电动机将电能转化为机械能的效率
物理题解答,电动机是将电能转化成机械能的机．电动机是将电能转化成机械能的机器电动机是将电能转化成机械能的机器,但由于线圈内部有电阻,所以同时还有一部分电能转化成内能.若一...
物理题解答,电动机是将电能转化成机械能的机．电动机是将电能转化成机械能的机器
电动机是将电能转化成机械能的机器,但由于线圈内部有电阻,所以同时还有一部分电能转化成内能.若一台玩具电动机接在6V的电源两端,使其正常转动时,通过电动机中的电流为0.3A；短暂地卡住电动机转轴,使其不能转动,通过电动机中的电流为3A.则这台电动机线圈的电阻为 Ω,正常转动时的效率是 .
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电动机是将电能转化成机械能的机器,但由于线圈内部有电阻,所以同时还有一部分电能转化成内能.若一台玩具电动机接在6V的电源两端,使其正常转动时,通过电动机中的电流为0.3A；短暂地卡住电动机转轴,使其不能转动,通过电动机中的电流为3A.则这台电动机线圈的电阻为 Ω,正常转动时的效率是 .
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发动机这个概念最早起源于英国第一次工业革命，作为动力源，这种机械结构开创了以机器代替手工劳动的新时代，其重大意义前无古人后无来者。从“鼻祖”蒸汽机，到现在最先进的航空发动机，乃至只存在于人类脑洞中的曲率引擎，但凡是将其他形式能量转化为机械能的装置，广义上都能叫“发动机”。毫不夸张的说，广义上不同类型的发动机有好几百种，并且已经覆盖到社会的各行各业，说是人类现代文明的基石，我想丝毫不过分。
发动机这个词不是中国人原创，而是当年我们对国外各种不同类型机械动力装置的统称，其中将燃料化学能转化为机械能量的装置称为引擎，也就是“Engine”，而将电能、流体动能、压缩空气的内能转化为机械能的装置称为马达，也就是“Motor”，我们日常经常提到的汽车发动机只是“Engine”分类下的往复式活塞发动机。
●什么是热效率？
不管是什么类型的发动机，都不可能做到百分百将其他形式能量转化为机械能，其输入的能量和有效输出能量之间总会存在落差，将这种落差以百分比例的形式表现出来，就是“热效率”。（感兴趣的朋友可以右转百度一下“熵增”，会让你对能量的传递和转化有更深刻的理解。）
热效率是评定发动机能量转换能力的重要指标，且不同类型发动机的热效率差距非常大。其中，汽车广泛使用的往复式活塞发动机算是其中最低的一种，整个乘用车行业不同品牌的发动机，其热效率也就30%-38%的水平，意思就是说，汽柴油燃烧产生的热能，只有不到一半变成了动力，另外一大半都是机械损耗以及被冷却系统带走的热量。
整个广义发动机领域，热效率最高的目前是电动机，其将电能转化为机械能的效率在90%左右。从35%到90%，这种巨大的进步就是全球各大车企都竭力发展新能源车的最根本原因。
●不同类型发动机及其热效率
▼往复式活塞发动机（奥托循环）
▼热效率：30%-38%
大部分乘用车用的汽油发动机都是采用的传统奥托循环（标准四冲程），根据喷射方式的进化，其热效率从最初的30%出头（化油器喷射），到现在经过复合喷射（直喷+电喷）、分层燃烧技术加持的最新发动机，热效率已经接近40%。
▼往复式活塞发动机（阿特金森循环）
▼热效率：40%+
阿特金森发动机经常作为混动车的动力源，最典型的例子是丰田的油电混动系统，在新一代普锐斯上，其热效率达到了41%，小编不止一次说过，能达到这样的热效率，最根本的原因是混动系统为这种发动机创造了有利的工作环境。另外，马自达的创驰蓝天系列发动机使用的是米勒循环，其通过延迟进气门的关闭使的压缩比小于膨胀比，提高燃烧热能的利用率，虽然目的与阿特金森循环相同，但结构上却完全不同。
▼低速船用大型柴油发动机
▼热效率：50%+
一般大型的船舶都有两套动力系统，一套是大型二冲程柴油发动机，用于低速航行及变道，一套是蒸汽轮机，主要用于开阔海域的巡航。大型柴油发动机虽然也是往复式活塞发动机，但相比乘用车发动机，其气缸属于“细长型”的，能够更充分理由燃料燃烧产生的热能，这也使得其转速很慢，一般每分钟也就几十转一百多转每分钟，其热效率能达到50%。
至于蒸汽轮机，船舶用大型汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械，又称蒸汽透平。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。这种发动机的热电效率差别很大，最高能达到70%。另外，其蒸汽热能在经过轮机一部分转化为机械能后，也可以用作生活供暖，也算是有效做功。
▼转子发动机
▼热效率：50%+
转子发动机因为排放和可靠性问题得不到解决，已经在马自达手里没落，但这种形式的发动机在其经济转速工况下的热效率却能达到50%。与阿特金森循环发动机一样，这种发动机在不同转速下的输出特性不够稳定，没法满足汽车在日常生活中的变速需求，所以一直不能推广开来。随着混动车高速发展，马自达也有望将转子发动机重新复产，作为电动机的储备动力源使用，工作环境十分稳定，从而充分发挥其热效率高的优势。
▼燃气涡轮发动机（燃气轮机）
▼热效率：30%-60%
这是一系列在舰艇、坦克以及飞机上广泛使用的发动机的统称，包括涡轮喷气式、涡轮风扇式、涡轮螺旋桨式...基本原理与蒸汽轮机有点类似，但根据类型的不同，结构上也有很多区别，最大的特征就是拥有超高的转速（上十万转每分钟），和峰值功率输出。
至于热效率，目前单循环在32％－40％之间，联合循环在52－60％之间。另外，根据透平前温度不同，热效率有所不同，透平前温度越高，热效率越高。最高的G（H）级，其透平前温度在1550摄氏度等级，如果是联合循环，其热效率能达到60%。
▼异步电机
▼效率：75%-92%
电动机市场应用最广泛的就是这种异步电机，交流三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，小的直径几十厘米，大的直径好几米，主要应用与重负载，高转速。维护保养上，相比内燃机已经不仅仅是可靠那么简单，两个字来形容，就是“耐艹”。
异步电机也是一系列电动机的统称，因为都要靠电网的交流电来励磁，所以异步电机的热效率在75%-92%之间，比起永磁同步电机要差一些。另外，很多大功率的异步电机都是直接启动，如果是带负载启动，起步瞬间电流高达额定的10倍甚至更高，这会对电网产生冲击，严重时会导致电网欠压。
▼永磁同步电机
▼效率：90%-95%
永磁同步电机，其核心原理说白了就是，外面有个由线圈绕组产生的旋转磁场，吸引着里面的一个恒定的磁场（磁铁），带着它一起转。这种电机可以说不存在内燃机“经济转速工况”的概念，任何转速下（除了大负载启动阶段）都有极高的效率，并且调速非常简单，很少用得到复杂的齿轮变速机构。
发动机这个词不是中国人原创，而是当年我们对国外各种不同类型机械动力装置的统称，其中将燃料化学能转化为机械能量的装置称为引擎，也就是“Engine”，而将电能、流体动能、压缩空气的内能转化为机械能的装置称为马达，也就是“Motor”，我们日常经常提到的汽车发动机只是“Engine”分类下的往复式活塞发动机。
●什么是热效率？
不管是什么类型的发动机，都不可能做到百分百将其他形式能量转化为机械能，其输入的能量和有效输出能量之间总会存在落差，将这种落差以百分比例的形式表现出来，就是“热效率”。（感兴趣的朋友可以右转百度一下“熵增”，会让你对能量的传递和转化有更深刻的理解。）
热效率是评定发动机能量转换能力的重要指标，且不同类型发动机的热效率差距非常大。其中，汽车广泛使用的往复式活塞发动机算是其中最低的一种，整个乘用车行业不同品牌的发动机，其热效率也就30%-38%的水平，意思就是说，汽柴油燃烧产生的热能，只有不到一半变成了动力，另外一大半都是机械损耗以及被冷却系统带走的热量。
整个广义发动机领域，热效率最高的目前是电动机，其将电能转化为机械能的效率在90%左右。从35%到90%，这种巨大的进步就是全球各大车企都竭力发展新能源车的最根本原因。
●不同类型发动机及其热效率
▼往复式活塞发动机（奥托循环）
▼热效率：30%-38%
大部分乘用车用的汽油发动机都是采用的传统奥托循环（标准四冲程），根据喷射方式的进化，其热效率从最初的30%出头（化油器喷射），到现在经过复合喷射（直喷+电喷）、分层燃烧技术加持的最新发动机，热效率已经接近40%。
▼往复式活塞发动机（阿特金森循环）
▼热效率：40%+
阿特金森发动机经常作为混动车的动力源，最典型的例子是丰田的油电混动系统，在新一代普锐斯上，其热效率达到了41%，小编不止一次说过，能达到这样的热效率，最根本的原因是混动系统为这种发动机创造了有利的工作环境。另外，马自达的创驰蓝天系列发动机使用的是米勒循环，其通过延迟进气门的关闭使的压缩比小于膨胀比，提高燃烧热能的利用率，虽然目的与阿特金森循环相同，但结构上却完全不同。
▼低速船用大型柴油发动机
▼热效率：50%+
一般大型的船舶都有两套动力系统，一套是大型二冲程柴油发动机，用于低速航行及变道，一套是蒸汽轮机，主要用于开阔海域的巡航。大型柴油发动机虽然也是往复式活塞发动机，但相比乘用车发动机，其气缸属于“细长型”的，能够更充分理由燃料燃烧产生的热能，这也使得其转速很慢，一般每分钟也就几十转一百多转每分钟，其热效率能达到50%。
至于蒸汽轮机，船舶用大型汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械，又称蒸汽透平。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。这种发动机的热电效率差别很大，最高能达到70%。另外，其蒸汽热能在经过轮机一部分转化为机械能后，也可以用作生活供暖，也算是有效做功。
▼转子发动机
▼热效率：50%+
转子发动机因为排放和可靠性问题得不到解决，已经在马自达手里没落，但这种形式的发动机在其经济转速工况下的热效率却能达到50%。与阿特金森循环发动机一样，这种发动机在不同转速下的输出特性不够稳定，没法满足汽车在日常生活中的变速需求，所以一直不能推广开来。随着混动车高速发展，马自达也有望将转子发动机重新复产，作为电动机的储备动力源使用，工作环境十分稳定，从而充分发挥其热效率高的优势。
▼燃气涡轮发动机（燃气轮机）
▼热效率：30%-60%
这是一系列在舰艇、坦克以及飞机上广泛使用的发动机的统称，包括涡轮喷气式、涡轮风扇式、涡轮螺旋桨式...基本原理与蒸汽轮机有点类似，但根据类型的不同，结构上也有很多区别，最大的特征就是拥有超高的转速（上十万转每分钟），和峰值功率输出。
至于热效率，目前单循环在32％－40％之间，联合循环在52－60％之间。另外，根据透平前温度不同，热效率有所不同，透平前温度越高，热效率越高。最高的G（H）级，其透平前温度在1550摄氏度等级，如果是联合循环，其热效率能达到60%。
▼异步电机
▼效率：75%-92%
电动机市场应用最广泛的就是这种异步电机，交流三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，小的直径几十厘米，大的直径好几米，主要应用与重负载，高转速。维护保养上，相比内燃机已经不仅仅是可靠那么简单，两个字来形容，就是“耐艹”。
异步电机也是一系列电动机的统称，因为都要靠电网的交流电来励磁，所以异步电机的热效率在75%-92%之间，比起永磁同步电机要差一些。另外，很多大功率的异步电机都是直接启动，如果是带负载启动，起步瞬间电流高达额定的10倍甚至更高，这会对电网产生冲击，严重时会导致电网欠压。
▼永磁同步电机
▼效率：90%-95%
永磁同步电机，其核心原理说白了就是，外面有个由线圈绕组产生的旋转磁场，吸引着里面的一个恒定的磁场（磁铁），带着它一起转。这种电机可以说不存在内燃机“经济转速工况”的概念，任何转速下（除了大负载启动阶段）都有极高的效率，并且调速非常简单，很少用得到复杂的齿轮变速机构。
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