什麼是電機？

電機是一種由互相連接的元件所組成的系統，可將電能轉換為機械能或從機械能轉換為電能，或將電能轉換為另一種形式的電能。它們如今被應用於許多電子系統中，從洗衣機等家用電器到醫療植入物與機器人技術皆有使用。它們負責大量的電力產生與透過電線及其他能源基礎設施的傳輸。近年來，電動車 (EV) 所使用的電機技術受到越來越多關注。

電機可依據機器部分元件是否會移動而分為兩大類。第一類是靜態電機，這類機器具有兩個固定的電樞，且沒有任何移動元件。變壓器就是其中一個典型的例子。第二類是旋轉式或線性電機，例如發電機與馬達，這類機器總是有一個運作時會旋轉或直線移動的元件。這些電機具有一個移動元件 (轉子或移動器) 以及一個固定元件 (定子)。

作為雙向能源系統，電機理論上可以雙向轉換能量，不論是馬達或發電機，而輸出可以是機械能或電能。

變壓器通常歸類為靜態電機，因為大多數變壓器沒有移動的電樞，也不需要任何運動來轉換能量。相較之下，發電機與馬達屬於動態電機，擁有旋轉元件，並透過運動將電能轉換為機械能，反之亦然。旋轉式電機通常透過旋轉電磁場之間的互動來運作，這些磁場是由電壓供應或電磁感應所產生。這些旋轉磁場會在機械端產生扭力，在電氣端則感應出電壓與電流。

此技術的一些優點包括：

• 與內燃機 (ICE) 等其他能源轉換系統相比，電動馬達的效率高得多，EV 的效率可達 90-95%，而 ICE 車輛僅可達 20-30%。
• 電動車 (EV) 中的電機相較於 ICE 車輛具有更少的移動元件，因此壽命預期更長。
• 電機為零排放技術。
• 電機具有雙向能量轉換能力，可在驅動與發電模式下運作。

電機的一些常見缺點包括：

• 電機可能會受限於其能源供應，例如 EV 受到電池儲能容量與充電能力的限制。這與汽油形成對比，汽油具有更高的能量密度，因此即使 ICE 車輛效率損失達 70%，仍具商業可行性。
• 電機所產生的電磁場在長時間暴露後可能會對生物造成影響。
• 彼此靠近的電氣裝置所產生的電磁場會互相干擾，因為它們頻率接近時會產生交互作用。這種現象稱為電磁干擾 (EMI)。
• 電機可能會發生短路故障，從而引發火災。

在具移動元件的電機中，定子與轉子的電磁場會互相作用。這些交互作用可呈現出不同的配置形式：

• 轉子磁場為自激式 (永久磁鐵)
• 轉子磁場需要獨立的電源供應 (繞線式同步馬達)
• 轉子磁場由定子磁場透過感應產生 (感應馬達)

任何具有移動元件的電機都能作為發電機或馬達運作。當作為發電機運作時，電機會將機械能轉換為電能，並應用於電力生產。其中一項重要的應用領域是再生能源發電，例如風力渦輪機與水力發電。

能量通常是透過旋轉運動產生的。雖然也可以使用線性運動，但裝置將會受限於其體積大小。旋轉運動使得移動部件能持續運動而不會遇到實際上的限制。

發電機的運轉需要一個提供機械能的驅動來源。一些常見的例子包括曲軸、再生能源技術中的風力或水力，以及燃燒燃料或核反應爐產生的蒸氣。這些力量會驅動發電機內部的主動元件 (例如風扇或渦輪)，使其旋轉，將旋轉能量轉換為電壓與電流。

發電機有多種形式。交流 (同步式或感應/非同步式) 發電機將機械能轉換為交流電壓與電流。另一方面，直流發電機則將機械能轉換為直流電壓與電流。在同步發電機中，電壓與發電機的轉速固定對應；而感應式 (非同步) 發電機則不需要固定轉速來對應電網頻率。

當電機作為馬達運作時，會將電能轉換為機械運動。馬達由軸心、作為支撐的軸承，以及包覆所有元件的外殼所構成。

馬達所產生的扭力來自定子與轉子磁場之間的電磁交互作用。定子繞組產生旋轉磁場，而轉子磁場則可由永久磁鐵的旋轉、轉子繞組中感應產生的電磁場，或電磁鐵的旋轉所產生。扭力與馬達產生的物理力成正比，該力量會用來驅動所連接系統的速度 (例如車輛)。然後，變頻器透過調整電源頻率來控制馬達的速度，確保其穩定運轉。

許多產業與應用領域都會使用馬達，較具代表性的包括：

• 工業機械
• 車輛
• 家用電器
• 幫浦
• 風扇
• 機器人學
• 健身設備
• 無人機
• 電動工具

變壓器是一種電機。變壓器不是在機械能與電能之間轉換，而是將電能從一個電壓等級轉換為另一個電壓等級，且僅有少量能量損耗。變壓器的運作不涉及機械能轉換，但變壓器是電網基礎設施中至關重要的元件，能讓電力透過高壓輸電線長距離傳輸，並再轉換成適合家庭使用的低壓配電。

變壓器分為兩種類型：升壓變壓器與降壓變壓器。兩者皆將電能的電壓轉換為不同的電壓。

升壓變壓器將低電壓電力轉換為適合輸電線傳輸的高電壓電力。升壓變壓器的次級線圈繞在磁芯上的圈數多於初級線圈，從而提高電壓。

降壓變壓器將電壓降低，以供家庭與商業使用。降壓變壓器的次級線圈繞在磁芯上的圈數少於初級線圈，因此降低了電壓。

變壓器之所以重要，是因為高壓電力能更有效率地進行長距離傳輸，但這種電壓對日常電子設備來說過於危險。電力需要轉換為較低電壓才能使用，而變壓器提供了一種能在電網中特定位置輕易改變電壓的方法。

模擬技術被用來提升各行各業中電機的效率與效能。工程師在設計電機時運用模擬技術，模擬電機中移動與非移動元件的表現，深入瞭解其熱效能、電磁效能與機械效能，以確保設計效率。

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