鋼鐵廠能源
[拼音]：dianji
[英文]：electrical machines
實現機械能與電能之間的轉換以及變換電能的機械。包括變壓器和旋轉電機兩大類。通常以電磁感應現象為基礎，但也有利用靜電、壓電效應等構成的電機。變壓器是各部件間無相對運動的電能變換裝置，廣泛應用於電能傳輸，電壓、電流、阻抗的變換和電路隔離。旋轉電機是機電能量轉換裝置，主要用作發電機，把機械能轉變成電能；或作為電動機，把電能轉變成機械能。有的電機還用作調相機，用於改善電網的功率因數。此外，還有微特電機，廣泛應用於自動控制系統中。
發電機、電動機、變壓器、調相機等屬於動力機械，用於大功率生產和輸送系統。它們的效率、功率因數等是首先需要考慮的因素。而控制用的微特電機，多用作訊號檢測、放大、解算和執行，其主要的功能是傳遞資訊。它的重要指標是精度和響應的快速性。
發展簡史
1821年英國科學家M.法拉第演示了一個載流導體環繞磁鐵轉動的現象。1823年英國人P.巴洛改進了法拉第的實驗，發明了通電以後會連續旋轉的金屬輪子（圖1）。
1831年法拉第又發明了把機械能轉變成電能的裝置。這些就是現代電機的雛型。同年美國物理學家J.亨利製成了第一臺由電池供電的直流電動機。次年法國發明家H.皮克西研製成功了第一臺交流發電機。但是當時的電機基本上還只是處在實驗室試驗階段，未能達到商品化的程度。直到19世紀70年代，比利時人Z.格拉姆提出了用包絕緣的鐵絲製成環形電樞鐵心和德國人 W.von西門子提出用電磁鐵製造直流發電機，並在理論上闡明瞭利用磁極剩磁進行自勵的可能性（見電機勵磁方式），此後，直流電機才進入商品化階段，開始進行批量生產。特別是在1879年T.A.愛迪生髮明白熾燈以後，電能需求大幅度增加，促使從1882年開始相繼在倫敦、紐約、米蘭、上海等地建立了火電廠，為直流電機的推廣應用創造了條件。電動機並開始廣泛應用於鼓風機、加工機床和城市電車等方面。但當時很快就發現，低壓直流電輸送距離不長，最多隻有幾公里，不能滿足工業需要。於是人們開始對交流電發生興趣。1884年J.霍普金森試驗了交流同步發電機，同時也發現了同步電機能作電動機執行。但是他沒有能解決同步電動機的起動問題。1886～1888年間E.湯姆孫製成了一個感應電動機的模型。80年代中期，義大利人G.費拉里斯又發現了旋轉磁場的理論，試驗證實了兩個有相位差的交流電所產生的磁場，可以把金屬轉子帶動起來。與此同時，美國的N.特斯拉也獨立地提出了依靠旋轉磁場工作的感應電動機，展出了他的感應電動機樣品，並於1890年提出了多相交流發電機和變壓器的設想。以後特斯拉與美國西屋電氣公司的C.F.斯科特合作研製成功了多相感應電動機，並提出了一系列專利，使感應電動機完善化。美國西屋電氣公司利用特斯拉的專利於1890年製成了第一臺能自動起動的同步電動機。1891年在德國法蘭克福舉辦的展覽會上，俄國人Μ.Ο.多利沃－多布羅沃利斯基展出了他在1889年發明的鼠籠式感應電動機和變壓器。1890年特斯拉還提出了單相電機的分相起動法(見單相非同步電動機)。湯姆孫又提出了罩極非同步電動機。1893年，美國西屋電氣公司開始成批提供非同步電動機產品供工業應用。至此電機方面的主要發明基本完成，電機的結構已趨成熟，以後就進入了產品發展階段。
從20世紀初以來，電機無論在品種、規格、容量、產量各個方面都有了很大的發展。現代電機產品種類繁多，應用極廣。世界各國每年生產的大小電機總數超過10億臺。電動機的容量小的只有幾毫瓦，大的達幾萬千瓦。發電機的單機容量最大的已高達150萬千瓦。
中國的電機制造工業從50年代以來也有了很大的發展。1954年製成第一臺6000千瓦空冷汽輪發電機（見圖），標誌著中國大電機制造業發展的開始。1958年中國在世界上首先研製成功定、轉子繞組均採用水內冷的雙水內冷汽輪發電機（見圖），這表明了中國的電機制造業的長足進步。中國在80年代已能生產30萬千瓦雙水內冷汽輪發電機（見圖）、20萬千瓦氫內冷汽輪發電機和32萬千瓦空冷水輪發電機。60萬千瓦的發電機組也已投產執行。中國的電機制造工業正在蓬勃發展。
基本原理
以電磁感應現象為基礎的電機，實現機電能量變換的基本原理是電動機定則和發電機定則。
電動機定則
又稱左手定則。當一載流的導體處在磁場中，在磁場與電流的作用下將產生機械力F，其值為
F＝Bil
式中B 為磁通密度，單位為特，即韋／米2；l為導體長度，單位為米;i為電流，單位為安;機械力F 的單位為牛。電流、磁場、力的方向如圖2所示，三者的方向互相垂直。當電流或磁場的方向反轉時，機械力F 的方向也隨之改變；但若兩者同時反向，則力的方向保持不變。在旋轉電機裡載流導體在轉子上產生的機械力F 和轉子半徑的乘積形成電機的電磁轉矩，使電機旋轉。
發電機定則
又稱右手定則。當導體受外力驅動在磁場中運動，切割磁力線的速度為v，則在導體中將產生感應電動勢e，其值為
e＝Blv
式中e的單位為伏，v的單位為米／秒，且磁通密度B、速度v和導線l三者的方向互相垂直（圖3）。
機電能量變換
在電機工作時，上述電動機作用和發電機作用同時存在。例如在某個導體中輸入電流i，則在磁場的作用下產生電動機作用，出現機械力F，使導體運動。導體與磁場有了相對運動，導體就切割磁場，根據發電機定則在導體中就會出現電動勢e。這個電動勢e的方向和輸入電流i的方向相反(圖4a)，所以通常把這個電動勢叫做反電動勢。這時為了克服這個反電動勢，使電流i能夠流入導體，外界的電源必須輸入電功率P，P為ei，即Blvi。與此同時， 由於導體的運動，它能輸出機械功率P，P為 Fv，它等於Bilv。其值正好等於從電源輸入的電功率。 反之若輸入一個機械力F，加在導體上使它以速度v運動（圖4b），導體切割磁場，產生感應電動勢e，如導體經外電路接通，通過負載產生電流i，則導體中發出的電功率P 為ei，即Blvi。而推動導體運動需輸入的機械功率P 為Fv，它等於Bilv。其值也正好等於輸出的電功率。這就是在電動機和發電機中實現機電能量變換的實質。
典型結構
電機一般有一個靜止不動的部分，叫做定子;有一個轉動的部件，叫做轉子。轉子通常在兩端用軸承支承。在某些專用的電機裡也有隻帶一個軸承，轉軸的另一端與配套工作機械的轉軸相聯結，利用配套工作機械的軸承加以支承。為了保持電機的轉子能自由轉動，定子和轉子之間必須有一定的間隙，稱為氣隙。氣隙的大小對電機的效能有很大的影響。
為了實現機電能量變換，電機中需要有一個磁場和一些通電流的線圈。這些按一定的規律聯結起來的線圈稱為繞組。電機的繞組有兩類：一類是專門用來通電產生磁場的繞組，叫做勵磁繞組；另一類繞組是用來感應電動勢，通過負載電流，實現機電能量變換的，稱為電樞繞組。電機中放置電樞繞組的部件稱為電樞。電樞繞組通過電流時也產生磁場，稱為電樞反應磁場，它對電機氣隙磁場的影響稱為電樞反應。通常直流電機的勵磁繞組放在定子上，而電樞繞組連同換向器放在轉子上。同步電機的電樞繞組往往放在定子上，勵磁繞組在轉子上，因為同步電機的電樞繞組放在定子上，可以直接引出，比較方便。在非同步電機中，定子和轉子上都只有電樞繞組，沒有專門的勵磁繞組，電機中的旋轉磁場是由電樞繞組中的交流電流產生的。為了在電機中獲得較強的磁場，必須為磁通提供低磁阻的通路──磁路。所以在電機的定子和轉子的磁通通路上都採用了導磁效能良好的鐵心。且一般把線圈嵌在鐵心的槽中以減少定子和轉子之間的氣隙。為了減少鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗，電機的鐵心通常用0.5 毫米厚的矽鋼片疊制而成。電機的典型結構（見圖）。
基本特性
電機的特性很多，最基本的是它的空載特性和負載執行特性。
空載特性
指電機在一定轉速下不帶負載執行時，其電樞繞組中感應的電動勢E 隨電機勵磁電流if變化的關係曲線(圖5)。
由於電樞繞組中的感應電動勢是和磁場成正比例的，所以空載特性實際上就代表了電機中磁場和勵磁電流之間的關係，這就是電機的磁化曲線。在勵磁電流較小的情況下，電機中磁場較弱，鐵心不飽和磁場、電動勢與勵磁電流成正比；而當勵磁電流逐漸增大時，隨電機中磁場的增強，鐵心開始飽和，空載特性曲線就逐漸彎曲變平；當勵磁電流很大時，鐵心呈高度飽和狀態，電機的感應電動勢就幾乎不隨勵磁電流而增加。通常，電機工作在空載特性曲線開始彎曲的部分，即電機的磁路剛開始飽和而未完全飽和的狀態。這時電機材料的利用最為合理，具有較好的經濟性。
負載執行特性
對發電機而言指的是發電機在轉速和勵磁保持不變的情況下，其端電壓隨負載而變化的特性，通常叫做發電機的外特性；而對於電動機，它指的是電動機在勵磁電流和電源電壓一定的條件下，其轉速隨負載而變的情況，一般稱為電動機的機械特性。發電機的輸出電壓和電動機的轉速是電機的重要指標之一，通常希望它們穩定。倘若它們隨負載而變化，往往不能滿足使用者的要求。有時為了維持發電機的輸出電壓和電動機的轉速基本保持不變，需要採取一些電壓調節和速度調節的措施（見直流電機、非同步電動機和同步發電機）。
電機的定額
電機的額定值，即名牌資料規定了電機正常執行的條件。額定值包括電機的額定電壓、電流、功率、頻率、轉速、工作制、允許溫升等。電機的額定功率或容量決定著電機尺寸的大小和材料的消耗量，是電機在按名牌規定的工作制下能夠承擔而不至導致電機過熱以及其他故障的最大負載。對於電動機，以它軸上輸出的機械功率表示;而對於發電機，則用它發出的電功率表示。電機的額定功率一方面受電機零、部件機械強度的限制；另一方面更主要的是決定於電機的溫升。電機的定額與電機執行時內部產生的損耗、通風冷卻情況以及絕緣等級、設計時規定的工作制等有關。
損耗和發熱
電機中的損耗分為銅耗、鐵耗和機械損耗3種。
（1）銅耗：在電機中電流通過線圈及其引導部分如炭刷、滑環、換向器等部件時，在這些導電部分的電阻上將產生損耗。由於導電體多數由銅製成，故習慣上把這些在導電體上產生的損耗叫做銅耗。電機的銅耗隨電機的負載大小而變。
（2）鐵耗：電機鐵心中有磁場存在。當鐵心相對於磁場有旋轉運動或磁場發生交變時，在鐵心中會產生渦流損耗和磁滯損耗。由於這些損耗產生在鐵心內，故習慣上稱它為鐵心損耗，簡稱鐵耗。鐵耗的大小決定於磁通密度和磁場交變（或旋轉）的頻率。
（3）機械損耗：電機的轉子轉動時，軸承上有摩擦損耗，轉子表面對空氣也有摩擦損耗。此外，電機通常還裝有冷卻用的風扇，也要消耗一定的功率。這些損耗合在一起叫做電機的通風摩擦損耗，或稱機械損耗。
電機的各種損耗均將變成熱量，使電機發熱，溫度升高。電機各部分的溫度與周圍環境溫度之差稱為電機溫升。隨著溫升的提高，電機向外散發的熱量逐漸增大。當電機內部損耗所產生的熱量與電機向外散發的熱量相等時，電機的溫升就停止上升，達到熱穩定。通常電機在突加負載以後其溫升按指數曲線上升，如圖6所示。
通風冷卻
為了避免電機溫升過高，一般電機都要採取措施，加強通風散熱。通常在電機的軸上裝設風扇。低速執行的電機裡往往另外單獨配備一臺鼓風機，把風吹向發熱的線圈和鐵心的表面，以便帶走更多的熱量，使電機的溫升減小。絕大多數電機以空氣作為冷卻介質，即依靠空氣把電機內部的熱量帶走。在大型汽輪發電機中還常用氫氣、水等作為冷卻介質，以得到更好的冷卻效果。
絕緣等級
電機允許的最高溫度主要決定於電機中所用絕緣材料的耐熱性。電機中所採用的絕緣材料根據其耐熱性分為Y、A、E、B、F、H 6個等級（見絕緣耐熱等級和熱老化試驗）。現在一般低壓中小型電機中常用的是E級絕緣，其耐熱性為120℃。在正常執行的情況下， 電機線圈的最高溫度不應該超過這個極限值。在中型和大型高壓電機中現在多用B級絕緣，其耐熱性為130℃。F、H級絕緣的耐熱性比較高，分別達155℃和180℃。但由於採用F、H級絕緣的電機，其外殼的溫度可能比較高，人已不能接觸，不太安全。所以F、H級絕緣主要應用於特殊使用場合的電機，如車輛牽引電機、吊車電機、輥道電機等。
設計原則
電機設計包括電磁設計和結構設計兩個相互聯絡的方面。電磁設計是根據產品的技術要求，在考慮產品系列化和製造、執行的經濟合理性與可靠性的前提下，決定電機的鐵心大小，定、轉子衝片的各種尺寸和繞組資料。根據這些資料再進行電機的結構設計。在電磁設計中所考慮的經濟性，主要有電機的技術經濟指標如效率、功率因數和材料的消耗量等。通常按較高指標設計的電機，在執行期間耗電較少，執行費用較低，但電機的材料用量較多，價格較貴。反之，則電能消耗較多，執行費用高，而材料省，初投資少。50年代，由於新型耐熱性較好的絕緣材料開始使用，曾一度過分強調節省材料，降低電機價格，其結果電機效率有所下降，增加了能耗，提高了執行費用，在經濟上並不合算。從70年代出現能源危機以後，比較全面地考慮問題，適當地處理材料消耗和電機效率、功率因數等指標之間的矛盾，以期達到最佳的經濟效益。一般執行時間比較長的場合，宜採用高效率的電機。在結構設計方面，由於電機是規格多、批量大的產品，為了便於生產，降低成本，通常產品均按系列進行設計。每一個系列內各產品規格的功率、安裝尺寸和零、部件的大小均按一定的規律變化，並且還要考慮系列內部和其他鄰近系列之間零、部件的標準化，以提高通用性、互換性和從基本系列匯出派生系列的可能性等。
製造特點
電機制造除要滿足一般機械製造的基本要求外，還需要特別注意定轉子的同心度、鐵心疊裝質量和繞組絕緣處理。
定轉子的同心度
由於氣隙對電機效能有重大影響，所以保證氣隙的大小和各磁極下的氣隙相同就十分重要。為此，電機的定子和轉子必須保持同心。若各磁極下的氣隙不等，電機內部會出現很大的單邊磁拉力，引起振動和噪聲，導致損耗增加，效率降低，甚至定轉子相擦，電機不能轉動，直至燒燬電機。所以保證定子和轉子的同心度是電機制造的關鍵之一。
鐵心疊裝質量
電機的鐵心通常由矽鋼片疊制而成。矽鋼片衝制質量不好，帶有毛刺，特別是經過銼、磨以後會使鐵心損耗增加。衝片疊壓不緊，會使鐵心的淨長度不足，鐵心中磁通密度增高，磁化電流增大，電機效能變壞。尤其是在大電機中，在電磁力的作用下鐵片可能發生振動，磨壞線圈絕緣，導致絕緣擊穿事故。因此，對鐵心衝片的衝制和疊裝工藝必須十分重視。
繞組絕緣處理
電機的繞組通常是由帶絕緣層的導線（漆包線、玻璃絲包線等）繞制而成。為了提高繞組的絕緣效能和改善導熱性，降低電機的溫升，電機繞組必須經過浸漬處理，其目的在於用絕緣漆充填繞組中導線間的空隙，排除其間存在的空氣泡，使繞組形成一個具有良好導熱效能的整體，並與電機鐵心保持良好的接觸，以利於導線內部產生的熱量向外散逸和防止潮氣的侵入。此外，還可以提高耐壓效能。為獲得良好的浸漬效果，防止空氣泡殘留和消除因浸漬漆中溶劑揮發而留下的空隙，常採用多次浸漆、真空壓力浸漆和無溶劑漆滴浸等工藝。
電機試驗
電機產品試驗一般分為型式試驗和檢查試驗（俗稱出廠試驗）。在研究設計階段，還要進行研究試驗。
型式試驗
旨在對電機的電效能和機械效能進行全面的檢查和考核，以確定其是否符合有關標準、技術條件與設計要求。試驗的專案較多，主要的有絕緣介電強度試驗（耐壓試驗）、空載試驗、負載試驗和溫升試驗等。進行型式試驗需要比較長的時間，消耗較多的能量，通常只在新產品試製完成時進行。在電機的設計或工藝作了較大變更，或者在大量生產的過程中定期進行抽樣檢查時，也需要做型式試驗。
檢查試驗
旨在檢驗每臺產品是否合格。試驗專案不多，只是型式試驗中的部分內容，如耐壓試驗、空載試驗、短路試驗等。各種電機的型式試驗和檢查試驗的試驗專案在國家（或公司、行業）標準或有關的產品技術條件中均有明確規定。
發展趨勢
雖然電機生產已有100多年的歷史，技術比較成熟，但是隨著新材料、新工藝、新結構的不斷髮展，電機新產品不斷湧現。特別是電機與電子技術和微型計算機相結合形成的許多機械電子學(機電一體化)新產品，對改善電機的執行特性，減少能量消耗，節約執行費用具有顯著的效果，將成為今後電機發展的重要方面。
在大型電機方面，無論從發展電力工業的需要或從提高發電機效率，降低執行費用著眼，都要求增大發電機的單機容量。但是由於材料強度的限制，大容量電機的電磁負荷愈來愈高，單位體積內的損耗也愈來愈大，散熱問題更為突出。為此必須加強冷卻。因此開展新的冷卻方式的研究仍然是大型電機發展的一個重要方面。從1986年以來，由於在超導材料研究方面取得了重大突破，展現了大型電機的新發展前景。
中小型電機是量大面廣的成熟產品。在中小型電機生產中採用新材料、新工藝，提高標準化、系列化和通用化的程度，降低成本，提高生產效率具有重要經濟意義，這是中小型電機生產的重要發展方向。隨著電子技術和計算機的進步，電子裝置和電機有機結合形成機電一體化的產品，以改善電機執行效能和節約能源，是中小型電機的又一重要研究課題。尤其是利用微型計算機形成智慧化的電機，使它具有根據負載情況的變化自動尋優的功能，更是今後中小型電機的發展趨勢。
微處理機、電力電子器件和稀土永磁材料三大新成就更促進了微型電機的迅速發展。隨著微電子技術的進步，許多與微特電機配套的專用積體電路已開始系列生產，各種高精度的數字式控制系統紛紛出現，它對工業自動化、辦公室自動化和家庭電氣化、自動化的發展起了積極推動作用。微型電機的需要量與日俱增，尤其是隨著機器人的出現，為適應機器人仿人功能的要求，各種動作更為靈活的，超小型、小慣量、快動作的微型電機得到了迅速的發展。
參考書目
浙江大學編:《電機學》，中國工業出版社，北京，1961。