第七章 第四节 发电机和电动机

本节从能量转化的角度分析发电机和电动机的功能，基于电磁感应和安培力相关概念分别介绍发电机和电动机的基本原理及结构。通过对发电机和电动机的发明及在生产生活实践中的广泛应用的介绍，说明发电机和电动机是实现第二次工业革命的重要基础，以及电磁理论对科技发展和社会进步的巨大作用。

工业革命也称为产业革命，是指国民经济各部门广泛采用新技术，以及由此引起的经济发展和产业结构的根本变革。第一次工业革命发生在 17—18 世纪，牛顿力学的建立和热力学的发展导致了蒸汽机的发明，使人类进入蒸汽动力时代。第二次工业革命发生在 19 世纪中叶到 19 世纪末。法拉第发现了电磁感应现象，麦克斯韦创立了电磁理论，电磁理论的创立和发展推动了发电机、电动机、电器、电信设备等的发明和制造，使人类进入了电气时代。电力开始用于带动机器，成为补充和取代蒸汽动力的新能源。第三次工业革命发生在 19 世纪末到 20 世纪，相对论、量子论的创立和发展极大地拓宽和加深了人们对物质基本结构和基本性质的认识，导致现代的科学技术，如原子能、电子计算机、微电子技术、航天技术等发展。第四次工业革命是以人工智能、新材料技术、分子工程、机器人技术、量子信息技术、可控核聚变、清洁能源以及生物技术等为突破口的工业革命。

1．参考解答：不能实现发电机和电动机的连续运转。电动机和发电机的线圈都存在电阻，在运行过程中，通电线圈产生焦耳热，同时电动机和发电机的轴与轴承之间也存在摩擦阻力，克服摩擦阻力做功也将产生热。根据能量守恒定律，由于存在这些能量损耗，不可能实现发电机和电动机的连续运转。

命题意图：了解发电机和电动机的基本原理和能量守恒定律。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

2．参考解答：动车组在减速时不直接采用机械刹车，而是关闭电源，由于动车组具有惯性仍将继续行驶，此时磁场中的线圈随车轮一起转动，使线圈中的部分导线切割磁感线产生感应电动势，这时动车的电动机转变成发电机，把动车组的部分机械能转化为电能。采用此项技术能够节能环保，有利于提高电能利用率，降低动车的运行成本。

命题意图：了解电动机的实际应用，进一步理解其能量转化机理及节能设计。有利于形成节能环保观念。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

3．参考解答：手摇发电机的工作原理是电磁感应，线圈在磁场中切割磁感线产生感应电动势，线圈与小灯泡组成的闭合 回路产生感应电流使小灯泡发光若增加线圈的转动速度，线圈在磁场中切割磁感线的速度增大，感应电动势增大，使发电机的输出功率增加，小灯泡变亮；两个发光二极管极性相反的并联后再与手摇发电机电源输出端串联，两个发光二极管不会同时发光，而是交替发光，说明手摇发电机输出的是交变电流。

命题意图：有利于理解交流发电机的原理和输出交变电流的特点。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；模型建构（Ⅰ）。

4．参考解答：小型电扇的工作原理是通电线圈在磁体产生的磁场中受安培力作用绕轴转动；用手快速拨动风扇叶片，小型电扇中的线圈在磁场中切割磁感线产生感应电动势，小型电扇的电动机变成了小型发电机。

命题意图：有利于理解发电机和电动机的基本原理和能量守恒定律。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；模型建构（Ⅰ）。

5．参考解答：发电旋转门的工作原理是导体切割磁感线在闭合回路中产生感应电流，与发电机工作原理类似；发电旋转门的推门过程中将部分机械能转化为电能。

命题意图：了解节能发电装置，有利于形成节能环保观念。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；模型建构（Ⅰ）；社会责任（Ⅰ）。

6．参考解答：改变电流方向或改变磁场方向都会使电动机转动方向与原来相反。

命题意图：理解发电机和电动机的基本原理。

主要素养与水平：运动与相互作用（Ⅰ）；模型建构（Ⅱ）。

电动机

电动机俗称“马达”，是把电能转变为机械能的电机，分直流电动机、交流电动机、同步电动机和异步电动机等。

直流电动机是将直流电能转变为机械能的电机。直流电动机输入电流为直流的电动机，一般由具有换向器的旋转电枢和直流励磁的静止的磁场结构（磁极和励磁绕组）组成，原则上同一电机既可用作发电机，也可用作电动机。

交流电动机是将交流电能转变为机械能的电机。交流电动机输入电流为交流的电动机，可以是单相的或多相的，单相的多用于家用电器设备、农业机械和电力机车拖动中。多相的一般是对称的三相或两相。三相交流电机是电力工业的主要动力设备。两相交流电机多用于自动控制中。

同步电动机交流电动机的一种，转子一般制成凸极的，装有励磁绕组；通常还装有笼型绕组，以便起动。电源频率不变时，转子转速固定不变，同负载无关，常用在转速不变和改善功率因数的拖动中，也常用于拖动大型压缩机和轧钢机等冲击负载。无励磁绕组的凸极同步电动机，容量较小，常用在电子电位差计、磁带录音机、电影摄影机和放映机等设备中。

异步电动机亦称“感应电动机”，是转速异于同步转速的一种交流电动机。常用于定速拖动中。三相定子绕组接上三相电源后，就在其中产生旋转磁场并在转子绕组中感应电流。定子旋转磁场和转子电流相互作用形成转矩，使转子旋转。单相电动机则利用在辅助绕组中接入电阻或电容，形成旋转磁场以实现起动。转子结构分绕线式和笼型两种。绕线式电动机的起动转矩和起动电流，可通过转子电路中接入的电阻进行调节，以适应不同负荷的起动要求，并在适当范围内可以调速。笼型电动机的结构简单，售价低廉，维护方便，应用最广，可以直接起动，但起动电流较大。

交直流两用电动机励磁绕组和电枢绕组串联的小型的换向器电动机。定子铁芯由凸极的叠片组成，具有集中的励磁绕组。可运行于直流或单相交流系统。常用于家用电器（如缝纫机、吸尘器等）或电动工具（如电钻）中。

交流换向器电动机是转子带有换向器的交流电动机。交流换向器电动机的转速可平滑调节，调节范围很广，调节时，功率损失较小。起动和工作特性良好，但成本较高，换向器和电刷的维护和检修都较复杂。

交直交流电力传动机车是一种新型铁路机车。通过车内的晶闸管整流器把交流电转变为直流电，再用大功率逆变器把直流电转变为频率可调节的交流电，供给交流牵引电动机驱动机车动轮对。在电力传动内燃机车上，交流电源来自柴油机驱动的牵引发电机；在电力机车上，交流电源直接来自工频电网。这种机车的交流牵引电动机结构简单、运行可靠，价格较低，牵引性能优越，是一种很有发展前途的新型机车。

交直流电力传动内燃机车的牵引发电机为交流电机、牵引电动机为直流电机的一种电力传动内燃机车。柴油机带动三相交流同步发电机，发出的三相交流电经过大功率半导体整流装置转变为直流电，供给直流牵引电动机驱动机车动轮对。这种交直流电力传动内燃机车的功率较大，重量较轻，已得到广泛应用。

以上部分参考《辞海》1989 年