电机的应用领域

　　电力工业

　　一、汽轮发电机

　　汽轮发电机用于火力发电厂和核电厂。是同步电机的一种。由于原动机汽轮机)转速很高，一般为3000 r/min，因此汽轮发电机的转子细而长，以减小线速度。目前世界上最大的汽轮发电机容量已经超过 100万千瓦。

　　二、水轮发电机

　　水轮发电机用于水力发电厂，也是同步发电机的一种。由于原动机(水轮机)转速较低，一般为几百转/分以下，因此水轮发电机的转子粗而短，以增加极数。图2-12所示是一台在三峡电站安装的水轮发电机，三峡机组是目前世界上最大的水轮发电机组，功率达到 70 万千瓦。三峡电站总装机 26台，单机容量 70万千瓦。

　　三、风力发电机

　　风力发电就是通过捕风装置的叶轮将风能转换成机械能，再将机械能转换成电能的过程。风能是最廉价、最清洁、最有开发价值的新能源。近十几年来，我国政府加快了风电的开发，还引进了国外生产的、技术先进的大型风力机，组建风电场，促进了我国风电事业的发展。

　　按装机容量分，风力发电机有小型、中型、大型、特大型系列。小型风力发电机容量为0.1~1 kW，中型风力发电机为1~100 kW，大型风力发电机为100~1000 kW，特大型风力发电机为1 000 kW以上。几乎所有类型的发电机都用到风力发电中，最常见的有同步、异步、直流和永磁发电机。最近，国外特大型风力发电机用永磁外转子无刷直流发电机的较多。

　　工农业生产

　　在工农业生产中，绝大部分机械设备以各类电动机为动力。这些电动机大都以配电变压器作为电源，而那些远离电网的机械或者是移动设备，则常常采用柴油发电机作为电源。在机床、轧钢机、鼓风机、印刷机、水泵、抽油机、起重机、传送带、生产线等设备上，大量使用中小功率的感应电动机。这是因为感应电动机简单可靠、维护方便、成本低。感应电动机占所有电气负荷功率的60% 以上。近年来各类新型电动机所占比例也开始增加。

　　一、机械、冶金、轻工、化工

　　机械制造厂中的机床，从传统的车床、铣床、刨床、磨床、冲压机，到现代化的数控机床和自动生产线，全部采用申电动机作为动力。而车间的天车等辅助设备也全部都用由动机作为动力。即便是一些液压设备，其油泵也是用电动机驱动的。大利机械加工厂最常用的龙门铣床，是驱动各个铣刀旋转的电动机，其实，这台机床还有很多其他电动机，如驱动床血往复动的电动机横梁升隆电动机。水平刀架横向运动和垂直刀架纵向运动的丝杠电动机、水平刀架垂直运动和垂直刀架水平运动的电动机以及冷却水泵电动机等。

　　在高速磨床中，主轴电动机的转速高达数万转/分，造纸厂粉碎木材制造木浆的电动机转速可能只有几转/分。在电动工具中，大量用到调速比较方便的串激式交流电动机。而现代数控机床则可能用到各类步进电动机和直线电动机。在自动化生产程度高的企业中，工业机器人的运动控制更是要用到很多伺服电动机。

　　在钢铁厂的轧机上，传送钢锭的辊道要用到大量轧辊电动机。轧辊用的电动机与吊车用的电动机都需要特殊的机械特性，如高起动转矩、高过载能力等，因此被称为起重冶金电动机。生产热轧钢板的轧钢机，推送钢板的辊道由众多的轧辊电动机驱动。

　　在化工厂中.水泵、风机.盘车，轴流风机都是电动机驱动的设备。由于生产的产品可能有易燃易爆气体，所以很多电动机是隔爆型电动机。在化工厂各种管道上阀门是不可缺少的，其中小型自动阀门多数是电磁阀(由电磁线圈和衔铁构成，也可以看做是一种电动机)驱动的，而大型的电动球阀、电动蝶阀等需要较大的转矩，所以都是旋转电动机驱动的，称为电动阀门。

　　在轻工生产中，同样用到大量电动机驱动的机械设备。如世界最早的直线电动机就用于驱动纺织机的梭子，又如造纸厂的大型碎木机一般使用低速大转矩的同步电动机驱动。

　　二、矿山与油田

　　矿山用的轨道列车一般都是电力牵引的，可用于煤矿、矿山、林区等的窄轨运输。也有一些不具备架线供电条件的小矿井，可采用蓄电池供电矿车或柴油机发电 -电动机驱动的矿车。为了调速方便，大型运载轮胎车辆大部分采用柴油发电机-牵引电机传动。目前.在越来越多的露天矿，为了节能环保，采用直接用电缆供电的大型挖掘机。

　　油田钻井设备一一般都是由柴油发电机驱动电动机作为动力的。现代钻井技术开始依赖于精确的轨道控制技术.即为了使几干米的钻排不发生偏斜，目前出现了随钻测量技术甚至带有可控制钻探方向的钻头。由于钻杆可能长达几千米，钻井时间持续很长，钻头的传感器和导向电动机需要的电能无法从地面输送，而电池也无法维持长时间供电，所以出现了安装在钻杆前端的小型"随钻发电机"。发电机的原动机是钻头泥浆泵驱动的涡轮机，发电机输出的电能可以供给传感器和可导向钻头的驱动电动机。这样，钻头就好像一枚向地下缓慢"发射"的"导弹"，在钻井过程中会自动导向。

　　开采石油的抽油机，由于最大负荷与最小负荷的差值很大。在一个冲程中有很长时间是经载，所以大马拉小车的问题突出，为了节能，需要采用变频电动机作为动力。

　　三、港口 、物流中心

　　在现代港口，为了节能减排的目的和调速的方便，越来越多的机械采用交流变频电动机驱动.如桥式起重机/卸船机.轨道式龙门起重机，轮胎式龙门1起重机，轮胎式单壁回转起重机，传送带、港口电动车等。以某电传动龙门式集装箱起重机为例，其龙门架走行。小车走行。卷扬机升降等，全部由电动机驱动，电动机的电源来自其自带的柴油发电机。

　　四、建筑与路桥建设

　　建筑设备中大量使用电动机作为动力。如塔式起重机的起升、回转、变幅机构，甚至收放送电电缆的电缆卷筒，全部由电动机提供动力。在高层建筑中电梯、滚梯是靠电动机电引的，宾馆的自动门、旋转门也是电动机驱动的，而建筑的供水、供暖、通风等需要水泵、鼓风机等，这些设备也都是电动机驱动的。电梯用新型永磁曳引电动机，由于永磁电动机的调速性能好，可以取变速机构.使整个系统得到简化。目前很多新律筑的由说都采用这种曳引电动机。

　　在现代化的铁路建设、高速公路建设、桥梁建设中，大量使用架桥机、铺路机等巨型设备。挖掘铁路隧道和地铁隧道的盾构机，其最重要的部件-—刀盘，最早是由液压控制，现在越来越多地采用变频电动机驱动，如某型号的盾构机刀盘。就是由8 台 55kW 变频电动机驱动的，采用变频电动机后，不仅后续设备少，还具有更大的起动力矩和较小的起动冲击。

　　五、农牧渔业

　　在农业生产中，随着现代化水平的提高，电动机的用途也越来越多，例如农田的排灌设备、粮食加工机械;又例如温室的自动卷帘机、自动行走喷灌设备、通风设备等。在畜牧业中，电动挤奶机、电动剪羊毛机是最常用的设备。在渔业生产中，电动投饲机可以大大减轻劳动强度，种类繁多的电动增氧机可以增加鱼塘水中溶氧量，是现代鱼虾养殖，特别是高密度养殖以及活鱼运输的必要设备之一。

　　交通运输业

　　一、电力机车与城市轨道交通

　　1842年，英国的罗伯特·戴维森在爱丁堡至格拉斯哥的线路上利用玻璃槽式电池作为动力源，制作了1台5∶重的电动车辆，用整流子式电动机驱动车辆运行。1879年5月31日前在德国柏林举办的世界贸易博览会上.西门子和哈尔斯克公司展出了世界上第一条电气化铁路。除了电气化铁路以外，现代内燃机车绝大多数也是由电动机驱动的，城市轨道交通系统则无一例外地采用电牵引。

　　机车电传动实质上就是牵引电动机变速传动技术，用直流电动机或交流电动机均能实现。由于直流电动机固有的缺点，20世纪下半叶以来，实现了通过大功率变频变压变流器进行交流驱动，从而使以交流驱动技术为核心的交流传动机车和直交传动机车得到了充分的发展。目前世界上的电力奎引动力已转向以交流传动为主体。因此，不久的将来.直流牵引电动机将要完全让位于交流牵引电动机。

　　普通列车只有机车是有动力的(动力集中)，而高速列车的牵引功率大，动力集中在机车上已经满足不了需要，所以一般采用动车组(动力分散)方式，即部分或全部车厢的转向架也有牵引电动机作为动力。

　　二、内燃机车

　　内燃机车虽然装有柴油机，但柴油机并不直接驱动车轮，而是通过电传动或液力传动带动车轮旋转。由于液力传动结构和控制比较复杂，目前国内外的内燃机车基本上都采用电传动方式。电传动内燃机车的柴油机用来弧动一台发电机 把产生 的电力送给电动机，电动机再带动牵引齿轮，使机车车轮转动。这种传动方式和电力机车的驱动方式实质上是—样的，所不同的是电力机车和城市电车—样.电流从架在上空的接触网上马来.而电传动内燃机车则自身备有"电站"，不依赖外界电源。

　　高速内燃机列车也可以做成动车组的形式。电传动内燃机车的特点是不需要长距离供电、输电损失小、热效率高、自备"电站"的电压可以调节、能比较充分地发挥电动机的功率、恒功率特性比较好。

　　电力传动根据电机型式的不同，可分为直流-直流电力传动、交流-直流电力传动、交流-直流-交流电力传动等类型。

　　三、船舶

　　船舶目前绝大多数还是内燃机直接推进的，内燃机通过从船腹伸到船尾外部的粗大的传动轴带动螺旋桨旋转推进。因为柴油机主机、齿轮传动装置、轴系和舵等设备的布置，使所有其他船舶机械和船体形状的设计都要受其制约，因此占用空间和面积很大。而新型的内燃机-电力推进的舰船则与现代内燃机列车在传动方面有相似之处，即都是由内燃发电机组发电，供给电动机驱动舰船前进。

　　内燃机-电力推进装置允许船舶设计有较大的灵活性，因为柴油发电机在机舱中的布置拥有较大的自由度。但是这种传动方式的电动机轴系所占空间大的不利因素依然存在。国外最新的推进技术是采用吊舱式电力推进装置(Podded Propulsion)。

　　这种方案充分发挥了电动机的特点，在规定的船舶尺度或船舶尺度减小的情况下，扩大了装载容积，省去了舵、轴系、轴毂和导管推进器。而且.由于采用永磁电动机或超导电动机，直接通过吊舱向海水散热，不需要外部冷却装置，从而使电动机体积更小，效率提高 10% 以上。吊舱式电力推进装置的噪声和震动特别低，提高了船舶的安全性，操作简便.当船在水中时也可进行安装及拆卸工作，可以360°转动，也可以安装双桨叶，全速停车时间降低到最短程度。

　　四、汽车

　　不仅电动汽车要用电动机驱动车轮.而且在内燃机驱动的汽车上，从发电机、起动机到雨刷，音响.都要用到大大小小的电机。—辆现代化的汽车，可能要用到几.十台甚至 上百台由电动机(如图2-26所示)。例如，传统汽车采用弹簧或液压(被动)减震系统.现代高级汽车已经开始采用直线电动机(主动)减震系统，这种系统由计算机根据传感器检测到的路面情况，主动地控制直线电动机的伸缩来减少车辆震动，使汽车在颠簸的路而上也可以行驶得非常平稳。

　　五、电动汽车

　　电动汽车在一百多年前就已经出现，由于当时电池和电机的发展比内燃机成熟，而且石油的运用还没有普及，使电动汽车在早期的汽车领域中占有举足轻重的位置。一般认为.世界上第一辆电动汽车于1881年诞生，发明人为法国工程师古斯塔夫·特鲁夫，这是一辆用铅酸电池为动力的三轮汽车。此后三四十年间，电动汽车一直占据汽车中的重要位置。但是，随着石油工业的发展和内燃机技术的提高.电动汽车在行驶里程和速度方面无法与内燃机汽车竞争，所以在1920年之后渐渐地失去了优势，由内燃机驱动的汽车所取代。从 20世纪下半叶开始，由于世界能源问题和环境问题日益严重，各国又开始大力加强对电动汽车的研究开发。

　　目前的电动汽车主要包括两大类，即纯电池动力汽车(简称为纯电动车)和混合动力电动汽车(简称为混合动力车)。

　　纯电动汽车一般采用高效率充电电池或燃料电池为动力源，无需再用内燃机，因此，纯电动汽车的电动机相当干传统汽车的发动机.蓄电池相当于原来的油箱。由于由能是清洁的能源，血目既可以由传统一次能源(如火电厂的煤和石油)转换而来。也可以由新能源或清洁能源(水电厂的水能、风电、太阳能等)转换而来，因此具有非常优越的节能环保性能。

　　虽然纯电动汽车已经不能算是"汽"车，但由干用电动机驱动的车辆很多，如轨道交通车辆、电瓶车、电动自行车等，所以为了区别，仍用"电动汽车"指电动机驱动的小客车和大客车。

　　由于目前电池的功率密度与能量密度较低，纯电动汽车的一一次充电行驶里程难以满足需要，所以内燃机与电机联合提供动力的混合动力车得到更多的关注，这类车辆可以在城市采用纯电动模式，在郊区采用燃油模式，可以有效降低城市的碳排放。

　　普通的混合动力车有串联式、并联式与混联式三类。串联式由内燃机带动发电机发电，世给牵引由动机驱动车轮。同时向车载电池充电.内燃机不直接驱动车轮。这种混合动力车也称为"增程型混合动力车"，因为从电动车的观点来看。内燃机仅用于发电以补充电池能量的不足，从而增加了电动汽车的里程。

　　显然这种车辆的节能和减排作用都不明显，目前已经很少采用。并联型混合动力车的内燃机与电动机都可以驱动车轮，在内燃机驱动的情况下.电动机转为发电机运行，或在车辆减速和制动时发电以节能。混联式同时拥有功率相当的内燃机与电动机.兼具并联式及串联式的功能及特性。

　　普通混合动力车的电池主要靠车辆的内燃发电机充电，不经常从电网直接充电，这样就不会显著节约燃油.虽然可以减少城市中碳排放.但总的大气排放并没有减少为了解决这个问题，近年来又出现了插电式混合动力车(Plugin Hybrid-PHEV)，其动力电池既能由车载发由机充由。

　　又能堂外部由源充电。结合了混合动力车与纯电动汽车的优点.既不像纯电动汽车那样只靠充电站才能补充能源。也不必仅依赖车上的内燃发电机充电.所以该系统电池可以更大。由于更多地使用电力驱动，车辆的总碳排放大大减少，续航里程也明显增加，当然，这也带来了必须在道路上设置充电站的问题。雨电式混合动力车一般是并联型或混联型。

　　目前电动汽车的驱动电动机主要有直流电动机、异步电动机、永磁无刷电动机.开关磁阻申动机等。这些电动机各有优缺点.但从发展来看.永磁无刷电动机体积小重量轻 节能效果好、可以做成特殊形状(如直接安装在轮毂上)).因此一般认为前景最好。目前永磁电动机还存在成本较高、使用不当容易退磁的缺点。

　　除了传统的电动汽车之外，近年来电动自行车、老年电动代步车、残疾人代步车发展得也非常快。目前一种被称为"思维车"(Segway)的自我平衡电动两轮车以轻便，简易.机动性强的特点深受欢迎，被广泛用干户外运动;还出现了两轮越野车和两轮高尔夫球车，甚至用于警察执勤。为了节能和减少碳排放，最近国外开始试验一种带有受电弓的柴油机-电动机混合动力公路货车，在高速公路上架设接触网，集装箱货车进入高速路后即升起受电弓，像无轨电车一样运行，只不过车辆速度远高于城市无轨电车，所以采用了类似火车的受电弓。

　　六、磁悬浮列车驱动

　　磁悬浮铁路系统是一种新型的有导向轨的交通系统，主要依靠电磁力实现传统铁路中的支承、导向和牵引功能。由于运行的磁悬浮列车和轨道之间无机械接触，从根本上突破了轮轨铁路中轮轨关系和弓网关系的约束，因而磁悬浮列车可以比轮轨铁路更经济地达到较高的速度(400~580 km/h)，且对环境的影响较小。低速运行的磁悬浮列车，在环境保护方面也比其他公共交通工具有一定优势。

　　由于不能通过轮子将转矩传递给钢轨，磁悬浮列车都是由直线电动机驱动的。在高速磁悬浮列车上一般采用同步电动机;在低速磁悬浮列车上一般采用异步电动机(感应电动机)。高速磁悬浮列车的同步直线电动机又分为两种，一种是常导直线电动机，一种是超导直线电动机。采用超导电动机可以使定、转子间的气隙大大增加但能源消耗却不明显增加。

　　七、直线电动机轮轨车辆驱动

　　直线感应电动机牵引车辆是介于轮轨与磁悬浮车辆之间的一种方案，兼有轮轨安全可靠和磁悬浮非黏着牵引的优点，目前世界上已经有十多个城市建成直线电动机轮轨地铁线路，我国广州也已经开始建设，北京首都机场线也采用了直线电动机方案。

　　医疗、办公设备与家用电器

　　在医疗器械中，电动机几乎无处不在，如心电机、X光机、CT、牙科手术工具、渗析机、呼吸机、电动轮椅等等，都离不开电动机作为动力;而人工心脏等人造器官，也常常用到微电动机驱动。图2-34 所示是永磁无刷电动机驱动的左心室轴流式血泵。

　　在办公设备中，计算机的 DVD驱动器、CD-ROM、磁盘驱动器主轴都采用永磁无刷电动机，打印机、复印机、传真机.碎纸机电动卷笔刀等都用到各种电动机计弯机硬盘与 DVD驱动器，需要两个电动机，一个驱动主轴旋转(一般是永磁无刷电动机).另一个控制磁头/激光头的运动(音圈电动机或步进电动机)。

　　在家用申器中.只要有运动部件，几平都离不开电动机，如电冰箱和空调器的压缩机、洗衣机转轮与用干简、吸尘器、电风扇、抽油烟机.微波炉转盘、DVD机.磁带录音机 录像机摄像机、全自动照相机、吹风机、按摩器、电动剃须刀、电动牙刷、搅拌机、开罐机、电钟等，不胜枚举。

　　航空、航天、国防

　　美国最近投入使用的航空母舰用直线感应电动机飞机助推器取代了传统的蒸汽助推器，不仅减小了体积，而且推力大大增加。目前，国外正在试验用直线电动机直接发射航天飞机.称为"太空电梯"，如能成功，可以节约大量燃料，并有利于环保。在全电舰船与战车上，从推进到炮塔都是靠电动机驱动的。军用雷达等更是要用各种电动机进行旋转驱动和控制。

　　在航空器中，目前的一个发展趋势是用电磁执行器取代传统的液压、气动执行器。执行器(Actuator)也称驱动器，是指采用电、气或液体产生驱动作用的机构器件或装置。利用电磁力产生驱动力的执行器称为电磁执行器，其主体是各种电动机。与传统执行器相比，电磁执行器可以提高控制精度、减少响应时间，增加可靠性。战斗机机翼上采用的一种电磁执行器，它通过永磁电动机旋转带动螺杆运动，起到类似液压杆的作用。

　　由于驱动器大部分用在高度自动化的设备上，因此对体积的要求很严格。而传统电动机与液压、气动驱动器相比体积较大，因此，过去电磁驱动器使用比较少。近年来，由于材料科学的发展为电磁驱动器的制造提供了各种高磁能积的永磁材料，实现了驱动器的小型化;电力电子技术的发展又为电磁驱动器的控制提供了保证，因此永磁电磁驱动器得到越来越广泛的应用。

　　例如：过去飞机基本上都采用液压驱动器控制升隆能，方向舵等，现在新利飞机采用电磁驱动器，使得控制系统大大化简，响应速度明显提高。汽车也是一样.现在越来越多地用电磁驱动器取代液压驱动器，因为电磁驱动器的控制是通过导线，而不是油管，所以在汽车上称为"线控"。

　　电机在其他领域的应用

　　除了上述领域外，在其他方面，电机的应用也是不胜枚举，譬如，在文化、体育领域中的演出设备(如电影放映机、旋转舞台、移动布景等))、运动训练设备(如电动跑步机，电动液压篮球架、电动发球机等)、家具、游乐设备(如缆车、过山车等)以及电动玩具。