电机年代史——全网最易懂的电机知识科普
电机年代史——全网最易懂的电机知识科普
电机的发明和应用，尤其是电动机的发明，极大地促进了工业自动化和机械化进程。从最初的简单机械驱动到现代工业、农业、国防、家用电器等各个领域，电机的应用几乎无处不在。本文将带你回顾电机的发展历程，从19世纪初的早期探索到21世纪的智能化发展，见证这一伟大发明的演变历程。
电机的发明和应用，尤其是电动机的发明，极大地促进了工业自动化和机械化进程。电机经历了从直流电机到交流电机的转变，以及从有刷电机到无刷电机的进步。其应用范围从最初的简单机械驱动到现代工业、农业、国防、家用电器等各个领域，几乎无处不在。
1820年奥斯特德在进行电实验时，发现当他将一根带电棒放在罗盘旁边时，罗盘会发生偏转，因此发现了电流磁效应，推动了电动机技术的创新。随后，安培通过总结电流在磁场中所受机械力的情况建立了安培定律。
1821年9月，英国物理学家法拉第通过电机——水银杯转动实验 ，发现通电的导线能绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换。
图1：电磁运动向机械运动转换原理图
1822年，法国的阿拉戈.盖.吕萨克发明电磁铁,即用电流通过绕线的方法使其中铁块磁化。
1826年，德国G.S.欧姆提出电路实验定律：欧姆定律。
1828年匈牙利注明科学家捷德里克发明电动机，是现代意义上的电机发明人之一和电机自激原理的发现者之一。
图2：捷德里克电动机
1831年，法拉第利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的发电机，法拉第圆盘发电机。
图3：法拉第圆盘发电机
同年，亨利对法拉第的电动机模型进行了改进，制作了一个简单的装置（振荡电动机），第一次展示了由磁极排斥和吸引产生的连续运动，是电磁铁在电动机中的真正应用。
图4：振荡电动机
1832年，斯特金发明了换向器，据此对亨利的振荡电动机进行改进，并制成世界上第一台能产生连续运动的旋转电动机，发明了第一台直流电动机。作为第一台能够驱动机械的电动机，其低功率输出限制了电动机使用的普及。
图5：斯特金的旋转电动机原理示意
1832年，法国A.H.皮克西在巴黎公开了一台永久磁铁型旋转式交流发电机，一年后，他在发电机上安装整流子，将交流电变为直流电。
图6：皮克西发明的永久磁铁型旋转式交流发电机
同年，俄籍德国人H.F.E.楞次提出“电动机－发电机”原理：楞次定律，证明发电机和电动机可逆，但1870年以前，直流发电机与电动机一直独立发展。1870年，比利时的格拉姆提出发电机环形闭合电枢绕组的结构，其电压脉动较小，换向和散热情况均较良好，所以很快取代了T型绕组。自此，电动机的可逆原理为公众所接受，发电机和电动机的发展合二为一。
图7：格拉姆环形闭合电枢绕组结构
1834年，俄国物理学家的雅可比设计并制成第一台简单实用的直流电机：在两个U型电磁铁中间，装一个六臂轮，每臂带两根棒型磁铁，通电后，棒型磁铁与U型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用，带动轮轴转动。1839年，雅可比在俄国尼古拉斯皇帝的资助下，将一条可以载有14名旅客的船进行了电气化改造，在浆轮轴上安装了20台雅可比电动机，并通过320个丹尼尔电池供电，在涅瓦河上进行了史无前例的电动轮船试验，也是人类历史上第一次实际应用的大型试验。
图8：雅可比的电动机
此外，美国直流电机的发明者达文波特于1834年受到亨利的启发，制成一台旋转直流电动机，并用其发明的电机来驱动一个直径7in的轮子，以30min/s的速度前进。他还改进了电动机结构，用来驱动印刷机印刷报纸，开创了电动机应用的先河，开启了一扇通向现代化世界的大门。
1837年，达文波特和妻子在美国获得了第一个人类历史上的直流电动机专利。尽管经过多年的实验，达文波特的电机设计仍然受到与斯特金最初设计相同的功率和效率问题的困扰。
图9：达文波特电机专利
1845年，英国惠斯通用电磁铁代替永久磁铁，可以增强发电机输出功率，并取得专利权。1857年，惠斯通发明自激电磁铁型发电机。
1866年，西门子的创始人维尔纳.冯.西门子制成直流自激、并激式直流发电机。并于1867年在巴黎世界博览会上展出第一批样机。西门子首次完成把机械能转换成为电能的发明，从而开启了19世纪晚期“强电”技术时代。
1870年格拉姆将T形电枢绕组改为环形电枢绕组，发明了直流发电机，在设计上，直流发电机和电动机很相似。后来，格拉姆证明向直流发动机输入电流，其转子会像电动机一样旋转。此后，这种格拉姆型电动机大量制造出来，效率也不断提高。
与此同时，西门子制造出更好的发电机，着手研究由电动机驱动的车辆，并制成了电车。1879年，在柏林工业展览会上，西门子公司不冒烟的电车赢得观众的一片喝彩，当时展出的电车功率为3马力。
图10：西门子*第一台电车 *
同年，现代电气巨头之一西门子第一次与中国合作，开启了中国电气化进程，交付并安装了一台10马力的蒸汽发电机为上海港提供照明。
图11：10马力蒸汽发电机
美国发明大王爱迪生试验的电机车可达12-15马力，但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电车。
1873年，英国的詹·麦克斯韦完成了经典电磁理论基础《电和磁》，提出了著名的麦克斯韦方程。
1875年，比利时Z.T.格拉姆将改造后的发电机安装在法国巴黎北火车站发电厂，是世界第一座火电厂。
1880年，爱迪生观察到用叠片铁芯可以减少温升和能耗。
1880年，霍普金森确立了磁路的欧姆定律。
1882年，德国将米斯巴哈水电站发出的2千瓦直流电通过1500～2000伏电线输送到57千米的慕尼黑，证明直流远距离输电的可能性，促进了直流电机的广泛利用。
美国发明家斯普拉格于1886年发明了第一台“实用”的电机。斯普拉格的电动机消除了火花、绕组电压损失，并且可以恒速提供动力，使其成为第一个“实用”的直流电动机，使得电动机的应用更加广泛。斯普拉格的电机设计实际上可靠且相当强大，1887年，斯普拉格在弗吉尼亚州里士满使用他发明的电机开发了第一个电动无轨电车系统。
图12：第一台“实用”的电机
直流电在传输中的缺点明显：电压越高，电能的传输损失越小，但高压直流发电机困难较大，而且单机容量越大，换向也越困难，换向器上的火花使电机工作不稳定。由于直流换流技术还未出现，人们把目光投向交流电机。
1824年，法国人阿拉果在转动悬挂着的磁针时发现其外围环上受到机械力。次年，他重复这一实验时，发现外围环的转动又使磁针偏转。阿拉果首次采用机械方法而获得旋转磁场的实验，实质上是现代交流电动机基本原理的最初实验，这些实验导致后来感应电机的出现。
图13：阿拉果圆盘
1876年，雅布洛奇科夫用交流发电机为其 “ 电烛 ” 供电，是交流电用于照明的开始。不久出现了原始型式的同步发电机和变压器。
1879年，英国人拜依莱用依次变动四个磁极上的励磁电流得到旋转磁场。同年，英国科学家贝利对阿拉果圆盘进行进一步研究，发表了产生阿拉果旋转的一种方法的演讲，并展示了其实验模型。贝利磁场实验是人类首次利用电的方法获得旋转磁场，并证明旋转磁场可以产生机械力，其试验装置是现代感应电动机的雏形。
图14：贝利磁力实验装置——现代感应电动机的雏形
1882-1885年，匈牙利工程师代里等3人首创变压器。
1885年，意大利物理学家费拉里斯根据旋转磁场理论发明发明两相交流感应电动机的模型。同年，费拉里斯通过实验证明自己的想法，其实验装置被称为费拉里斯电动机（第一个装置的功率仅3W）。1888年，费拉里斯在都灵科学院作了题为“利用交流电产生电动旋转”的具有历史意义的演讲。
图15：费拉里斯电动机及示意图
1886年，美国的特斯拉制成两相绕线式交流异步电动机模型，1888年他在意大利科学院提出《利用交流电产生旋转磁场》的论文。同年，特斯拉发明了交流电动机，根据电磁感应原理制成，又称感应电动机，其结构简单，使用交流电，无需整流，无火花，被广泛应用于工业和家庭电器中。
图16：特斯拉及两相感应电动机
1888年，柏林AEG公司的首席电工多利沃-多布罗沃尔斯基进行了三相鼠笼式电动机的研究工作，并研究三相系统的星形连接方式和三角形连接方式。1889年，他发明了世界上第一台三相鼠笼式感应电动机，造型已与现在的电机非常相近。
图17A
*图17B：第一台三相鼠笼式感应电动机 *
同年，获得特斯拉两相交流发电机和电动机的专利权的西屋公司在俄勒冈州建设了发电厂，1892年成功地将15000伏电压送到了皮茨菲尔德。1896年，特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运，3750KW，5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市。
图18： 芝加哥世博会上展览的特斯拉电机
1890年，德国人米夏埃尔·冯·多里沃一多勃鲁沃尔斯基制成一架三相电流变压器。
1891年，慕尼黑人奥斯卡·冯·米勒在法兰克福世界电气博览会上宣布，他与多里沃合作架设的从劳芬到法兰克福的三相交流输电电路，可把300*735.5W 55伏三相交流发电机的电流经三相变压器提高到万伏，顺利通电输运175千米，从此三相交流电机很快代替了工业上的直流电机。
三相制优点十分明显：材料可靠，结构简单，性能好，效率高，省铜，在电力驱动方面又有重大效益。
1902年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。催生了交流电机、直流电机的迅速发展，从此，各种各样的电机迅速发展起来。
1955年，美国d．harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，正式标志着现代无刷直流电机的诞生。但当时没有电机转子位置检测器件，该电机没有起动能力。
得益于1960年代初期固态技术的进步，1962年，TG Wilson和PH Trickey发明了第一台无刷直流（BLDC）电机，他们称之为“带固态换向的直流电机”。无刷电机的关键要素是它不需要物理换向器，因此成为计算机磁盘驱动器，机器人和飞机的最流行选择。他们利用霍尔元件来检测转子位置并控制绕组电流换相，使无刷直流电机达到实用化，但受到晶体管容量的限制，电机功率相对较小。
1970年代以来，随着新型功率半导体器件（如GTR、MOSFET、IGBT、IPM）相继出现，计算机控制技术（单片机、DSP、新的控制理论）的快速发展，以及高性能稀土永磁材料（如钐钴、钕铁硼）的问世，无刷直流电机得到快速发展，容量不断增大。
1978年，德国Rexroth公司正式推出 MAC永磁交流伺服电机和驱动系统，以及1980年代方波无刷电机和正弦波无刷直流电机的研发，标志着新一代交流伺服技术已进入实用化阶段，1980年代开发的传统直流无刷电机是当今市场上最受欢迎的电机类型，直到今天仍被广泛应用。
无刷直流电机的发明并没有阻止创新，在1980年代末，两位科学家杰瑞·根科和诺曼·史密斯为一种带有印刷电路组件定子的电机申请了专利。他们的设计将定子电气和机械连接到印刷电路板，以降低与永磁直流无刷电机相关的制造和材料成本。
图19：机电一体化电机
此后，国外伺服系统技术发展迅速，产生了一大批国际知名企业，产品大量进入中国市场。
随着电机技术的不断创新和应用，未来电机技术的发展方向主要体现在高效率、小型化、智能化、精细化和节能环保等方面。
2000年后，我国的伺服系统自主研发开始起步并迅速发展，产品质量和技术水平不断提升，在中低端设备市场中具有优势，但高端市场仍被国外品牌占据。