电机发展史

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1、电机学发展史世界科技和生产力 奥斯特发现电生磁（1820）法拉第电磁回转实验（发明电动机模型）法拉第发现电磁 感应（发明发电机模型）法拉第兼任企业顾问研制永磁电机西门子发明激磁电机格拉 姆发明直流发电机和电动机特斯拉发明交流电机和电动机19 世纪末美国电动机床出现 伏特汽车公司装配流水线一、 直流电机的产生与形成皮克西：第一台永磁式直流发电机。西门子：自激式直流发电机。格拉姆：环形电枢直流发电机1820年丹麦物理学家奥斯特（Hans Christian Oersted, 17771851）发现了电流磁效应：将导线的一端和伽伐尼电池正极连接，导线沿南北方向平行地放在小磁针上方，当导线另一 端连接

2、到负极时，磁针立即指向东西方向。把玻璃板、木片、石块等非磁性物体插在导线和 磁极之间，甚至把小磁针浸在盛水的铜盒子里，磁针照样偏转。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 月法拉第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，从而建立了电动机的实验室模型，被认为是世界上第 一台电机，其原理如图 1 所示，在一个盘子内注入水银，盘子中央固定一个永磁体，盘子 上方悬挂一根导线，导线的一端可在水银中移动，另一端跟电池的一端连接在一起，电池的 另一端跟盘子连在一起，构称导电回路，载流导线在磁场中受力运动。1822

3、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1825年，斯特金（W.sturgeon）用16圈导线制成了第一块电磁铁。1829年，美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新，绝缘导线代替裸铜导线， 因此不必担心被铜导线过分靠近而短路。由于导线有了绝缘层，就可以将它们一圈圈地紧紧 地绕在一起，由于线圈越密集，产生的磁场就越强，这样就大大提高了把电能转化为磁能的 能力。到了 18 3 1年，亨利试制出了一块更新的电磁铁，虽然它的体积并不大，但它能吸 起1吨重的铁块。1826年 德国G.S.欧姆提出电路实验定律欧姆定律。1831 年，法拉第发现了电磁感应现象之后不

4、久，他又利用电磁感应发明了世界上第一台真 正意义上的电机法拉第圆盘发电机，如图2所示。这台发电机制构造跟现代的发电机不 同，在磁场所中转动的不是线圈，而是一个紫铜做的圆盘。圆心处固定一个摇柄，圆盘的边 缘和圆心处各与一个电刷紧贴，用导线把电刷与电流表连接起来；铜圆盘放置在蹄形永磁体 的磁场中，当转动摇柄使铜圆盘旋转起来时，电流表的指针偏向一边，电路中产生了持续的 电流。同年夏天，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)， 如图 3 所示，该装置的运动部件是在垂直方向上运动的电磁铁，当它们端部的导线与两个 电池交替连接时，电磁铁的极性自动改变，电磁铁与永磁体相互吸引

5、或排斥，使电磁铁以每 分钟 75 各周期的速度上下运动。亨利的电动机的重要意义在于这是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。1832 年， 斯特金 发明了换向器,据此对亨利的振荡电动机进行了改进，并制作了世界上第 一台能产生连续运动的旋转电动机，其原理如图4所示.后来他还制作了一个并励直流电动 机。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，如图5所示。 一年后，他在发电机上安装整流子，将交流电变为直流电。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是可逆的。但1870年以 前，直流

6、发电机与电动机一直在独立发展着。1834年，德国的雅可比成了一种简单的装置：在两个U型电磁铁中间，装一六臂轮，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，如图6所示。后来，雅可比做了一具大型的装置，安在小艇上，用320个丹尼尔电 池供电， 1838年小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2公里，与此同时，美国的达文波 特也成功地制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刑电磁和机械情报。但这两 种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。1845年，英国的惠斯通(G.Wheatsto ne)用电磁铁代替永久磁铁，并取得了专利权。 这

7、是增强发电机输出功率的一个重要措施。1854年，丹麦的赫尔特发明了自激式电机。1857 年， 英国的惠斯通 发明自激电磁铁型发电机。I860年，意大利的巴奇诺蒂(A.Pacinotti)发明了齿状电枢。1865 年，意大利物理学家帕其努悌发明了环状发电机电枢。这种电枢是以在铁环上绕线圈 代替在铁芯棒上绕制的线圈，从而提高了发电机的效率。1866年 西门子的创始人维尔纳.冯.西门子(W.vonSiemens, 18161892)制成直流 自激、并激式发电机。制成了一架大功率直流电机。 1867年在巴黎世界博览会上展出第一 批样机。这样，西门子就首次完成了把机械能转换成为电能的发明，从而开始了19

8、世纪晚 期的 “ 强电 ” 技术时代。1867 年，西门子对发电机提出了重大改进。他认为，在发电机上不用磁铁(即永久磁铁)， 而用电磁铁，这样可使磁力增强，产生强大的电流。西门子用电磁铁代替永久磁铁发电的原 理是，电磁铁的铁芯在不通电流时，也还残存有微弱的磁性。当转动线圈时，利用这一微弱 的剩磁发出电流，再反回给电磁铁，促使其磁力增强，于是电磁铁也能产生出强磁性。接着， 西门子着手研究电磁铁式发电机。很快就制成了这种新型的发电机，它能产生皮克发电机所 远不能相比的强大电流。同时，这种发电机比连接一大堆电池来通电要方便得多，因而它作 为实用发电机被广泛应用起来。1870年格拉姆(Z.T.Gr o

9、mme, 18261901 )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，其转子会象电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机大量制造出来。效率也不断 提高，被人们誉为“发电机之父”。1873年，德国的西门子公司研究发电机的工程师阿特涅。他发明了与古拉姆发电机不同的 线圈绕线方式，制成了性能良好的发电机。古拉姆发电机的电枢是将铁丝绕成环状，在环与 环之间夹上纸进行绝缘，然后将环捆在一起作为铁芯，在其上面绕上导线线圈，再由线圈的 不同部位引出一些导线，接向带整流子。而阿特涅发电机的电枢，是用许多薄圆铁板以纸绝 缘后

10、重叠起来，制成铁芯，然后在上面绕上导线线圈。人们把这种方法叫做“鼓卷”，意思是 像鼓一样的形状。经过这种改进后，发电机无论是外观或是性能，都比原来有了很大起色。 西门子公司由于阿特涅的这项发明而益发驰名。于是，德国以西门子公司为核心，大力研制 各种发电机，从而使电力工业得到了迅速的发展。德国的西门子接制造更好的发电机，并着 手研究由电动机驱动的车辆，于是西门子公司制成了世界电车。 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。西门子电机车当时只有3马力，后 来美国发明大王爱迪生试验的电机车已达1215马力。但当时的电动机全是直流电机，只 限于驱动电车。1873年，

11、英国詹麦克斯韦完成了经典电磁理论基础电和磁；电机绕组发展为鼓型绕组，直流电机具备了现代直流电机的基本型式；1875年 比利时乙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，该厂是世界 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（J.Hopkinson, 18491898）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57千米15002000伏 电线输 送到慕尼黑，证明直流远距离输电的可能性。这一方面成为直流发电机与电动机发展中的大 事，促进了它们的广泛利用，另一方面暴露出直流在传输中的缺点：原来电压越高，电能的

12、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 的火花使工作不稳定。因而人们就把目光转向交流电机。美国的戈登制造出了输出功率44 7KW,高3米，重22吨的两相式巨型发电机。1891年，阿诺尔德（Ar nold）建立直流电枢绕组理论。二、交流电机的产生与形成1824年，法国人阿拉果（D. F. J. Arago，17861853）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，这些实 验导致了后来感应电动机的出现。年，出现了单相交流发电机。1876年，雅布洛奇科夫（n . H .只6nouKOB， 1847

13、1894）用交流发电机和开磁 路式串联变压器为其 “ 电烛 ” 供电，这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（Bailey ）用依次变动四个磁极上的励磁电流而得到旋转磁场。1883 年，德普勒（M. Deprez，18431918）在巴黎科学院提出a =1/4周期的交流磁场公式。1882 1885年，匈牙利工程师代里等3人首创变压器。1884 年，闭合磁路的变压器制成，并推广使用1885 年，费拉里斯提出两相交流感应电动机的模型。1886年特斯拉(N. Tesla, 18561943)也制成两相绕线式交流异步电动机模型，1888 他又在意大利

14、科学院提出利用交流电产生旋转磁场的论文。 他在爱迪生公司工作，但 由于爱迪生坚持只搞直流方式，因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公 司。1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感应原理 制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花，因此被广 泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。 美国的特斯拉在爱迪生公 司的时候就决心开发交流电机，但由于爱迪生坚持只搞直流方式，因此他就把两相交流发电 机和电动机的专利权卖给了西屋公司。1889 年，多利沃-多布罗沃利斯基提出了三相制并制成鼠笼式交流异步电动机。1889年，

15、西屋公司在俄勒冈州建设了发电厂， 1 892年成功地将1 5000伏电压送到了皮茨 菲尔德。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，可把劳芬的一架300 x 735.5W(300 马力) 55伏三相交流发电机的电流经三相变压器提高到了万伏，输运175千米，顺利通电， 从此三相交流电机很快代替了工业上的直流电机，因为三相制的优点十分明显：材料可靠， 结构简单，性能好，效率高，用铜省，在电力驱动方面又有重大效益。从此，各种各样的电 机迅速发展起

16、来。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。1902 年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。ai890407 2009-10-06 09:05:59电机发展历史蒸汽机启动了18世纪第一次产业革命以后， 19世纪末到20世纪上半叶电机又引发了第二 次产业革命，使人类进入了电气化时代。 20世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命 使生产和消费从工业化向自动化、智能化时代转变；推动了新一代高性能电机驱动系统与伺 服系统的研究与发展。21 世纪伊始，世界汽车工业又站在了革命的门槛上。虽然，汽车工业是推

17、动社会现代 化进程的重要动力；然而，汽车工业的发展也带来了环境污染愈烈和能源消耗过多两大问题。 而对于我国日益扩大的汽车市场，这种危机就更明显。据了解，2000 年我国进口汽油700 0 万吨，预计 2010 年后将超过 1 亿吨，相当于科威特一年的总产量。目前世界上空气污染 最严重的10 个城市中有7 个在中国，而国家环保中心预测，2010年汽车尾气排放量将占 空气污染源的 64%。虽然，加剧使用传统内燃机技术发展汽车工业，将会给我国的能源安 全和环境保护造成巨大的影响。为此，国家科技部启动了十五“863电”动汽车重大专项。高密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机及其控制系统既是电动汽车的心脏又

18、是电动汽 车研制的关键技术之一，已被列为863电动汽车重大专项的共性关键技术课题。20 世纪8 0 年代前，几乎所有的车辆牵引电机均为直流电机，这是因为直流牵引电机具有起步加速牵 引力大，控制系统较简单等优点。直流电机的缺点是有机械换向器，当在高速大负载下运行 时，换向器表面会产生火花，所以电机的运转不能太高。由于直流电机的换向器需保养，又 不适合高速运转，除小型车外，目前一般已不采用。近十年来，主要发展交流异步电机和无刷永磁电机系统。与原有的直流牵引电机系统相 比，具有明显优势，其突出优点是体积小，质量轻（其比质量为0.5-1.0kg/Kw）、效率高、 基本免维护、调速范围广。其研究开发现状

19、和发展趋势如下。1. 异步电机驱动系统异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转矩脉动，低噪声， 不需要位置传感器，转速极限高。异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被 较早应用于电动汽车的驱动系统，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品（尤其在美国）， 但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。最大缺点是驱动电路复杂，成本高；相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。2. 无刷永磁同步电机驱动系统无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，由于具有较高的功 率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，在电动车

20、辆牵引电机中是强有力的 竞争者，已在国内外多种电动车辆中获得应用。内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁 阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速，扩大 恒功率范围运行。内置式永磁同步电机驱动系统的设计理论正在不断完善和继续深入，该机 结构灵活，设计自由度大，有望得到高性能，适合用作电动汽车高效、高密度、宽调速牵引 驱动。这些引起了各大汽车公司同行们的关注，特别是获得了日本汽车公司同行的青睐。当 前，美国汽车公司同行在新车型设计中主要采用内置式永磁同步电机。表面凸出式永磁同步电机也称为永磁转矩电机，相对内置式永磁同步电机而

21、言，其弱磁 调速范围小，功率密度低。该结构电机动态响应快，并可望得到低转矩脉动，适合用作汽车 的电子伺服驱动，如汽车电子动力方向盘的伺服电机。无位置传感器永磁同步电机驱动系统也是当前永磁同步电机驱动系统研究的一个热点， 将成为永磁同步电机驱动系统的发展趋势之一，具有潜在的竞争优势。永磁同步电机驱动系统低速时常采用矢量控制，高速时用弱磁控制。3. 新一代牵引电机驱动系统从 20 世纪 80 年代开关磁阻电机驱动系统问世后，打破了传统的电机设计理论和正弦 波电压源供电方式；并随着磁阻电机，永磁电机、电力电子技术和计算机技术的发展，交流 电机驱动系统设计进入一个新的黄金时代；新的电机拓朴结构与控制方

22、式层出不究，推出了 新一代机电一体化电机驱动系统迅猛发展。高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引 电机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点之一。SRD 开关磁阻电机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且 驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现 四象限控制。这些特点使srd开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行， 是电动车辆中极具有潜力的机种。 SRD 的最大特点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永 磁电机而言，功率密度和效率偏低；另一个缺点是要使用位置传感器，增加了结构复杂性， 降低了可靠性。因此无传感器的 sRD

23、也是未来的发展趋势之一。永磁式开关磁阻电机也称为双凸极永磁电机，永磁式开关磁阻电机可采用圆柱形径向磁 场结构、盘式轴向磁场结构和环形横向磁场结构。该电机在磁阻转矩的基础上迭加了永磁转 矩，永磁转矩的存在有助于提高电机的功率密度和减小转矩脉动，以利于它在电动车辆驱动 系统中应用。转子磁极分割型混合励磁结构同步电机这一概念一提出就引起国际电工界和各大汽车 公司研发中心的极大关注。转子磁极分割型混合励磁结构同步电机具有磁场控制能力，类似 直流电机的低速助磁控制和高速弱磁控制，符合电动车辆牵引电机低速大力矩和恒功率宽调 速的需求。目前该电机的研究处于探索阶段，电机的机理和设计理论有待于进一步深入研究

24、与完善，作为假选的电动车辆牵引电机具有较强的潜在的竞争优势。此外，正在研发的热点课题还有：具有磁场控制能力的永磁同步电机驱动系统；车轮电机驱动系统；动力传动一体化部件（电机、减速齿轮、传动轴）； 双馈电异步电机驱动系统和双馈电永磁同步电机驱动系统。4. 下一代汽车电子伺服系统及其车用伺服电机1993 年美国能源部、商务部、贸易部、国防部、环保局、宇航局、国家科学基金会七 个政府部门下美国三个最大的汽车制造公司，克莱斯勒、福特和通用，建立了新一代车辆伙 伴关系（PNGV, Part nership for a New Gen eration of Vehicles）,目标是开发新一代 机动车技术

25、，以增强美国汽车工业的实力。1998年至 2002 年期间，美国国家自然科学基 金（NSF）资助美国国家电力电子中心（由美国Virginia和美国Wisconsin等四所大学组 建）研发车辆电子动力驱动系统、电子伺服控制系统和各种车辆专用IC模块，提高汽车电 子电气部件的可靠性,降低其成本和抢占车辆电气自动化技术的制高点,增强在国际市场的 竞争力。线控的汽车电子伺服系统（X-by-wire）在未来将是十分重要的技术，该技术可将 各种独立的系统（如转向、制动、悬挂等）集成到一起由计算机调控,使汽车的操纵性、安 全性以及汽车的总体结构大大改善，设计的灵活度也大大增加。目前，电子动力方向盘和线 控刹车已经在一些欧洲车型上被采用，在这个系统中已经削减了相当多的机械部件，如液压 泵等。汽车电子伺服技术是具有革命性的技术，随着这个技术的使用，许多传统的机械部件 将会在未来的汽车上消失，而越来越多的车用伺服电机将出现在未来的汽车上。全球最大的汽车零部件企业一美国德尔福汽车系统公司预计，在未来的3-5年内全世界 的汽车将逐步采用电子伺服驱动系统，如电子动力方向盘和线控刹车伺服驱动系统。目前， 美国德尔福汽车系统公司正在全球范围内寻找年产300 万台以上的电子动力方向盘的交流 伺服电机合作伙伴。