電、磁和運動之間的聯系最初是在 1820 年由法國物理學家安德烈-瑪麗?安培（ André-Marie Ampère ，1775-1867 年）發現的，它是電動機背后的基礎科學。但是，如果我們想將這一驚人的科學發現轉化為更實用的技術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明。

假設我們將電線彎曲成方形 U 形環，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線將以相反的方向移動。換句話說，當我們接通電源時，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運動，它就會不斷旋轉——我們就能順利地制造出電動機。但我們目前的設置不會發生這種情況：電線會很快纏在一起。不僅如此，如果線圈可以旋轉得足夠遠，還會發生其他事情。一旦線圈到達垂直位置，它就會翻轉，因此電流會以相反的方式流過它。現在線圈兩側的力會反轉。它不會繼續朝同一個方向旋轉，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。（不用擔心毫無意義的技術名稱：“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，分為兩個獨立的兩半，其作用是每次線圈旋轉半圈時反轉線圈中的電流。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，當電流流過電路時，線圈將繼續沿同一方向旋轉。

顯示主要部件的電動機的標記圖。 顯示電機如何旋轉的動畫。

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動一半時反轉電流。這意味著線圈每一側的力始終沿相同方向推動，從而使線圈保持順時針旋轉。

像這樣的簡單的實驗電機無法產生很大的功率。我們可以通過三種方式增加電機產生的轉動力（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）非常細的電線而不是一個“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部旋轉的線圈。磁鐵和線圈靠得越近，電機產生的力就越大。

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。

在定子內部，有線圈，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、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：

當您輸入直流電時，電磁鐵就像傳統的永磁體一樣工作，并產生始終指向同一方向的磁場。每次線圈翻轉時，換向器都會反轉線圈電流，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。

然而，當你輸入交流電時，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順時針。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 顯示電動機內部主要部件的標記照片

動畫：通用電機的工作原理：電源為磁場和旋轉線圈供電。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，每次電源電流反轉時，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。邊緣周圍的灰色電磁鐵是定子（靜態部分），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，它們為轉子（旋轉部分）提供動力。電動火車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，轉子在定子內旋轉。轉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生旋轉磁場，從而在電機轉子中“感應”（產生）磁場，導致它旋轉。您可以在我們關于交流感應電機的文章中閱讀更多相關信息。如果你把這些感應電機中的一個“展開”，那么定子就有效地布置成一條長而連續的軌道，轉子可以沿著它直線滾動。這種巧妙的設計被稱為直線電機，你會在工廠機器和漂浮的“磁懸浮”（磁懸浮）鐵路等事物中找到它。

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