電、磁和運(yùn)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(xiàn)的，它是電動(dòng)機(jī)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(shí)用的技術(shù)來為我們的電動(dòng)割草機(jī)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?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(shí)際上有兩條平行電線穿過磁場。其中一個(gè)通過電線將電流從我們身上帶走，另一個(gè)將電流帶回來。由于電流在導(dǎo)線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(dǎo)線將以相反的方向移動(dòng)。換句話說，當(dāng)我們接通電源時(shí)，一根電線會(huì)向上移動(dòng)，另一根會(huì)向下移動(dòng)。

如果線圈能夠像這樣繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，它就會(huì)不斷旋轉(zhuǎn)——我們就能順利地制造出電動(dòng)機(jī)。但我們目前的設(shè)置不會(huì)發(fā)生這種情況：電線會(huì)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(huì)發(fā)生其他事情。一旦線圈到達(dá)垂直位置，它就會(huì)翻轉(zhuǎn)，因此電流會(huì)以相反的方式流過它?，F(xiàn)在線圈兩側(cè)的力會(huì)反轉(zhuǎn)。它不會(huì)繼續(xù)朝同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，而是會(huì)朝剛剛來的方向倒退！想象一輛帶有這樣馬達(dá)的電動(dòng)火車：它會(huì)在原地不停地來回移動(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(jī)。他使用的閃亮金屬可能看起來像金子，但實(shí)際上是銅，一種價(jià)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(dòng)機(jī)的工作原理——實(shí)踐

有兩種方法可以克服這個(gè)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?cè)诩抑惺褂玫男⌒碗姵毓╇婋姍C(jī)中，更好的解決方案是添加一個(gè)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(gè)略顯老套的詞有點(diǎn)像“commute”這個(gè)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(gè)金屬環(huán)，分為兩個(gè)獨(dú)立的兩半，其作用是每次線圈旋轉(zhuǎn)半圈時(shí)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(jī)的電氣端子。它們通過一對(duì)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(shí)，線圈將繼續(xù)沿同一方向旋轉(zhuǎn)。

顯示主要部件的電動(dòng)機(jī)的標(biāo)記圖。 顯示電機(jī)如何旋轉(zhuǎn)的動(dòng)畫。

圖稿：電動(dòng)機(jī)零件的簡化圖。動(dòng)畫：它在實(shí)踐中是如何工作的。請(qǐng)注意換向器如何在每次線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一半時(shí)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(dòng)，從而使線圈保持順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

像這樣的簡單的實(shí)驗(yàn)電機(jī)無法產(chǎn)生很大的功率。我們可以通過三種方式增加電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力（或扭矩）：我們可以使用更強(qiáng)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(gè)“圈”的粗線。實(shí)際上，電機(jī)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(jī)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(jī)視為只有兩個(gè)基本部件：

電機(jī)外殼邊緣周圍有一個(gè)（或多個(gè)）永磁體，它保持靜止，因此稱為電機(jī)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(jī)

像這樣的直流電機(jī)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(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(jī)或電動(dòng)食品攪拌機(jī)）傾向于使用所謂的通用電機(jī)，它可以由交流電或直流電供電。與簡單的直流電機(jī)不同，通用電機(jī)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(dāng)您輸入直流電時(shí)，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(shí)，換向器都會(huì)反轉(zhuǎn)線圈電流，就像在簡單的直流電機(jī)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(shí)，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(jī)總是順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)順時(shí)針。換向器呢？電流頻率的變化比電機(jī)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(shí)刻處于什么位置實(shí)際上并不重要。

顯示通用電機(jī)如何與交流電源一起工作的動(dòng)畫 顯示電動(dòng)機(jī)內(nèi)部主要部件的標(biāo)記照片

動(dòng)畫：通用電機(jī)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(jī)就像傳統(tǒng)的直流電機(jī)一樣工作，如上所述。使用交流電源時(shí)，每次電源電流反轉(zhuǎn)時(shí)，磁場和線圈電流都會(huì)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(jī)內(nèi)部：咖啡研磨機(jī)的中型電機(jī)內(nèi)部的主要部件，可以在直流或交流下運(yùn)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(dòng)它的碳刷，它們?yōu)檗D(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分）提供動(dòng)力。電動(dòng)火車等設(shè)備中的感應(yīng)電機(jī)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(jī)提供動(dòng)力。

其他種類電動(dòng)機(jī)

一輛裝有電動(dòng)馬達(dá)的黃色美國校車。

照片：電動(dòng)機(jī)有各種形狀和大小。這輛校車用大型電動(dòng)機(jī)（白盒子）取代了舊的臟柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，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(yàn)室）提供。

在簡單的直流電機(jī)和通用電機(jī)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(jī)（用于工廠機(jī)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(duì)的磁鐵對(duì)以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，從而在電機(jī)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(jī)的文章中閱讀更多相關(guān)信息。如果你把這些感應(yīng)電機(jī)中的一個(gè)“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(dòng)。這種巧妙的設(shè)計(jì)被稱為直線電機(jī)，你會(huì)在工廠機(jī)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(shè)計(jì)是無刷直流 (BLDC) 電機(jī)。定子和轉(zhuǎn)子有效地互換，多個(gè)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(jī)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(dòng)的步進(jìn)電機(jī)是無刷直流電機(jī)的變體。