相同方向旋轉(zhuǎn)。

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

顯示通用電機如何與交流電源一起工作的動畫 顯示電動機內(nèi)部主要部件的標(biāo)記照片

動畫：通用電機的工作原理：電源為磁場和旋轉(zhuǎn)線圈供電。使用直流電源，通用電機就像傳統(tǒng)的直流電機一樣工作，如上所述。使用交流電源時，每次電源電流反轉(zhuǎn)時，磁場和線圈電流都會改變方向。這意味著線圈上的力始終指向相同的方向。

相片：典型的通用電機內(nèi)部：咖啡研磨機的中型電機內(nèi)部的主要部件，可以在直流或交流下運行。邊緣周圍的灰色電磁鐵是定子（靜態(tài)部分），由橙色線圈供電。還要注意換向器上的狹縫和推動它的碳刷，它們?yōu)檗D(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分）提供動力。電動火車等設(shè)備中的感應(yīng)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力。

其他種類電動機

一輛裝有電動馬達的黃色美國校車。

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

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

另一個有趣的設(shè)計是無刷直流 (BLDC) 電機。定子和轉(zhuǎn)子有效地互換，多個鐵線圈在中心靜止，永磁體圍繞它們旋轉(zhuǎn)，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(nèi)容。 通過精確控制的角度轉(zhuǎn)動的步進電機是無刷直流電機的變體。