電動機（Electric motor）是把電能轉換成機械能的一種設備，它利用通電線圈（也就是定子繞組）產生旋轉磁場并作用于轉子（如鼠籠式閉合鋁框）形成磁電動力旋轉扭矩。電動機按使用電源不同分為直流電動機和交流電動機，電力系統中的電動機大部分是交流電動機，可以是同步電機或者是異步電機（電機定子磁場轉速與轉子旋轉轉速不保持同步速）。電動機主要由定子、轉子和其它附件組成，通電導線在磁場中受力運動的方向與電流方向和磁感線（磁場方向）有關，其基本工作原理遵循電磁感應定律，電動機工作原理是磁場對電流受力的作用，使電動機轉動。電動機廣泛應用于各類場合，如電車、電力機車、風機、水泵和機床等設備的動力源。
歷史沿革
在現代電磁電機出現之前，人們研究了通過靜電力工作的實驗電機。最初的電機原型是在1740年代由蘇格蘭僧侶安德魯·戈登（Andrew Gordon）進行的研究工作中被制造的。美國實驗家本杰明·富蘭克林（Benjamin Franklin）在實驗中研究電的性質，提出電荷守恒定律。電機背后的原理由亨利·卡文迪許（Henry Cavendish）發現，他認為電荷之間的作用力可能呈現與距離的平方成反比的關系，后來該定律由查爾斯-奧古斯丁·德·庫侖 （Charles-Augustin de Coulomb）通過實驗證明，成為庫侖定律。
意大利科學家亞歷山德羅·伏特（Alessandro Volta）于 1799 年發明化學電池，建立了一個能夠產生明顯電流的電池組，使持續電流的產生成為可能。丹麥物理學家漢斯·奧斯特（Hans Christian Oersted，1777—1851）于 1820 年發現電流會產生磁場，磁場可以對磁鐵施加力，這是電動機的原理雛形。1801～1803年去德、法等國訪問，結識了許多物理學家及化學家。1806年起任哥本哈根大學物理學教授，1815年起任丹麥皇家學會常務秘書。1820年因電流磁效應這一杰出發現獲英國皇家學會科普利獎章。奧斯特1829年起任哥本哈根工學院院長。1851年3月9日在哥本哈根逝世。他曾對物理學、化學和哲學進行過多方面的研究。
受電流磁效應的啟發，安德烈·安培（André-Marie Ampère）認為兩個通電導體之間也一定存在著力的作用，提出安培定則。此后，安培研究了電流對電流的作用，即電流產生磁效應，提出了兩個電流元之間的作用力與距離平方成反比的公式，即著名的安培定律。漢斯·奧斯特曾發現如果電路中有電流通過，那么它附近的普通羅盤的磁針就會發生偏移，1821年，英國物理學家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）從中得到靈感，認為假如磁鐵固定，線圈就可能會運動，在此思路引導下，觀察到載流導體在磁場中受力的現象，并迅速地研制出了一種早期電機，能夠將直流電能轉化為機械能。經過多次試驗，法拉第于1831年提出了電磁感應定律，并成功發明了世界上第一臺真正意義上的電動機，盡管這些類似的單極電機直到世紀末仍不適合實際應用。
1831年，美國科學家亨利（Joseph Henry）發明了第一臺往復式電動機。1832年，英國物理學家威廉·斯特金（William Sturgeon）采用電磁感應原理，發明了第一臺能夠轉動機械的換向器直流電動機。繼斯特金的工作之后，美國發明家夫妻托馬斯·達文波特（Thomas Davenport）和艾米麗·達文波特（Emily Davenport）制造出首臺實用的電池供電直流電動機。這些電機被用于運行機床和印刷機，但由于電池電源成本高昂，電機并未取得商業上的成功。1833年，德國發明家里奇（Wilhelm Reich）設計出第一臺旋轉式電動機。然而電動機離實際應用還需要進一步研究。德國工程師雅柯比（Jacobi）在1835年使用電磁鐵代替永磁鐵制造了一臺電動機，在此基礎上，他在三年后又創造出了能夠驅動14人坐的小艇的直流電動機，從而推動電動機實用化的發展。
在接下來的幾十年里，許多發明家改進了電動機，開發出更高效、更強大的設計。1834年至1870年間，電機研究領域出現了三項關鍵技術創新。首先，用電磁線圈代替了永磁體。其次，德國科學家西門子股份公司兄弟（W.Siemens & C.W.Siemens）在1866年用蓄電池研制出了自勵發電機。最后，法國物理學家格拉姆（Gramme）在1870年引入了用于電樞的環形線圈。
一個重要的轉折點出現在1864年，當時安東尼奧·帕西諾蒂（Antonio Pacinotti）首次描述了環形電樞，這種對稱分布的線圈自身封閉并連接到換向器上，通過換向器的電刷提供非脈動的電流。1871 年，澤諾貝·格拉姆（Zénobe Gramme）重新設計了帕西諾蒂提出的環形繞組，并實現了第一臺商業應用的環形繞組直流電機。1873年，德國工程師海夫納·阿爾泰涅克（Hefner?Alteneck）發明了鼓形線圈，這大大提高了電線的利用率。同年，比利時人格拉姆發明了大功率電動機，電動機從此開始大規模用于工業生產。1880年，美國發明家托馬斯·愛迪生（Edison）發明了一種疊層鐵芯，以進一步減少磁芯損耗和降低線圈溫度，這種設計一直沿用至今。1886年，英國物理學家霍普金森兄弟（J.Hopkinson & E.Hopkinson）建立了歐姆定律。1891年，直流電樞繞組理論的提出，使電動機的研究和設計更加科學。
交流發電機的發展導致了交流電動機的發明。1825 年，法國物理學家弗朗索瓦·阿拉戈（Fran?ois Arago）提出了旋轉磁場的存在，利用金屬圓環的旋轉，使懸掛其中的磁針產生了偏轉，這一現象展示的就是多相感應電機的工作原理。1832年，俄羅斯物理學家楞茨（H.F.E.Lenz）建立了楞茨定律，弄清了電動機和發電機的可逆性。1879 年，英國人拜依萊（Walter Baily）采用依次變動4個磁極上的勵磁電流的方法，首次用電的方式獲得了旋轉磁場。1882年，南斯拉夫社會主義聯邦共和國裔美國物理學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）開始研究交流電動機，提出了旋轉磁場的原理，并制造了異步交流電動機模型。1883年，霍普金森發明了同步電動機。1885年，意大利物理學家費拉里斯（Lilio Ferraris）提出兩相交流感應電動機的模型。1886年，特斯拉制成了曲相繞線式交流異步電動機模型。1888年，特斯拉發明了交流電動機，又稱感應電動機。
1891年，在法蘭克福展覽會上，德國工程師多利沃（Dolivo）演示了使用他發明的帶有大旋轉磁場的三相感應電動機進行長距離電力傳輸，這種類型的電機隨后在歐洲和美國大量生產和廣泛使用。通用電氣和西屋電氣公司積極參與三相感應電動機的研制，兩家公司于 1896 年簽署了感應電動機專利的交叉許可協議,進一步加快了三相感應電動機的商業應用進程。三相電動機因結構簡單，工作可靠而得到了大量應用。到 20 世紀初交流三相制在電力工業中已占據絕對的統治地位。
我國電動機生產開始于1917年，該行業在國內已經形成比較完整的產業體系。
常用分類方式
按工作電源種類
按結構和工作原理
其他分類方式
組成結構
定子
定子是電動機的靜止部分，作用是給繞組轉動的區域提供一個穩定磁場并作為電機的機械支撐。直流電動機的定子由主磁極、機座、換向極、端蓋、軸承及電刷裝置等組成。交流電動機的定子由機殼、定子鐵芯、定子繞組三部分組成。
主磁極
主磁極的作用是產生恒定的主磁場，由主磁極鐵芯和套在鐵芯上的勵磁繞組組成。鐵芯的上部稱為極身，下部稱為極靴。極靴的作用是減小氣隙磁阻，使氣隙磁通量沿氣隙均勻分布。鐵芯通常用低碳鋼片沖壓疊成，其目的是減小勵磁渦流損耗。
機座（機殼）與端蓋
機座由鑄鋼或厚鋼板制成，作用是為電動機提供機械支撐和承載磁場繞組產生的磁通量，同時作為各磁極間的磁路，并起散熱作用。直流電動機的機座（磁軛）是磁路的一部分，機座內安裝主磁極和換向磁極。交流電動機的機殼內圓中固定著鐵芯，機殼的兩頭端蓋內固定軸承，用以支承轉子。機座的兩端各有一個端蓋，用于保護電機和防止觸電。端蓋固定在機座上，主要起支撐作用，其上放置軸承支撐直流電機的轉軸，使直流電機能夠旋轉，一般為鑄鋼件。
換向極
換向極又稱為附加極或間極，其作用是產生附加磁場，改善直流電機的換向，減少電刷與換向器之間的火花。它裝在相鄰兩個主磁極之間，由換向極鐵芯和換向極繞組構成。換向極鐵芯比主磁極的簡單，一般由整塊鋼或鋼板加工而成；換向極繞組與電樞繞組串聯。
電刷裝置
電刷裝置主要由電刷、刷握、刷桿及刷桿座等部件組成，其作用有兩個，一是使轉子繞組與電動機外部電路接通；二是與換向器配合，完成直流電動機外部直流電與內部交流電的互換。
定子鐵芯和定子繞組
定子鐵芯一般由0.35~0.5 mm厚、表面具有絕緣層的圓環形硅鋼片沖制、疊壓制成，以提供磁通量的通路。鐵芯內圓中有均勻分布的槽，槽中安放定子繞組。定子繞組是電動機的電流通道，一般由高強度聚漆包銅線繞成。三相異步電動機的定子繞組有3個，每個繞組由若干個線圈組成，線圈與鐵芯間墊有青殼紙和聚酯薄膜以絕緣。
轉子
轉子是電動機的旋轉部分。直流電動機的轉子又稱為電樞，其作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，以實現能量轉換，包括轉子（電樞）鐵芯、轉子（電樞）繞組、換向器、轉軸和風扇等。交流電動機的轉子結構可分為籠形（以前稱鼠籠形）和繞線形兩類。籠形轉子較為多見，主要由轉軸轉子鐵芯、轉子繞組等組成。
轉子鐵芯
電樞鐵芯是電機主磁路的一部分，電樞鐵芯圓周上有均分布的槽里面可嵌入電樞繞組。為了減少電機旋轉時由于鐵芯中的磁通量方向發生變化引起的渦流損耗和磁滯損耗，電樞鐵芯通常用0.35~0.5mm 厚的表面涂有絕緣層的硅鋼片沖壓疊成，固定在轉子支架或轉軸上。交流電動機的轉子鐵芯通常在硅鋼片外圓上沖有若干個線槽，用以澆制轉子籠條。
轉子繞組
直流電動機中電樞繞組的作用是產生感應電動勢和電磁轉矩，從而實現電能和機械能的相互轉換，它是由許多形狀相同的線圈按一定的排列規律連接而成。每個線圈的兩個邊分別嵌在電樞鐵芯的槽里，在槽內的這兩個邊稱為有效邊。
交流電動機中轉子繞組是按一定規律繞制和連接起來的線圈組，轉子繞組可分為籠型和繞線型兩種，籠型異步電動機的轉子繞組由插入轉子槽中的多根導條和兩個環形端環組成，若去掉轉子鐵心，整個繞組外形像一個鼠籠，故稱籠型繞組；該繞組有銅條和鋁鑄兩種形式，將轉子鐵芯的線槽內澆鑄鋁質籠條，再在鐵芯兩端澆鑄兩個圓環，與各籠條連為一體，就成為鑄鋁轉子。
換向器
換向器又稱為整流子，由換向片組合而成，是直流電機的關鍵部件，它與電刷配合，在直流電動機中能將電樞繞組中的交流電動勢或交流電流轉變成電刷兩端的直流電動勢或直流電流。
轉軸和風扇
轉軸一般用中碳鋼制成，兩端用軸承支承，轉子鐵芯和繞組都固定在轉軸上，在端蓋的軸上裝有由電動機本身驅動的風扇，通過供給冷卻空氣幫助外殼及電動機內部散熱。
工作原理
直流電動機工作原理
直流電動機具有把電能轉化為機械能的能力，它的基本原理是根據電磁感應定律，在特定的情況下，被電磁力驅動的通電導體會在磁場環境下移動。N、S是一對固定的磁極，也就是定子，它把外部DC電源的正極附于電刷A上，而把負極附于電刷B上，這樣，線圈就會產生電流。從左手螺旋定律中可以看出：由于電磁力的作用，導線ab和cd產生的扭矩是相同的。這個力矩是逆時針的，所以電樞就會沿著該方向轉動。
直流電動機通過換向器和電刷來使得電樞繞組中的電流在交變的方向上流動，但是由電樞所引起的電磁場的轉動是不會改變的，這保證了電機在一定的角度上持續地轉動。直流電動機的工作機理是通過外部施加的電壓使其在導線內產生電流，而在磁場中，負載導線會受到電磁力的影響，但因換向器的干預，確保了電機的轉矩保持恒定，從而實現了直流電機的持續轉動，將直流電力轉化為機械能量輸出。
交流電動機工作原理
交流電動機也具有能量轉換的能力，它的基本原理也是根據電磁感應定律，通過產生旋轉磁場和感應電動勢等相互作用過程，將電能轉化為機械能，以同步交流電動機和感應電動機為例介紹其工作原理。
感應電動機原理
如三相異步電動機在正常運轉時，其轉速總是低于同步轉速，因而成為異步電動機，又因為產生電磁轉矩的電流是電磁感應所產生的，所以稱為感應電動機。其定子繞組是一個空間位置對稱的三相繞組，當通電于交流電動機的定子繞組時，會在定子內部產生一個恒速旋轉的磁場，稱為旋轉磁場，它是異步電動機工作的基本條件。產生在空間旋轉合成磁場，其方向與電流相序一致，磁場轉速（同步轉速）與電流頻率有關。靜止的轉子繞組與定子旋轉磁場之間相對運動，在轉子繞組中產生感應電動勢，并在形成閉合回路的轉子繞組中產生感應電流，轉子電流在旋轉磁場中受到磁場力的作用在轉軸上形成電磁轉矩，從而驅動電機轉子轉動。電磁轉矩的方向與旋轉電動勢同方向，轉子便在該方向上旋轉起來。
同步電動機原理
同步電動機的工作原理是通過定子旋轉磁場的轉速和轉子的磁場轉速相等來實現恒速運轉。氣隙的旋轉磁場與轉子勵磁磁場之間存在一空間角度，兩者相互吸引，拉著轉子同方向、等速地旋轉。只要轉子軸上的負載轉矩小于定子、轉子磁極間的吸力產生的轉矩，電機就能以恒定轉速穩定運轉。由于旋轉磁場與轉子的恒定磁場在空間相對靜止，故在兩磁極的氣隙間形成的磁場實際上是旋轉磁場與轉子的恒定磁場兩磁通綜合而成的合成磁場。
由于旋轉磁場與轉子的恒定磁場在空間相對靜止，故在兩個磁場之間形成的磁場實際上是旋轉磁場與轉子磁場兩磁通量綜合而成的合成磁場。電機中定子旋轉磁場的磁通勢稱為電樞磁動勢，由直流勵磁電流所產生的轉子磁動勢稱為勵磁磁動勢，兩種磁動勢以同步轉速旋轉，在空間相對靜止，但也存在一個如上所述的空間角度。當轉子軸上的負載或勵磁發生變化時，可造成空間角度的變化，但是電機的轉速始終與定子旋轉磁場的轉速保持同步不變，這也是同步電動機名稱的由來。
相關公式定理
磁感應強度
電動機的工作原理公式基于法拉第電磁感應定律。反映磁場強弱的物理量為磁感應強度（Magnetic Induction），用向量B來表示，定義為：B=Fm/qv，磁場中某點的磁感應強度，在數值上等于單位正電荷以單位速度通過該點時所受到的最大磁場力，其方向根據右手螺旋定則，由正電荷q在該點所受的最大磁力F和速度的方向來確定。
洛倫茲力
這樣，以實驗為基礎定義該描述磁場的物理量，即磁感應強度。按照這種定義，有關系式Fm=qv × B，此即運動電荷的洛倫茲力公式。在國際單位制中，按上述定義，磁感應強度的單位定為N /A·m，用特斯拉（T）表示。
安培定律
安培定律是電動機的基本原理，磁場對載流導線的作用力即磁力，通常稱為安培力，其基本規律是安培由大量實驗結果總結出來的，故稱為安培定律，內容如下：將一載有電流I的小段導線dL，即電流元IdL置于磁場B中，將受到磁場的作用力dF，dF的大小與電流I、電流元的長度dL、磁感應強度B的大小以及與IdL和B間夾角的正弦成正比，即dF=kdLIBsinθ。dF的方向垂直于IdL與B所組成的平面，指向按右手螺旋法則確定，即dF的方向為IdL × B的方向。式中θ為電流元IdL與磁場B的夾角，在國際單位制中k=1，把上式寫成向量式dF =ldL × B，計算一給定載流導線在磁場中所受的安培力時，必須對各個電流元所受的力dF求矢量和，即F=BLI。
力矩計算
邊長分別為L1、L2剛性矩形線圈置于磁感應強度為B的均勻磁場中，電流為I。當線圈磁矩的方向en與磁場B的方向成角度φ（線圈平面與磁場的方向成θ角，φ+θ=π/2）時，由安培定律知導線BC和DA所受的安培力的大小分別為F1=BIL1sin(π-θ)和F2=BIL1sinθ。這兩個力在同一直線上，大小相等，方向相反，其合力為零。而導線AB和CD都與磁場垂直，它們所受的安培力分別為F3和F4，其大小為F3=F4=BIL2，F3和F4大小相等，方向相反，但不在同一直線上，形成力偶，會產生旋轉。因此，載流線圈所受的磁力矩M為：M=BISsinφ，其中，S=L1L2，表示線圈所圍面積。
性能
常用性能指標
運行情況
當電動機在額定運行情況下輸出額定功率時，稱為滿載運行，這時電動機的運行性能、經濟件及可靠性等均處于優良狀態。輸出功率超過額定功率時稱為過載運行，這時電動機的負載電流大于額定電流，會造成繞組電流增加，繞組和鐵心溫度上升，將會引起電動機過熱，從而縮短電動機使用壽命，嚴重時甚至燒毀電動機并引發火災。電動機的輸出功率小于額定功率時稱為輕載運行，輕載運行時電動機的效率、相功率因數等運行性能均較差，電動機應盡量避免輕載運行。
性能比較
相關應用
電動機是一種將電能轉換成機械能，并輸出機械轉矩的動力設備。一般電動機可分為直流電動機和交流電動機兩大類。直流電動機其有良好的起動和調速性能且過載能力大等特點，適用于需要在寬廣范圍內平滑調速的場所，如電車、電力機車、軋鋼機、起吊設備及有特殊運行要求的自動控制系統中。
同步電動機和異步電動機有不同的優點和應用場景。同步電動機適用于要求長期連續工作、轉速保持不變的大功率負載場合（如活塞式和離心式水泵、離心式通風機等），但制造工藝復雜且不能自行起動。一般用于驅動不需要調速的大型機械設備，如大型空壓機、球磨機、風機、水泵等，小功率同步電動機也常應用于控制領域。同步電動機著采用變頻電源供電，也可以調速運行。
異步電動機中，單相電動機主要應用于功率需求較小的設備，常見應用場景包括日常生活設備、醫療器械、小型機床及部分工業設備的動力供應。三相異步電動機，特別是鼠籠式異步電動機，則具有結構簡單、堅固耐用、維護方便、起動容易以及成本較低等優點，廣泛用于工業系統做電力驅動設備，例如各類機床、水泵、風機、起重設備、加工設備等的動力源。它也存在一些缺點，如轉速不易調節，起動性能較差，所以對起動和調速要求較高的場合，異步電動機不如直流電動機。另外，異步電動機必須由電網供給激磁電流，增加了電力系統的無功負擔，造成系統的功率因數下降，為了改善功率因數常采用同步電動機。雖然調速特性和功率因數方面略遜于直流電動機和同步電動機。因此在一般應用場合下仍是應用最廣泛的電動機。
發展趨勢
參考資料 >
第五屆科技活動周 || 用創新點綴人生 讓科技放飛夢想.微信公眾平臺.2025-03-30
奧斯特(1777—1851).湖南人文科技學院.2025-03-30
科學偉人｜平民科學家：邁克爾·法拉第（Michael Faraday）.微信公眾平臺.2025-03-30
綠色經濟需要大量磁鐵.世界科學.2023-04-23