電機的作用與發展簡史

電機的作用與發展簡史

一、電機的作用

電機是以電磁感應現象為基礎實現機械能與電能之間的轉換以及變換電能的機械，包括旋轉申機和變壓器兩大類。旋轉電機是機電能量轉換裝置。主要用作發電機 把機械能轉變成電能；或作為電動機，把電能轉變成機械能。有的電機還用作調相機，用於改善電網的功率因數。此外。還有微特電機。廣泛應用於自動控制系統中。變壓器是各部件間無相對運動的電能變換裝置，廣泛應用於電能傳輸，電壓、電流、阻抗的變換和電路隔離。

人類的生產勞動離不開各種能源。在現代工業化社會中。各種自然能源-般都不能直接拖動生產機械，還必須將其先轉換為電能，然後再將電能轉戀為所需要的能量形態（如機械能、熱能、聲能、光能等）加以利用。這是因為電能在生產、傳輸、分配、使用、控制及能量轉換等方面極為方便。電機是與電能有關的能量轉換機械，它是工業、農業。交通運輸。國防工程、醫療裝置以及日常生活中常用的重要裝置。

電機的主要作用表現在三個方面∶

1。電能的生產、傳輸和分配

在發電廠中，發電機由汽輪機、燃氣輪機、柴油機或水輪機帶動。發電機將燃料燃燒、原子核裂變的能量或水的位能轉化為機械動能傳給發電機，在發電機中轉換成電能，然後用變壓器升高電壓，透過輸電線把電能送到用電地區，再經變壓器降低電壓，供使用者使用。

2。驅動各種生產機械和裝備

在工農業、交通運輸、國防等部門和生活設施中，極為廣泛地應用各種電動機來驅動生產機械、裝置和器具。例如，機床驅動、電力排灌、農副產品加工、礦石採掘和輸送、電車和電力機車的牽引、抽水、鼓風、起吊、軋鋼、造紙、醫療裝置及家用電器的執行等一般都採用電動機來拖動。

3。作為各種控制系統和自動化、智慧化裝置的重要元件

隨著工農業和國防設施自動化水平的日益提高，出現了多種多樣的控制電機，它們在控制系統、自動化和智慧化裝置（例如電子計算機和機器人）中分別作為執行、檢測、放大和解算元件。這類電機一般功率較小。但品種繁多、用途各異，例如。電梯的自動選擇與顯示，閥門遙控。火炮和雷達的自動定位。飛行器的發射和姿態的控制。機床加工的自動控制和顯示。 以及計算機外圍裝置、各種自動記錄儀表、音像錄放裝置、醫療器械和現代家用電器裝置等的執行控制、檢測或者記錄顯示。

電機的發展簡史

正如緒論中所介紹的，1831年 10月，法拉第創造了第一部感應發電機的模型。從此，電的研究和應用迅速發展起來，電作為一種新的強大的能源開始在人類的生產、生活中發揮日益巨大的作用。

在生產需要的直接推動下，具有實用價值的發電機和電動機相繼問世，並在應用中不斷得到改進和完善。初始階段的發電機是水磁式發電機，即用永久磁鐵作為場磁鐵。由於永久磁鐵本身磁場強度有限，因而永磁式發電機不能提供強大的電力。缺乏實用性。要增大發電機的輸出功率，使其達到實用要求。就要對發電機的各個組成部分進行改造。 發申機的主要部件是場磁鐵、電樞、集電環和電刷。1845年，英國物理學家惠斯通使用外加電源給線圈勵磁，以電磁鐵取代永久磁鐵，取得了極大成功。隨後又改進了電樞繞組，從而製成了第一臺電磁鐵發電機。1866年德國科學家西門子製成第臺使用電磁鐵的自激式發電機。西門子發電機的成功標誌著建造大容量發電機，從而獲得強大的電力，在技術上取得了突破。因此，西門子發電機在電學發展史上具有劃時代的意義。

自激原理的發現是永磁式發電機向勵磁式發電機發展的關鍵環節。自激是指直流發電機利用本身感應的電功率的一部分去激發場磁鐵，從而形成電磁鐵。在發電機的改進過程中，磁場的變化經歷了從水磁到勵磁；而電流勵磁又經歷了從他激到自激，自激又經歷了從串激到並激，再到復激的發展過程。因此直流發電機按其勵磁方法的不同又可分為他激和自激兩類，而自激發電機又包括了串激、並激和復激三種形式。

1870年比利時人格拉姆（1826—1901）依靠瓦利所提出的原理，並採用了1865年義大利人帕契諾蒂（1841—1912）發明的齒狀電樞結構，創造了環形無槽閉合電樞繞組，製成了環形電樞自激直流發電機。1873年，德國電氣工程師赫夫納·阿爾特涅克（1845—1904）對直流發電機的電樞又做了改進，研製成功了鼓狀電樞自激直流發電機。他吸取了格拉姆和帕契諾帶發電機轉子的優點，簡化了製造方法。因而大大提高了發電機的效率，降低了發電機的生產成本，使發電機進入到實用階段。至此，直流發電機的基本結構已達到定型化。1880 年，美國發明家愛迪生製造出了名為“巨象”的大型直流發電機，並於1881年在巴黎博覽會上展出。

與此同時，電動機的研製工作也在進行之中。美國工程師達文波特在1836年首先嚐試用電動機驅動機械。1834年俄國物理學家雅可比發明了功率為15W的棒狀鐵心電動機。

發電機和電動機是同一種機器的兩種不同的功能，用其作為電流輸出裝置就是發電機，用其作為動力供給裝置就是電動機。電機的這一可逆原理是在 1873年偶然獲得證明的。這一年在維也納的工業展覽會上，一位工人操作失誤，把一根電線錯接到一臺正在執行的格拉姆發電機上，結果發現這臺發電機的轉子改變了方向，迅即向相反的方向轉動，變成了一臺電動機。在此以前，電動機和發電機是各自獨立發展的。從此以後，人們認識到直流電機既可作發電機執行，也可作電動機執行的可逆現象，這個意外的發現，對電機的設計製造產生了深刻的影響。

隨著發電、供電技術的發展，電機的設計和製造也日趨完善。1878年出現了鐵心開槽法，即把繞組嵌入槽內，以加強繞組的穩固並減少導線內部的渦流損耗。那時出現的有槽鐵心和鼓形繞組的結構一直沿用至今。1880年愛迪生提出了薄片疊層鐵心法，馬克西提出鐵心徑向通風道原理解決了鐵心的散熱問題。1882年提出了雙層電樞繞組，1883年發明了疊片磁極，1884年發明了補償繞組和換向極，1885年發明炭粉末製造電刷。1836年確立了磁路計算方法，1891年建立了直流電樞繞組的理論。到19世紀90年代，直流電機已具有了現代直流電機的一切主要結構特點。

儘管直流電機已被廣泛使用，並在應用中產生了可觀的經濟效益，但其自身的缺點卻制約了它的進一步發展。這就是直流電不能解決遠距離輸電，也不能解決電壓高低的變換問題，於是交流電機獲得了迅速發展。在此期間兩相電動機和三相電動機相繼問世。1885 年義大利物理學家加利萊奧·費拉里斯（1841-1897）提出了旋轉磁場原理，並研製出兩相非同步電動機模型，1886年移居美國的尼古拉·特斯拉也獨立地研製出兩相非同步電動機。俄國籍電氣工程師多利沃—多勃羅沃利斯基在 1888年製成一臺三相交流單籠型非同步電動機。交流電機的研製和發展。特別是三相交流電機的研製成功為遠距離輸電創造了條件 同時把電工技術提高到一個新的階段。

1880年前後，英國的費朗蒂改進了交流發電機，並提出交流高壓輸電的概念。1882年，英國的高登製造出了大型兩相交流發電機。1882年法國人高蘭德（1850—1888）和英國人約翰·吉布斯獲得了“照明和動力用電分配辦法”的專利，並研製成功了第一臺具有實用價值的變壓器，它是交流輸配電系統中最關鍵的裝置。

變壓器的基本結構是鐵心和繞組，以及油箱和絕緣套管等部件。它所依據的工作原理是法拉第在 1831年發現的互感現象，即由於一個電路產生電流變化，而在鄰近另一電路中引起感生電動勢的現象。在同一鐵心上繞上—次繞組和一次籤組，如在—次繞組中通入交

變申電流，由於電流的不斷變化。使其產生的磁場也隨之不斷變化。在一次籤組中就威應出由動勢來。變壓器依靠這一工作原理。把發電機輸出的申壓升高。而在使用者那裡又把申壓隆低。有了變壓器可以說就具備了高壓交流輸電的基本條件。1884年英國人埃德瓦德·霍普金生（1859—1922）又發明了具有封閉磁路的變壓器。後來威斯汀豪斯（1846—1914）對吉布斯變壓器的結構進行了改進，使之成為一臺具有現代效能的變壓器。1891年布洛在瑞十製造出高壓油浸變壓器，後來又研製出巨型高壓變壓器。由於變壓器的不斷改進，使遠距離高壓交流輸電取得了長足的進步。

經過100多年的發展，電機本身的理論已經相當成熟。但是，隨著電工科學、計算機科學與控制技術的發展，電機的發展又進入了新的發展階段。其中。交流調速電機的發展最為令人矚目。

早在半個多世紀以前。傳統的變電壓、串級、變壓變頻等交流調速方法的原理就都已經研究清楚了，只是由於要用電路元件和旋轉變流機組來實現，而控制性能又比不上直流調速，所以長期得不到推廣應用。20世紀70年代以後，有了電力電子變流裝置以後，逐步解決了調速裝置需要減少裝置、縮小體積、降低成本、提高效率、消除噪聲等問題，才使交流調速獲得了飛躍的發展。發明向量控制之後，又提高了交流調速系統的靜、動態效能。但是要實現向量控制規律，需要複雜的電子電路，其設計、製造和除錯都很麻煩。採用微機控制以後，用軟體實現向量控制演算法，使硬體電路規範化，從而降低了成本，提高了可靠性，而且還有可能進一步實現更加複雜的控制技術。由此可見，電力電子和微機控制技術的迅速進步是推動交流調速系統不斷更新的動力。

另外，高效能永磁材料和超導材料的發展，也給電機的發展注入了新的活力。

永磁申機由於結構簡單。可靠性女好，效率高。節省能量。從成本。效能、投資、維修和可靠性等幾方面綜合考慮，優於普通電機。但過去永磁材料的磁能積較小，一直沒有得到廣泛應用。近幾年，隨著稀土永磁材料的高速發展和電力電子技術的發展，使永磁電機有了長足進步。採用釹鐵硼永磁材料的電動機、發電機已經得到廣泛應用，大至艦船推進，小到人工心臟血泵等。

超導電機則已經用於發電和高速磁懸浮列車與船舶的推進等。

隨著科學技術的進步、原材料效能的提高和製造工藝的改進，電機正以數以萬計的品種規格，大小懸殊的功率等級（從百萬分之幾瓦到1000 MW 以上）。極為較廣的轉速範圍（從數天一轉到每分鐘幾十萬轉）、非常靈活的環境適應性（如平地、高原、空中、水下、油中，寒帶、溫帶、溼熱帶、乾熱帶，室內、室外，車上、船上，各種不同媒質中等），滿足著國民經濟各部門和人類生活的需要。

二、電機的分類與結構

電機的分類

電機是進行機電能量轉換或訊號轉換的電磁機械裝置的總稱。按照不同的角度，電機有不同的分類方法∶

按照所應用的電流種類，電機可以分為直流電機和交流電機。按照在應用中的功能來分，電機可以分為下列各類。

（1）將機械功率轉換為電功率——發電機。

（2）將電功率轉換為機械功率——電動機。

（3）將電功率轉換為另一種形式的電功率，又可分為∶

①輸出和輸入有不同的電壓——變壓器。

②輸出與輸入有不同的波形，如將交流變為直流——變流機。

③輸出與輸入有不同的頻率———變頻機。

④輸出與輸入有不同的相位——移相機。

（4）在機電系統中起調節、放大和控制作用的電機——控制電機。

按執行速度，電機又可以分為：

（1）靜止裝置———變壓器。

（2）沒有固定的同步速度——直流電機。

（3）轉子速度永遠與同步速度有差異——非同步電機。

（4）速度等於同步速度——同步電機。

（5）速度可以在寬廣範圍內隨意調節——交流換向器電機。

按功率大小。又可以分為大型電機、中小型電機和微型電機。

隨著電力電子技術和電工材料的發展，出現了其他一些特殊電機，它們並不屬於上述傳統的電機型別，包括步進電動機、無刷電機、開關磁阻電機、超聲波電機等，這些電機通常被稱為特種電機。

發電機

發電機是將機械能轉變為電能的機械，發電機將機械能轉變成電能後送到電網上。提供機械能的原動機有很多種；水輪機、風力機、由燃油與煤炭或原子能反應堆產生的蒸汽將熱能變為機械能的蒸汽輪機、直接燃燒氣體的燃氣輪機、汽油發動機、柴油機等。

人們所用的交流電絕大多數是由交流發電機發出的。這些發電機都是接到交流電網上的，它們必須以固定電角速度旋轉，在任何時候都產生相同頻率的交流電，這類電機稱為同步發電機。

大型發電機主要是同步發電機，單機容量可達數十萬千瓦。小容量發電機用於獨立電源系統，如柴油發電機、風力發電機等。由於同步發電機需要勵磁裝置，在部分場合，如風力發電機。也可使用非同步發電機進行發電。正如在緒論中介紹的。現代發電廠已經不再採用直流發電機，僅僅在一些特殊場合才用到小型直流發電機。

大型問步發電機的定子由矽鋼片各制而成，鐵心的槽內放置對稱三相繞組。轉子由鐵磁材料製成。放置勵磁繞組。勵磷絡組經過漫環接入直流勵磷由源。業發電機由原動機拖動旋轉時，勵磁繞組切割三相繞組導體，在繞組中產生感應電動勢。由於定子繞組為對稱三相繞組，感應出的電動勢為對稱的三相電動勢。大型同步發電機的轉子構造有兩種型別；隱極式和凸極式。隱極式轉子為圓柱形，發申機的氣隙為均勻氣隙，這類發電機多用於高速大容量汽輪發電機。凸極式轉子多用於水輪發電機，這種發電機的轉速較低，電機極數較多，轉子透過軸與原動機連線。圖2-1所示為隱極式和凸極式同步發電機的結構。

電動機

電動機的作用是將電能轉換為機械能。現代各種生產機械都廣泛應用電動機來驅動。其中小功率電動機和微特電動機，常常用於電動工具與家用電器中，也可以用在自動控制系統和計算裝置中作為檢測、放大、執行元件等。

生產機械由電動機驅動有很多優點；簡化生產機械的結構，提高生產率和產品質量，能實現自動控制和遠距離操縱，減輕繁重的體力勞動。

有的生產機械只裝配著一臺電動機，如單軸鑽床；有的需要好幾臺電動機，如某些機床的主軸、刀架。橫樑以及匯測滑油泵和冷卻油泵等都是由單獨的電動機來驅動的一一輛現代化的高階轎車。常常要用到 40臺以上的微利電動機。一一列電動車組要用到幾十臺功率為幾百千瓦的牽引電動機。而大型客機、艦船要用到的驅動與控制電動機則更多。

目前，在生產上用的電動機主要是三相感應電動機，佔世界電機數量的60%以上。由於它結構簡單，成本低廉。堅固耐用，所以廣泛地用來驅動各種金屬切削機床、起重機、鍛壓機，傳送帶、鑄造機械、功率不大的通風機及水泵等。圖 2-2所示為三相感應電動機的結構。單相感應電動機常用於功率不大的電動工具和某些家用電器中。

在需要均勻調速的生產機械上，如龍門刨床、軋鋼機及某些重型機床的主傳動機構，以及在某些電力牽引和起重裝置中，傳統上採用直流電動機，但隨著電力電子技術的進步，已經逐步讓位於交流電動機。

同步電動機主要應用於功率較大，不需調速，長期工作的各種生產機械，如壓縮機、水泵、通風機等。

伺服電動機是自動控制系統及其他裝置中使用的一類小型電動機，按照輸入訊號進行起動、停止、正轉和反轉等過渡性動作，操作和驅動機械負荷，廣泛應用於工業用機器人、航空、航天、機床、辦公裝置、各種測量儀器、印表機、繪圖儀等裝置中。

根據實際需要，電動機可以分為旋轉（一維）電動機、直線（一維）電動機、平面（二維）電動機、螺旋（二維）電動機與球型（三維）電動機。

變壓器

變壓器是一種靜止電機。其主要組成部分是鐵心和繞組。為了改善散熱條件，大、中容量的電力變壓器的鐵心和繞組浸入在盛滿變壓器油的封團油箱中，各繞組對外線路的連線由絕緣套管引出。為了使變壓器安全可靠地執行，還設有儲油櫃、安全氣道、氣體繼電器等附件。

變壓器主體是鐵心及套在鐵心上的繞組。把接交流電源的繞組設定為一次繞組，其匝數用字母N。表示；把接負載的繞組設定為一次繞組，其匝數用字母N。表示。當一次繞組接通交流電源時，二次繞組接的電燈就會發光。這可以根據電磁感應原理來說明∶

一次繞組接通交流電壓U時，在一次繞組中就有交變電流I，透過，這個電流將激發鐵心產生交變的磁通。穿過電路的磁通量發生變化，電路中便有感應電動勢產生，這個感應電動勢將阻止電流的增加。如果二次電路透過負載閉合，便產生二次電流I。由於一、二次繞組套在同一鐵心柱上，鐵心中的交變磁通同時交鏈一、二次繞組，於是在兩繞組中都產生感應電動勢。顯然，對於負載來說，二次繞組中的感應電動勢相當於申源，在二次繞組接通的迴路中，便有電流透過，使電燈發光。這就是變壓器的基本工作原理。

變壓器只能傳遞交流電能，而不能產生電能；它只能改變交流電壓或電流的大小。不改變頻率。

特種電機

一、永磁無刷電動機

無刷電動機誕生於20世紀60年代後期，並伴隨著永磁材料技術、微電子及電力電子技術、電動機技術等迅速發展起來。無刷電動機是—種典型的機電—體化產品，主要中由動機本體、位置感測器及電子開關線路組成。轉子採用永磁材料的無劇電動機，又稱為永磁無刷電動機，而無刷電動機絕大多數採用永磁轉子。

永磁無刷電動機可分為方波（注入電動機本體定子繞組為方波形電流）驅動的無刷直流電動機（BLDCM）和正弦波驅動的永磁同步電動機（PMSM）兩種型別。與傳統有刷直流電動機相比，BLDCM用電子換向取代原直流電動機的機械換向，並將原有刷直流電動機的定、轉子顛倒（轉子採用永久磁鋼）。從而省去了機械換向器和電刷；而PMSM則是用永磁體取代原繞線式同步電動機轉子中的勵磁繞組，定子不做改變，因而省去了勵磁線圈、滑環和電刷。由於 BLDCM定子電流為方波驅動，相對於 PMSM的正弦波驅動，在相同條件下逆變器獲取方波要容易得多，加之其控制也較 PMSM簡單（但是其低速執行時效能較 PMSM差——主要是受脈動轉矩的影響），因此，BLDC。M 更贏得了人們的廣泛關注。

永磁無刷電動機因其卓越的效能和不可替代的技術優勢，越來越受到人們的關注，特別是自 20世紀70年代後期以來，隨著稀土水磁材料技術、電力電子技術、計算機控制技術等支撐技術的快速發展及微電機制造工藝水平的不新提高，使永磁無刷申動機技術的發展及其效能不斷提高，最初在中、小伺服驅動領域與航空、航天、機器人、家用電器中獲得應用，而今天已廣泛地應用於電動汽車、電動車組、電動艦船等領域。今後，隨著永磁無刷直流電動機技術及相關支撐技術等的不斷髮展以及人類社會的不斷進步，永磁無刷電動機將獲得更為廣泛的應用。

二、直線電機

直線電機的歷史，最早可追溯到1840年惠斯登開始提出和製作了略具雛形但並不成功的直線電機，至今已有170多年的歷史。在這段歷史過程中，直線電機經歷了探索實驗、開發應用和實用商品化三個時期。

從1840年到1955年的116年間，直線電機從設想到實驗，又到部分實驗性的應用，經歷了一個不斷探索、屢遭失敗的過程。20世紀50年代以後，以英國萊思韋特（E，Laithwaite）為代表的研究人員在直線電動機基礎理論研究方面取得了重要的研究成果，在電機設計理論上取得了很多進展，對直線電機的應用起到了推動作用，也使直線電機再一次受到了各國的重視。

近年來，直線電機在工業機械、軌道交通、電梯、航空母艦飛機發射、電磁炮、導彈發射架、電磁推進潛艇等方面的應用都已經實用化。而美國等正在研究的所謂“太空電梯（Space Elevator）”，則是用直線電機將太空梭或宇宙飛船發射到太空的計劃。

在計算機磁碟驅動器內，有一種驅動磁頭的電機稱為音圈電機，也可以看成是直線電機的一種。

直線電機並不限於電動機，也有直線發電機，圖2-7所示就是一種海浪驅動的直線發電機。

三、步進電動機

步進電動機（Stepping Motor）把電脈衝訊號變換成角位移以控制轉子轉動，在自動控制裝置中作為執行元件。每輸入—個脈衝訊號。步進電動機前進一步，故又稱脈衝電動機。隨著微電千和計算機技術的發展，步進電動機的需求量與日俱增。在國民經濟各領域都有應用。

步進電動機的驅動電源由變頻脈衝訊號源、脈衝分配器及脈衝放大器組成，由此驅動電源向電動機繞組提供脈衝電流。步進電動機的執行效能取決於電動機與驅動電源間的良好配合。

步進由動機分為機電式及磁電式兩種基本型別。機電式步進電動機由鐵心、線圈、齒輪機構等組成。螺線管線圈通電時將產生磁力。椎動其鐵心心、運動。透過齒輪機構使輸出軸轉動一角度，透過抗旋轉齒輪使輸出轉軸保持在新的工作位置；線圈再通電。，轉軸又轉動一角度，依次進行步進運動。磁電式步進電動機主要有永磁式、反應式和永磁感應式三種形式。

四、超導電機

超導電機在機電能量轉換原理上與普通電機沒有什麼不同，只是其繞組採用超導材料，可以大大減小體積、節約能源。由於實現超導需要製冷裝置，所以結構特別複雜，因此一般僅用於大型發電機或者電動機如萬噸巨輪的推進）。圖2-9所示是一臺艦船用超導直流電動機。

五、超聲波壓電電動機

超聲波壓電電動機是 20世紀 80年代中期發展起來的一種全新概念的新型驅動裝置。它沒有磁場與繞組，與傳統電磁式電機原理完全不同。它是利用壓電材料的逆壓電效應，將電能轉換為彈性體的超聲振動。並將摩擦傳動轉換成運動體的旋轉或直線運動。這類電動機具有執行速度低、出力大、結構緊湊、體積小、噪聲小等優點，而且不受環境磁場的影響，可以應用於生物生命科學、光學儀器、高精密機械等領域。