感应马达(电机发展史丨电与磁共舞，通往现代之路)

Posted 2023-05-26

篇首语：听闻少年二字，当与平庸相斥。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了感应马达(电机发展史丨电与磁共舞，通往现代之路)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

感应马达(电机发展史丨电与磁共舞，通往现代之路)

我们都应该记住这样一位伟大的科学巨匠，改变人类历史进程的天才！

迈克尔·法拉第，（Michael Faraday，公元1791～公元1867），发电机与电动机的重要发明者。于1831年发现了电磁感应定律，后来被詹姆斯·克拉克·麦克斯韦使用，建立起了当今的电磁理论的基础方程式，即麦克斯韦方程组。为电能的大规模生产及应用奠定了基础，也成为发电机与电动机的理论基石。

直流电动机的诞生

电动机是将电能转化为机械能的设备，现代电动机是建立在电磁感应定律上的旋转机械。但是，在电动机诞生之时，许多直流电动机并不是以电磁感应原理为基础，而是利用电磁铁对软铁的吸引作用或磁铁间的相互吸引，排斥作用，利用电流磁效应研制成功的。

1821年法拉第电机——水银杯转动实验，首次利用电流磁效应将电能转变为旋转运动的机械能。

1828年捷德里克电动机——Anyos Jedlik，公元1800年~公元1895年，匈牙利著名科学家，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

1831年亨利摆动式电动机，Joesph Henry，公元1797年~公元1878年，美国科学家，同时也是以电感单位“亨”留名的大物理学家，在《美国科学和艺术杂志》（第20卷，340-343页）上发表了题为“利用磁的吸引和排斥力产生往复运动”的论文，首次引入了“电动机，electrical motor”这个名词，提出了制造电动机的设想，并预言“电动机的重要性无论怎样强调也不嫌过分。电动机可以按照要求造得极大或极小，可以从几英里之外接来电流使它运转，既能马上起动又能立即停止。”

1834年开创电机应用先河的达文波特电机，Thomas Davenport，公元1802年~公元1851年，美国直流电机的发明者，他是一名铁匠，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。

1840年他还改进了电动机结构，用来驱动印刷机印刷报纸。

1837年美国专利公布了人类历史上第一个电动机专利，即美国专利No.132。

达文波特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。

1839年涅瓦河上的电动船

Moritz Hermann von Jacobi，公元1801年~公元1874年，生于德国，后移居俄国，圣彼得堡科学院院士。

1838年设计的雅可比电动机：两个星形轮盘上分别布置永磁磁极，轮盘间布置一个可以旋转的轮盘，其上装有电磁铁棒（电枢），左边为换向器，通电后可利用磁铁间的作用不停旋转。

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！

除了上面介绍的伟大先贤们的杰出贡献，实际上19世纪50年代以前研究直流电动机的人还有很多很多，他们都为直流电动机的诞生和发展做出了重要贡献！实际上19世纪50年代以前可以看做是直流电动机的萌芽及诞生时期，基于不同的原理及用途，人们发明了五花八门的直流电动机。

直流发电机的诞生

19世纪30年代到上半叶，伴随着第二次工业革命，电悄悄的进入了人类的社会生活。社会生产力的进一步发展，电解、电镀、电力照明的需要，大家开始寻找新的供电装置，法拉第电磁感应定律的出现，将社会需要与科学理论结合起来，使得发电机的研制工作得到了较快发展！但是，由于当时的人们并不清楚电机的可逆性原理，发电机与电动机是各自为政，并行发展的！

1831年发电机的始祖——法拉第圆盘式发电机，依靠马蹄形永磁铁设计的一种单极直流发电机。

法拉第日记里的设计草图▼

法拉第发电机复原图▼

1832年现代直流发电机雏形——皮克西手摇发电机

A. Hippolyte Pixii，公元1808年~1835年，法国仪器制造商，发明了一台永久磁铁旋转式手摇交流发电机。

1833年他的哥哥，M. Hippolyte Pixii，公元1804年~1851年，通过换向器结构使得输出电流变成直流电，成为世界上首次报道制成的直流发电机。

第一批走出实验室的直流发电机：

1835年，克拉克手摇发电机，E.M.Clarke，英国科学仪器制造师。▼

1842年，雅可比手摇发电机▼

开启发电机应用大门的发电机——诺莱·霍姆斯蒸汽机驱动发电机

1950年，Floris Nollet，公元1794年~公元1853年，比利时物理学教授，设计了一台蒸汽机驱动的直流发电机，用于水的电解。

By Niethammer, F.; Ein- und Mehrphasen-Wechselstrom-Erzeuger; Verlag S. Hirzel; Leipzig 1906, Public Domain.

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=606769

1852年，世界上最早的电灯公司——英法联盟商会成立，开始制造直流发电机

1858年，曾与诺莱共事的英国化学家，电力照明先锋，Frederick Hale Holmes，公元1812年~？，研制成功了新型的发电机，并在South foreland灯塔投入运行！联盟牌发电机是发电机进入工业、商业领域的里程碑！也是发电机进入人类社会生活的第一步，具有真正实用价值！

现存于伦敦科学博物馆，联盟牌霍姆斯发电机▼

By user:geni - Photo by user:geni, CC BY-SA 4.0

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5533256

上帝眷顾的比利时人——电机可逆性原理

如果能够穿越到1873年，你一定会被眼前的景象震惊！奥地利政府在维也纳举办世界博览会上，有这样一场表演：一台燃气发动机驱动发电机旋转，经过500m长的导线送入另外一台格拉姆电机，电机转动带动一台水泵向外喷水！

By n/a; original upload by User Newfoundlanddog on de.wikipedia - Stadtchronik Wien, Verlag Christian Brandstätter, page 316, Public Domain.

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=714466

这其实源于一个意外，也许是第一次参加如此的盛会，或许是看到了世界上各种新奇的展品，Zénobe Théophile Gramme，公元1826年~公元1901年，比利时电气工程师以及Hippolyte Fontaine，公元1833年~公元1910年，法国电气工程师，忙中出错偶然间将两台直流发电机连在一起，当第一台直流发电机被燃气发动机带动旋转时，第二台直流发电机也忽然旋转了起来！要知道19世纪70年代以前，直流电动机均采用电池供电，高昂价格而且笨重的电池极大地限制了电动机的发展和应用，虽然有很多科学家在研究电机可逆性原理，但是一直没有实际应用层面的进展，终于困扰大家多年的廉价电源问题得以解决！

以此为起点，在蒸汽机发明了100年后，人类社会正式进入了第二次工业革命！

旋转磁场理论

旋转磁场理论是感应发电机、同步电机的理论基石之一，故探寻感应电动机的诞生必须从旋转磁场的发现谈起。

1824年阿拉果圆盘，Dominique François Jean Arago, 1786年~1853年，法国著名科学家。世界上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。

1879年，Walter Bailey，英国科学家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。（Philosophical Magazine，1879年，第18卷，286~290页）

感应电动机的诞生

——费拉里斯两相感应电动机

1883年，M.Depretz，1843年~1918年，在巴黎科学院发表演讲，提出将两个在空间和时间上各相差90°的交变磁场合成，可以得到一个旋转磁场。但是，其思想并未引人注意。

首先根据旋转磁场理论发明两相感应电动机的是意大利物理学家，Galileo Ferraris，1847年~1897年。

1885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，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。

但是遗憾的是，费拉里斯认为这种电动机只是一种实验装置，本身存在许多缺陷，不能用作实际的电动机，没有继续深入研究。

特斯拉和他的感应电动机

Downloaded from: https://en.wikipedia.org/wiki/Nikola_Tesla#/media/File:N.Tesla.JPG

NiKola Tesla 1856年~1943年

特斯拉是一位颇具传奇色彩的美籍克罗地亚科学家，被誉为“把世界带入电气化时代的人”，之前有很多介绍他传奇事迹的文章，实际上对于感应电动机他也做出了卓越贡献。

1881年，在布拉格大学时就设想过旋转磁场。

1883年，在英国斯特拉斯堡工作时，利用业余时间制造过两相同步发电机和两相同步电动机的模型。

1885年，由于理念问题，特斯拉离开爱迪生电灯公司，成立了特斯拉研究所进行交流电机及交流电应用的研究工作。8月，特斯拉制成了一台两相感应电动机。

1887年，特斯拉电气公司成立，10月12日，特斯拉两相同步发电机、电动机及带短路相绕组的两相感应电动机申请美国专利。并于1888年5月1日获得美国专利，专利号No.381968和No.382279。

1888年7月西屋公司收购了特斯拉在美国的专利，并聘请他到西屋工作。特斯拉与C.F.Scott,1846年~1914年，开始了商用两相感应电动机的设计，制造。

1893年，根据特斯拉等人的意见，西屋公司将60hz作为标准电源频率，这一标准频率后来在美国和其他一些国家一直沿用至今。

1894年，西屋公司开发出第一个感应电动机系列（ B型）

1893年，芝加哥哥伦比亚世博会上的Telsa' Egg of Columbus▼

https://en.wikipedia.org/wiki/Tesla%27s_Egg_of_Columbus#/media/File:WorldsFairTeslaPresentation.png

用来展示和解释旋转磁场模型和异步电动机的原理。为展示目的做的复制品可在贝尔格莱德的尼古拉·特斯拉博物馆，萨格勒布的技术博物馆及密歇根州的安娜堡手动博物馆中看到。

多利沃-多布洛夫斯基鼠笼式电动机

Mikhail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky

1861年~1919年

1888年，他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，世界上第一台三相鼠笼式感应电动机诞生▼

1889年3月8日，他的“三相交流电动机鼠笼电枢”申请德国专利，专利号No.51083▼

1889年12月5日，他的“三相绕线式发电机和电动机的星形和三角形连接法”申请英国专利，专利号No.19554

1893年，发明三相双鼠笼电动机和三相绕线式电动机

单相感应电动机

1889年，特斯拉设计带辅助相的单相感应电动机，解决了单相感应电动机的启动问题。

1891年，W.L.Davies，制成实验型单相感应电动机▼

感应电动机工业化的开端

1889年，德国AEG公司根据多布罗夫斯基的专利，制造了3hp的三相鼠笼式电动机。

1890年8月，BBC公司（即现在的ABB公司前身之一，1988年由BBC和ASEA两家公司合并而成）也根据多布罗夫斯基的发明制成了2hp三相电动机。

1891年，AEG公司制成5hp，110V，50Hz，1500r/min的鼠笼式电动机。

1892年，爱迪生电灯公司与汤姆逊——休斯敦电气公司合并成立美国通用电气公司，抛弃了原爱迪生公司对交流电技术的偏见，立即着手设计制造交流电机，1896年制造出150hp感应电动机。

从1889年第一台三相鼠笼式电动机诞生至今，鼠笼式感应电机整整走过了130年，从最初的2hp到现在几千几万kw，整个电动机工业有了长足的进步，也以其结构简单、牢固、价格低廉成为应用最为广泛的电动机！

同步电机的诞生

时间一下子又回到19世纪30年代，伴随着第二次工业革命，法拉第电磁感应定律的出现，极大地推动了直流发电机的发展。实际上当时出现的很多直流发电机都是交流发电机加上一个换向器。例如：

1832年 , 法拉第收到署名P.M.的来信，提出交流发电机的设计，它是一种单相同步多级发电机。

1832年，皮克西发明了一台永久磁铁旋转式手摇交流发电机。

1849年，诺莱设计了单相同步发电机并和Van Malderen(未查到相关资料及人物介绍)一起制成了一台单相同步发电机。

但是，在19世纪70年代以前，由于人们对交流电缺乏了解，误认为交流电没有实际用途，工业上使用很不方便，所以从19世纪30~70年代的40多年间，同步电机几乎没有什么发展。

单相同步发电机——探索萌芽阶段

1876年3月23日，Pavel Nikolayevich Yablochkov，1847年~1894年，俄国发明家，发明了交流电照明装置——雅勃洛奇科夫电烛，使社会对交流电的需要增加。

来源：维基百科

1878年法国世博会被雅勃洛奇科夫电烛照亮的巴黎歌剧院大道▼

来源：维基百科

1878年，Elihu.Thomson，1853年~1937年，美国发明家（GE公司前身汤姆森-休斯顿电气公司的创始人之一，也是IEC标准委员会的创始人之一），制成了一台单相同步发电机。该机为磁极旋转式发电机，电枢为鼓形电枢。

来源：http://edisontechcenter.org/thomson.html

1879年，西门子-哈尔斯克公司制成了黑夫纳-阿登尼克式单相同步发电机。▼

同年，现代电气巨头之一的西门子第一次中国合作，通过革命性的实用发电机开启了中国电气化的进程，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。

来源：http://w1.siemens.com.cn/140years/index.aspx

单相同步发电机大发展

由于19世纪80年代进行的直流输电技术并不顺利，交流电技术迎来了大发展：

1881年，西门子公司为著名的伦敦Savoy剧院制造了2000V&120HP的单相同步发电机，Savoy剧院是世界上第一个采用电力照明的公共建筑。

来源：维基百科

1883年，西门子公司为位于伦敦的Grosvenor Gallery制造了两台250kw&2000V&他励，由Marshall蒸汽机拖动的单相同步发电机（当时世界最大的交流发电机）。

来源：维基百科

1883年，Sebastian Ziani de Ferranti，1864年~1930年，英国电气工程师；William Thomson, 1824年~1904年，英国科学家，申请联合专利，发明了费兰蒂-汤姆逊发电机。该机为电枢旋转式发电机：线圈用绝缘铜带连续绕制而成，两边用齿状厚铁板夹紧。

值得注意的是：

1883年，John Hopkinson，1849年~1898年，英国电气工程师，使用两台单相同步发电机并联运行，获得成功，解决了以往交流电机只能单独运行，无法构筑交流电网的一大难题，也为交流发电机的大型化和推广应用奠定了基础。

两相同步发电机

由于19世纪80年代进行的直流输电技术并不顺利，交流电技术迎来了大发展：

1882年，James Edward Henry Gordon，1852年~1893年，英国电气工程师，开始研制同步发电机。

1882到1885年间，哥登制成了3台120kw&150V&68Hz&146rpm的两相发电机。3台机组于1885年安装在大西部铁路的终点Paddington。

1888年Paddington车站的平面图来源：维基百科

1883年，特斯拉在斯特拉斯堡制成了一台两相同步发电机模型。

1887年，他设计了电枢旋转的两相同步发电机，于1887年10月12日申请的美国专利No.382280就包括两相同步发电机。

1888年，西屋公司依据特斯拉的发明开始生产两相同步发电机。

1893年，西屋公司在芝加哥世界博览会展出了多台500hp的两相同步发电机，并为该博览会的电厂提供了12台1000hp&2200V的两相同步发电机。

该电机为当时美国最大的同步发电机，该电厂也为美国当时最大的电厂。

图片来源：http://wemedia.ifeng.com/84942463/wemedia.shtml

三相同步发电机

世界上首先制造出具有实用价值三相同步电机的是Thomas.F.A.haselwander, 1859年~1932年，德国巴登地区的一个小业主。

1887年2月，他突发奇想，利用两台同样的地阿基进行远距离输电试验。将电机的环形电枢线圈一端连在一起，另一端接至一个换向片，这台电机有3个线圈，3片换向片。后来又利用三个滑环代替换向片。这样最原始的三相同步发电机就被哈舍尔汪德制成了。

8月，制造出了第二台三相同步发电机，并于1887年10月12日投入运行。

2.8kW&100V&32Hz&960rpm，自励励磁。

1887年7月21日，申请了德国专利No.H8147 II/21。

特斯拉同样在三相同步发电机方面作出了贡献，在他188年4月23日申请的美国专利No.390414中就包含三相同步发电机的有关内容。

多利沃-多布罗夫斯基是三相电流技术的奠基人，1888年他制成了一台2.2kW的旋转磁场式三相同步发电机。

ABB公司可以说是三相同步电机商业化的开端，其创始人之一，Jonas.wenstrom, 1855年~1893年，瑞典工程师，也对三相同步发电机的发展作出了卓越贡献。

1890年1月20日，他在瑞典申请了专利No.3093 “采用星形及三角形连接的三相同步和异步电机以及三相变压器”，同时也获得了英国专利No.5423。同年2月开始设计三相同步发电机。

1890年11月18日，他与弟弟创立的公司与1883年创办的斯德哥尔摩电气公司合并，成立了瑞典通用电气公司ASEA，ABB前身之一。ASEA公司成立伊始，就开始制造三相同步发电机。

该机为电枢旋转式，10kVA&60Hz&720rpm&10P

同步电动机

从电机可逆性原理来讲，同步发电机可以作为同步电动机运行，所以它们是并行发展的。

1883年，霍普金森在进行两台单相同步发电机并联运行试验时，发现当一台发电机与原动机脱开时，它会作为电动机反向运行。但是有一个很大的问题是没有解决同步电动机的自起动问题，使其应用受到了很大限制。

1883年，特斯拉制成了一台两相同步电动机的模型。

1887年，哈舍尔汪德制成了一台三相凸极同步电动机并投入运行。

1889年，特斯拉发明单相电动机的起动方法。

1890年起，西屋公司即采用特斯拉专利，生产可以自起动的同步电动机。

1891年，在法兰克福电气博览会上展出的一台三相同步电动机。

1902年，瑞典工程师丹尼尔用磁铁或电磁铁取代感应电动机的转子笼条。

之前在某煤制烯烃项目参观时拍摄的照片，图片为LDPE工艺流程中的增压机及主压缩机（远处的平台），其中电机为ABB品牌，压缩机为布克哈德品牌，其中驱动主压缩机的低速同步电机中心高就有2.5m，总高近两层楼高，代表了目前世界上最顶级的同步电机制造技术！

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