電機是以電磁感應(yīng)現(xiàn)象為基礎(chǔ)實現(xiàn)機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換以及變換電能的機械，包括旋轉(zhuǎn)申機和變壓器兩大類。旋轉(zhuǎn)電機是機電能量轉(zhuǎn)換裝置。主要用作發(fā)電機 把機械能轉(zhuǎn)變成電能;或作為電動機，把電能轉(zhuǎn)變成機械能。有的電機還用作調(diào)相機，用于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。此外.還有微特電機.廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)中。變壓器是各部件間無相對運動的電能變換裝置，廣泛應(yīng)用于電能傳輸，電壓、電流、阻抗的變換和電路隔離。

人類的生產(chǎn)勞動離不開各種能源。在現(xiàn)代工業(yè)化社會中.各種自然能源-般都不能直接拖動生產(chǎn)機械，還必須將其先轉(zhuǎn)換為電能，然后再將電能轉(zhuǎn)戀為所需要的能量形態(tài)（如機械能、熱能、聲能、光能等）加以利用。這是因為電能在生產(chǎn)、傳輸、分配、使用、控制及能量轉(zhuǎn)換等方面極為方便。電機是與電能有關(guān)的能量轉(zhuǎn)換機械，它是工業(yè)、農(nóng)業(yè)。交通運輸。國防工程、醫(yī)療設(shè)備以及日常生活中常用的重要設(shè)備。

電機的主要作用表現(xiàn)在三個方面∶

1.電能的生產(chǎn)、傳輸和分配

在發(fā)電廠中，發(fā)電機由汽輪機、燃氣輪機、柴油機或水輪機帶動。發(fā)電機將燃料燃燒、原子核裂變的能量或水的位能轉(zhuǎn)化為機械動能傳給發(fā)電機，在發(fā)電機中轉(zhuǎn)換成電能，然后用變壓器升高電壓，通過輸電線把電能送到用電地區(qū)，再經(jīng)變壓器降低電壓，供用戶使用。

2.驅(qū)動各種生產(chǎn)機械和裝備

在工農(nóng)業(yè)、交通運輸、國防等部門和生活設(shè)施中，極為廣泛地應(yīng)用各種電動機來驅(qū)動生產(chǎn)機械、設(shè)備和器具。例如，機床驅(qū)動、電力排灌、農(nóng)副產(chǎn)品加工、礦石采掘和輸送、電車和電力機車的牽引、抽水、鼓風(fēng)、起吊、軋鋼、造紙、醫(yī)療設(shè)備及家用電器的運行等一般都采用電動機來拖動。

3.作為各種控制系統(tǒng)和自動化、智能化裝置的重要元件

隨著工農(nóng)業(yè)和國防設(shè)施自動化水平的日益提高，出現(xiàn)了多種多樣的控制電機，它們在控制系統(tǒng)、自動化和智能化裝置（例如電子計算機和機器人）中分別作為執(zhí)行、檢測、放大和解算元件。這類電機一般功率較小.但品種繁多、用途各異，例如.電梯的自動選擇與顯示，閥門遙控.火炮和雷達的自動定位。飛行器的發(fā)射和姿態(tài)的控制.機床加工的自動控制和顯示. 以及計算機外圍設(shè)備、各種自動記錄儀表、音像錄放設(shè)備、醫(yī)療器械和現(xiàn)代家用電器設(shè)備等的運行控制、檢測或者記錄顯示。

電機的發(fā)展簡史

正如緒論中所介紹的，1831年 10月，法拉第創(chuàng)造了第一部感應(yīng)發(fā)電機的模型。從此，電的研究和應(yīng)用迅速發(fā)展起來，電作為一種新的強大的能源開始在人類的生產(chǎn)、生活中發(fā)揮日益巨大的作用。

在生產(chǎn)需要的直接推動下，具有實用價值的發(fā)電機和電動機相繼問世，并在應(yīng)用中不斷得到改進和完善。初始階段的發(fā)電機是水磁式發(fā)電機，即用永久磁鐵作為場磁鐵。由于永久磁鐵本身磁場強度有限，因而永磁式發(fā)電機不能提供強大的電力.缺乏實用性。要增大發(fā)電機的輸出功率，使其達到實用要求.就要對發(fā)電機的各個組成部分進行改造。 發(fā)申機的主要部件是場磁鐵、電樞、集電環(huán)和電刷。1845年，英國物理學(xué)家惠斯通使用外加電源給線圈勵磁，以電磁鐵取代永久磁鐵，取得了極大成功。隨后又改進了電樞繞組，從而制成了第一臺電磁鐵發(fā)電機。1866年德國科學(xué)家西門子制成第臺使用電磁鐵的自激式發(fā)電機。西門子發(fā)電機的成功標(biāo)志著建造大容量發(fā)電機，從而獲得強大的電力，在技術(shù)上取得了突破。因此，西門子發(fā)電機在電學(xué)發(fā)展史上具有劃時代的意義。

自激原理的發(fā)現(xiàn)是永磁式發(fā)電機向勵磁式發(fā)電機發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。自激是指直流發(fā)電機利用本身感應(yīng)的電功率的一部分去激發(fā)場磁鐵，從而形成電磁鐵。在發(fā)電機的改進過程中，磁場的變化經(jīng)歷了從水磁到勵磁;而電流勵磁又經(jīng)歷了從他激到自激，自激又經(jīng)歷了從串激到并激，再到復(fù)激的發(fā)展過程。因此直流發(fā)電機按其勵磁方法的不同又可分為他激和自激兩類，而自激發(fā)電機又包括了串激、并激和復(fù)激三種形式。

1870年比利時人格拉姆（1826—1901）依靠瓦利所提出的原理，并采用了1865年意大利人帕契諾蒂（1841—1912）發(fā)明的齒狀電樞結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了環(huán)形無槽閉合電樞繞組，制成了環(huán)形電樞自激直流發(fā)電機。1873年，德國電氣工程師赫夫納·阿爾特涅克（1845—1904）對直流發(fā)電機的電樞又做了改進，研制成功了鼓狀電樞自激直流發(fā)電機。他吸取了格拉姆和帕契諾帶發(fā)電機轉(zhuǎn)子的優(yōu)點，簡化了制造方法.因而大大提高了發(fā)電機的效率，降低了發(fā)電機的生產(chǎn)成本，使發(fā)電機進入到實用階段。至此，直流發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)已達到定型化。1880 年，美國發(fā)明家愛迪生制造出了名為"巨象"的大型直流發(fā)電機，并于1881年在巴黎博覽會上展出。

與此同時，電動機的研制工作也在進行之中。美國工程師達文波特在1836年首先嘗試用電動機驅(qū)動機械。1834年俄國物理學(xué)家雅可比發(fā)明了功率為15W的棒狀鐵心電動機。

發(fā)電機和電動機是同一種機器的兩種不同的功能，用其作為電流輸出裝置就是發(fā)電機，用其作為動力供給裝置就是電動機。電機的這一可逆原理是在 1873年偶然獲得證明的。這一年在維也納的工業(yè)展覽會上，一位工人操作失誤，把一根電線錯接到一臺正在運行的格拉姆發(fā)電機上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這臺發(fā)電機的轉(zhuǎn)子改變了方向，迅即向相反的方向轉(zhuǎn)動，變成了一臺電動機。在此以前，電動機和發(fā)電機是各自獨立發(fā)展的。從此以后，人們認識到直流電機既可作發(fā)電機運行，也可作電動機運行的可逆現(xiàn)象，這個意外的發(fā)現(xiàn)，對電機的設(shè)計制造產(chǎn)生了深刻的影響。

隨著發(fā)電、供電技術(shù)的發(fā)展，電機的設(shè)計和制造也日趨完善。1878年出現(xiàn)了鐵心開槽法，即把繞組嵌入槽內(nèi)，以加強繞組的穩(wěn)固并減少導(dǎo)線內(nèi)部的渦流損耗。那時出現(xiàn)的有槽鐵心和鼓形繞組的結(jié)構(gòu)一直沿用至今。1880年愛迪生提出了薄片疊層鐵心法，馬克西提出鐵心徑向通風(fēng)道原理解決了鐵心的散熱問題。1882年提出了雙層電樞繞組，1883年發(fā)明了疊片磁極，1884年發(fā)明了補償繞組和換向極，1885年發(fā)明炭粉末制造電刷。1836年確立了磁路計算方法，1891年建立了直流電樞繞組的理論。到19世紀(jì)90年代，直流電機已具有了現(xiàn)代直流電機的一切主要結(jié)構(gòu)特點。

盡管直流電機已被廣泛使用，并在應(yīng)用中產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟效益，但其自身的缺點卻制約了它的進一步發(fā)展。這就是直流電不能解決遠距離輸電，也不能解決電壓高低的變換問題，于是交流電機獲得了迅速發(fā)展。在此期間兩相電動機和三相電動機相繼問世。1885 年意大利物理學(xué)家加利萊奧·費拉里斯（1841-1897）提出了旋轉(zhuǎn)磁場原理，并研制出兩相異步電動機模型，1886年移居美國的尼古拉·特斯拉也獨立地研制出兩相異步電動機。俄國籍電氣工程師多利沃—多勃羅沃利斯基在 1888年制成一臺三相交流單籠型異步電動機。交流電機的研制和發(fā)展.特別是三相交流電機的研制成功為遠距離輸電創(chuàng)造了條件 同時把電工技術(shù)提高到一個新的階段。

1880年前后，英國的費朗蒂改進了交流發(fā)電機，并提出交流高壓輸電的概念。1882年，英國的高登制造出了大型兩相交流發(fā)電機。1882年法國人高蘭德（1850—1888）和英國人約翰·吉布斯獲得了"照明和動力用電分配辦法"的專利，并研制成功了第一臺具有實用價值的變壓器，它是交流輸配電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備。

變壓器的基本結(jié)構(gòu)是鐵心和繞組，以及油箱和絕緣套管等部件。它所依據(jù)的工作原理是法拉第在 1831年發(fā)現(xiàn)的互感現(xiàn)象，即由于一個電路產(chǎn)生電流變化，而在鄰近另一電路中引起感生電動勢的現(xiàn)象。在同一鐵心上繞上—次繞組和一次簽組，如在—次繞組中通入交

變申電流，由于電流的不斷變化.使其產(chǎn)生的磁場也隨之不斷變化.在一次簽組中就威應(yīng)出由動勢來。變壓器依靠這一工作原理.把發(fā)電機輸出的申壓升高.而在用戶那里又把申壓隆低。有了變壓器可以說就具備了高壓交流輸電的基本條件。1884年英國人埃德瓦德·霍普金生（1859—1922）又發(fā)明了具有封閉磁路的變壓器。后來威斯汀豪斯（1846—1914）對吉布斯變壓器的結(jié)構(gòu)進行了改進，使之成為一臺具有現(xiàn)代性能的變壓器。1891年布洛在瑞十制造出高壓油浸變壓器，后來又研制出巨型高壓變壓器。由于變壓器的不斷改進，使遠距離高壓交流輸電取得了長足的進步。

經(jīng)過100多年的發(fā)展，電機本身的理論已經(jīng)相當(dāng)成熟。但是，隨著電工科學(xué)、計算機科學(xué)與控制技術(shù)的發(fā)展，電機的發(fā)展又進入了新的發(fā)展階段。其中.交流調(diào)速電機的發(fā)展最為令人矚目。

早在半個多世紀(jì)以前.傳統(tǒng)的變電壓、串級、變壓變頻等交流調(diào)速方法的原理就都已經(jīng)研究清楚了，只是由于要用電路元件和旋轉(zhuǎn)變流機組來實現(xiàn)，而控制性能又比不上直流調(diào)速，所以長期得不到推廣應(yīng)用。20世紀(jì)70年代以后，有了電力電子變流裝置以后，逐步解決了調(diào)速裝置需要減少設(shè)備、縮小體積、降低成本、提高效率、消除噪聲等問題，才使交流調(diào)速獲得了飛躍的發(fā)展。發(fā)明矢量控制之后，又提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能。但是要實現(xiàn)矢量控制規(guī)律，需要復(fù)雜的電子電路，其設(shè)計、制造和調(diào)試都很麻煩。采用微機控制以后，用軟件實現(xiàn)矢量控制算法，使硬件電路規(guī)范化，從而降低了成本，提高了可靠性，而且還有可能進一步實現(xiàn)更加復(fù)雜的控制技術(shù)。由此可見，電力電子和微機控制技術(shù)的迅速進步是推動交流調(diào)速系統(tǒng)不斷更新的動力。

另外，高性能永磁材料和超導(dǎo)材料的發(fā)展，也給電機的發(fā)展注入了新的活力。

永磁申機由于結(jié)構(gòu)簡單.可靠性女好，效率高.節(jié)省能量.從成本。性能、投資、維修和可靠性等幾方面綜合考慮，優(yōu)于普通電機。但過去永磁材料的磁能積較小，一直沒有得到廣泛應(yīng)用。近幾年，隨著稀土永磁材料的高速發(fā)展和電力電子技術(shù)的發(fā)展，使永磁電機有了長足進步。采用釹鐵硼永磁材料的電動機、發(fā)電機已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，大至艦船推進，小到人工心臟血泵等。

超導(dǎo)電機則已經(jīng)用于發(fā)電和高速磁懸浮列車與船舶的推進等。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步、原材料性能的提高和制造工藝的改進，電機正以數(shù)以萬計的品種規(guī)格，大小懸殊的功率等級（從百萬分之幾瓦到1000 MW 以上）。極為較廣的轉(zhuǎn)速范圍（從數(shù)天一轉(zhuǎn)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)）、非常靈活的環(huán)境適應(yīng)性（如平地、高原、空中、水下、油中，寒帶、溫帶、濕熱帶、干熱帶，室內(nèi)、室外，車上、船上，各種不同媒質(zhì)中等），滿足著國民經(jīng)濟各部門和人類生活的需要。