一起了解一下電動機的歷史

早期的電動機

法拉第的電磁實驗，1821年第一批電動機是簡單的靜電裝置，在蘇格蘭和尚安德魯·戈登和美國實驗師本傑明·富蘭克林在1740年代的實驗中描述過。背後的理論原理，即庫侖定律，是由亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）在1771 年發現的，但尚未出版。該定律是由查爾斯·奧古斯丁·德·庫侖（Charles-Augustin de Coulomb）於1785年獨立發現的，後者出版了該定律，因此現已廣為人知和他的名字。[4]亞歷山大·沃爾特 （Alessandro Volta）在1799年發明的電化學電池[5]使產生持續電流成為可能。在發現了這種電流與磁場之間的相互作用之後，即漢斯·克里斯蒂安·厄斯特 （Hans ChristianØrsted）在1820年的電磁相互作用，很快就取得了很大進展。安德烈·瑪麗·安培（André-MarieAmpère）僅用了幾周的時間就開發出了電磁相互作用的第一個公式，並提出了安培力定律，該定律描述了電流和磁場相互作用產生的機械力。1821年，邁克爾·法拉第（Michael Faraday）首次演示了旋轉運動的效果。將一根自由懸掛的金屬絲浸入汞池中，放置了永磁體（PM）。當電流通過導線時，導線繞磁鐵旋轉，這表明電流在導線周圍產生了緊密的圓形磁場。[7]這種電動機通常在物理實驗中得到證明，用鹽水代替（有毒）汞。Barlow的車輪是對該法拉第演示的早期改進，儘管這些和類似的同極電動機直到本世紀末仍不適合實際應用。

傑德利克（Jedlik）的“電磁自轉子”，1827年（布達佩斯應用藝術博物館）。歷史悠久的馬達今天仍然運轉良好。

詹姆斯·喬爾（James Joule）1842年在格拉斯哥亨特利博物館（Hunterian Museum）向凱爾文（Kelvin）展示了一種電動機

1827年，匈牙利 物理學家 ÁnyosJedlik開始進行電磁線圈的實驗。在Jedlik用換向器的發明解決了連續旋轉的技術問題後，他稱他的早期設備為“電磁自轉子”。儘管它們僅用於教學，但在1828年，傑德利克展示了第一臺包含實用直流電動機的三個主要部件的設備：定子，轉子和換向器。該設備不使用永磁體，因為固定組件和旋轉組件的磁場僅由流經它們的繞組的電流產生。

直流電動機

英國科學家威廉·斯特金（William Sturgeon）於1832 年發明了第一臺能夠轉動機械的換向器 直流電動機。在St魚的工作之後，美國發明家托馬斯·達文波特（Thomas Davenport）建造了換向器型直流電動機，並於1837年申請了專利。電機以每分鐘600轉的速度運轉，併為電動工具機和印刷機提供動力。由於一次電池的高昂成本，電動機在商業上並不成功，並且達文波特破產了。幾位發明家跟隨St魚（Sturgeon）研發了直流電動機，但他們都遇到了相同的電池成本問題。由於沒有配電該系統當時可用，這些電動機沒有實際的商業市場出現。

在用相對較弱的旋轉和往復運動設備進行了許多其他或多或少的成功嘗試之後，普魯士人Moritz von Jacobi於1834年5月創建了第一臺真正的旋轉電動機。它產生了非凡的機械輸出功率。他的摩托創下了世界紀錄，四年後的1838年9月，雅各比改進了這一紀錄。他的第二臺摩托足夠強大，可以在一條寬闊的河流上駕駛14人的船。也是在1839/40年，其他開發商設法制造出性能相近，然後更高的電動機。

1855年，傑德利克（Jedlik）使用與他的電磁自旋翼所使用的原理相似的原理製造了一種能夠完成有用工作的設備。同年，他製造了電動汽車模型。

一個重大的轉折出現在1864年，當時Antonio Pacinotti首次描述了環形電樞（儘管最初是在DC發電機（即發電機）中構思的）。該特徵具有對稱分組的線圈，它們彼此閉合並連接到換向器的棒上，換向器的電刷幾乎提供不波動的電流。最初的商業上成功的直流電動機跟隨ZénobeGramme的發展，他於1871年重新發明了Pacinotti的設計並採用了Werner Siemens的一些解決方案。

到直流電機的好處從電機的可逆性，這是由西門子公司於1867年公佈，並在通過Pacinotti觀察發現來到1869年格拉姆意外證明它的之際，1873年維也納世界博覽會，當時他將兩個這樣的直流設備彼此之間相距不超過2 km，將其中一個用作發電機，將另一個用作電動機。

鼓式轉子是西門子和哈爾斯克公司的Friedrich von Hefner-Alteneck於1872年引入的，用來代替Pacinotti的環形電樞，從而提高了機器效率。[6] 疊片式轉子由Siemens＆Halske於次年推出，從而減少了鐵損並提高了感應電壓。1880年，喬納斯·溫斯特羅姆（JonasWenström）為轉子提供了用於容納繞組的插槽，從而進一步提高了效率。

1886年，弗蘭克·朱利安·斯普拉格（Frank Julian Sprague）發明了第一臺實用的直流電動機，這是一種無火花裝置，在可變負載下保持相對恆定的速度。大約在這個時候，斯普拉格（Sprague）的其他電氣發明極大地改善了電網的配電性能（在托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）任職之前完成的工作），允許電動機的功率返回電網，通過架空電線和電車杆為電車供電，並提供了用於電氣操作的控制系統。這使Sprague於1887–88年在弗吉尼亞州里士滿使用電動馬達發明了第一個電動手推車系統，1892年的電動電梯和控制系統以及帶有獨立供電的中央控制汽車的電動地鐵。後者於1892年由南側高架鐵路首次安裝在芝加哥，在那裡它被俗稱為“ L ”。斯普拉格（Sprague）的電動機及其相關發明引起了人們的興趣，並在工業電動機中得到了廣泛應用。由於未能認識到轉子和定子之間的氣隙的極端重要性，效率可接受的電動機的開發被推遲了幾十年。高效的設計具有相對較小的氣隙。由於相同的原因，長期在教室中用來說明運動原理的聖路易斯汽車效率極低，而且看上去也不像現代汽車。

電動機徹底改變了行業。工業過程不再受到使用軸，皮帶，壓縮空氣或液壓的動力傳輸的限制。取而代之的是，每臺機器都可以配備自己的電源，在使用時可以輕鬆控制，並提高了動力傳輸效率。農業中使用的電動機從處理穀物或抽水等任務中消除了人類和動物的肌肉力量。家用電動機的使用減少了家庭的繁重勞動，並使更高的便利性，舒適性和安全性標準成為可能。如今，電動機消耗了美國生產的一半以上的電能。

交流電動機

1824年，法國物理學家FrançoisArago提出了旋轉磁場的存在，稱為Arago旋轉，通過手動打開和關閉開關，Walter Baily於1879年證明了它是第一臺原始感應電動機。在1880年代，許多發明者試圖開發可行的交流電動機[31]，因為交流電動機在遠距離高壓傳輸中的優勢被無法在交流電動機上運行而抵消。

1885年，伽利略·法拉利（Galileo Ferraris）發明了第一臺交流無換向器感應電動機。法拉利（Ferraris）於1886年生產了更先進的裝置，從而改進了他的第一個設計。1888年，都靈皇家科學研究院發表了法拉利（Ferraris）的詳細研究電機運行的基礎，但當時得出結論說：“基於該原理的設備作為電機不能具有任何商業意義。”

可能的工業發展由構想尼古拉·特斯拉，誰在1887年發明了他的獨立感應電動機並在5月1888年獲得了專利。同年，特斯拉提出了他的論文的新系統交流電機和變壓器的AIEE所描述三項專利兩相四定子極電動機類型：一種具有四極轉子形成非自啟動磁阻電動機，另一種具有繞線轉子構成自啟動感應電動機，第三種是真正的同步電動機，分別具有向轉子繞組提供勵磁直流電源。然而，特斯拉在1887年申請的一項專利也描述了一種短路轉子感應電動機。喬治·威斯汀豪斯（George Westinghouse）已從法拉利（Ferraris）獲得了權利（1,000美元），隨即購買了特斯拉的專利（60,000美元，外加每售出的馬力汽車的2.50美元，直到1897年才支付），[32]僱用特斯拉開發電動機，並委託CF Scott幫助特斯拉; 但是，特斯拉於1889年離開了其他地方。[ 過多引用 ]發現恆速交流感應電動機不適用於有軌電車，[31]但西屋公司的工程師成功地將其改造為1891年在科羅拉多州特柳賴德的採礦業務提供動力。[53] [54] [55] 西屋公司於1892年實現了其第一臺實用感應電動機，並於1893年開發了多相60赫茲感應電動機系列，但是這些早期的西屋電機是帶有繞線轉子的兩相電機。BG Lamme隨後開發了旋轉棒繞線轉子。[45]

在堅定地促進三相發展方面，Mikhail Dolivo-Dobrovolsky於1889年發明了三相感應電動機，該電動機是帶有啟動變阻器的籠型轉子和繞線轉子兩種類型，並於1890年發明了三臂變壓器。在AEG和Maschinenfabrik Oerlikon之間，Doliwo-Dobrowolski和Charles Eugene Lancelot Brown開發了更大的模型，即20馬力的鼠籠和100馬力的帶有啟動變阻器的繞線轉子。這些是首批適用於實際操作的三相異步電動機。自1889年以來，溫斯特羅姆就開始了三相機械的類似開發。在1891年法蘭克福國際電工技術展覽會上，成功展示了首個長距離三相系統。它的額定電壓為15 kV，從內卡河上的勞芬瀑布延伸了175公里。Lauffen電站包括一個240 kW 86 V 40 Hz交流發電機和一個升壓變壓器，而在展覽會上，一個降壓變壓器為100 hp三相感應電動機供電，該電動機為人工瀑布供電，代表了原始變壓器的轉移。能量源。]三相感應現在已用於絕大多數商業應用。但是，他聲稱特斯拉的電動機由於兩相脈動而不切合實際，這促使他堅持自己的三相工作。

在通用電氣公司於1891年開始研製的三相異步電動機[45]到1896年，通用電氣公司和西屋公司簽署了吧繞組轉子設計了交叉授權協議，後來被稱為籠型轉子。感應電動機的改進源於這些發明和創新，使得100 馬力的感應電動機目前具有與1897年的7.5馬力電動機相同的安裝尺寸。

組件

電動機轉子（左）和定子（右）

主條目：轉子（電動）

在電動機中，運動部件是轉子，轉子使軸旋轉以傳遞機械動力。轉子中通常裝有導體，導體中載有電流，這些電流與定子的磁場相互作用，產生使軸旋轉的力。可替代地，一些轉子承載永磁體，而定子保持導體。

軸承

轉子由軸承支撐，軸承使轉子可以繞其軸線旋轉。軸承又由電動機殼體支撐。電機軸通過軸承延伸到電機外部，在此處施加負載。因為載荷的力施加在最外面的軸承之外，所以載荷被懸掛了。[59]

定子

主條目：定子

定子是電動機電磁電路的固定部分，通常由繞組或永磁體組成。定子鐵心由許多薄金屬板（稱為疊片）組成。疊片用於減少如果使用實心磁芯會導致的能量損失。

氣隙

轉子和定子之間的距離稱為氣隙。氣隙具有重要的影響，並且通常儘可能小，因為大的氣隙會對性能產生強烈的負面影響。它是電動機工作的低功率因數的主要來源。勵磁電流隨著氣隙的增加而增加。因此，氣隙應最小。除噪聲和損耗外，很小的間隙還可能引起機械問題。

凸極轉子

主條目：繞組

繞組是放置在線圈中的導線，通常纏繞在層壓的軟鐵磁芯上，以便在通電時形成磁極。

電機有兩種基本的磁場磁極配置：凸極和非凸極配置。在凸極電機中，磁極的磁場由纏繞在磁極面下方的磁極上的繞組產生。在非凸極或分佈磁場或圓轉子電機中，繞組分佈在極面槽中。[60]阿罩極電機具有極的卷繞部分即延遲該磁極的磁場的相位。

一些電動機的導體由較厚的金屬組成，例如金屬條或金屬片，通常是銅，或者是鋁。這些通常由電磁感應驅動。

換向器

主條目：換向器（電動）

玩具的小型直流電動機及其換向器

甲換向器是用於一個機構切換最直流電機和某些交流電機的輸入端。它由彼此絕緣並且與軸絕緣的滑環段組成。電動機的電樞電流是通過與旋轉的換向器接觸的固定電刷提供的，這會導致所需的電流反轉，並在轉子從一個極到另一個極旋轉時以最佳方式向電機供電。[61] [62]在沒有這種電流反向的情況下，電動機將制動至停止。鑑於電子控制器，無傳感器控制，感應電動機和永磁電動機領域的改進技術，外部換向感應和永磁電動機正在取代機電換向電動機。

電機供應和控制

電機電源

如上所述，通常通過滑環換向器來供應DC電動機。交流電動機的換向可以使用滑環換向器或外部換向來實現，可以是定速或變速控制型，也可以是同步或異步型。通用電動機可以交流或直流運行。

電機控制

通過調節施加在端子上的直流電壓，直流電動機可以變速運行。

通常以固定速度運行的交流電動機直接由電網或通過電動機軟啟動器供電。

變速運行的交流電動機由各種功率逆變器，變頻驅動器或電子換向器技術提供動力。

電子換向器一詞通常與自換向無刷直流電動機和開關磁阻電動機應用相關。