一起了解一下电动机的历史

早期的电动机

法拉第的电磁实验，1821年第一批电动机是简单的静电装置，在苏格兰和尚安德鲁·戈登和美国实验师本杰明·富兰克林在1740年代的实验中描述过。背后的理论原理，即库仑定律，是由亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）在1771 年发现的，但尚未出版。该定律是由查尔斯·奥古斯丁·德·库仑（Charles-Augustin de Coulomb）于1785年独立发现的，后者出版了该定律，因此现已广为人知和他的名字。[4]亚历山大·沃尔特 （Alessandro Volta）在1799年发明的电化学电池[5]使产生持续电流成为可能。在发现了这种电流与磁场之间的相互作用之后，即汉斯·克里斯蒂安·厄斯特 （Hans ChristianØrsted）在1820年的电磁相互作用，很快就取得了很大进展。安德烈·玛丽·安培（André-MarieAmpère）仅用了几周的时间就开发出了电磁相互作用的第一个公式，并提出了安培力定律，该定律描述了电流和磁场相互作用产生的机械力。1821年，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）首次演示了旋转运动的效果。将一根自由悬挂的金属丝浸入汞池中，放置了永磁体（PM）。当电流通过导线时，导线绕磁铁旋转，这表明电流在导线周围产生了紧密的圆形磁场。[7]这种电动机通常在物理实验中得到证明，用盐水代替（有毒）汞。Barlow的车轮是对该法拉第演示的早期改进，尽管这些和类似的同极电动机直到本世纪末仍不适合实际应用。

杰德利克（Jedlik）的“电磁自转子”，1827年（布达佩斯应用艺术博物馆）。历史悠久的马达今天仍然运转良好。

詹姆斯·乔尔（James Joule）1842年在格拉斯哥亨特利博物馆（Hunterian Museum）向凯尔文（Kelvin）展示了一种电动机

1827年，匈牙利 物理学家 ÁnyosJedlik开始进行电磁线圈的实验。在Jedlik用换向器的发明解决了连续旋转的技术问题后，他称他的早期设备为“电磁自转子”。尽管它们仅用于教学，但在1828年，杰德利克展示了第一台包含实用直流电动机的三个主要部件的设备：定子，转子和换向器。该设备不使用永磁体，因为固定组件和旋转组件的磁场仅由流经它们的绕组的电流产生。

直流电动机

英国科学家威廉·斯特金（William Sturgeon）于1832 年发明了第一台能够转动机械的换向器 直流电动机。在St鱼的工作之后，美国发明家托马斯·达文波特（Thomas Davenport）建造了换向器型直流电动机，并于1837年申请了专利。电机以每分钟600转的速度运转，并为电动工具机和印刷机提供动力。由于一次电池的高昂成本，电动机在商业上并不成功，并且达文波特破产了。几位发明家跟随St鱼（Sturgeon）研发了直流电动机，但他们都遇到了相同的电池成本问题。由于没有配电该系统当时可用，这些电动机没有实际的商业市场出现。

在用相对较弱的旋转和往复运动设备进行了许多其他或多或少的成功尝试之后，普鲁士人Moritz von Jacobi于1834年5月创建了第一台真正的旋转电动机。它产生了非凡的机械输出功率。他的摩托创下了世界纪录，四年后的1838年9月，雅各比改进了这一纪录。他的第二台摩托足够强大，可以在一条宽阔的河流上驾驶14人的船。也是在1839/40年，其他开发商设法制造出性能相近，然后更高的电动机。

1855年，杰德利克（Jedlik）使用与他的电磁自旋翼所使用的原理相似的原理制造了一种能够完成有用工作的设备。同年，他制造了电动汽车模型。

一个重大的转折出现在1864年，当时Antonio Pacinotti首次描述了环形电枢（尽管最初是在DC发电机（即发电机）中构思的）。该特征具有对称分组的线圈，它们彼此闭合并连接到换向器的棒上，换向器的电刷几乎提供不波动的电流。最初的商业上成功的直流电动机跟随ZénobeGramme的发展，他于1871年重新发明了Pacinotti的设计并采用了Werner Siemens的一些解决方案。

到直流电机的好处从电机的可逆性，这是由西门子公司于1867年公布，并在通过Pacinotti观察发现来到1869年格拉姆意外证明它的之际，1873年维也纳世界博览会，当时他将两个这样的直流设备彼此之间相距不超过2 km，将其中一个用作发电机，将另一个用作电动机。

鼓式转子是西门子和哈尔斯克公司的Friedrich von Hefner-Alteneck于1872年引入的，用来代替Pacinotti的环形电枢，从而提高了机器效率。[6] 叠片式转子由Siemens＆Halske于次年推出，从而减少了铁损并提高了感应电压。1880年，乔纳斯·温斯特罗姆（JonasWenström）为转子提供了用于容纳绕组的插槽，从而进一步提高了效率。

1886年，弗兰克·朱利安·斯普拉格（Frank Julian Sprague）发明了第一台实用的直流电动机，这是一种无火花装置，在可变负载下保持相对恒定的速度。大约在这个时候，斯普拉格（Sprague）的其他电气发明极大地改善了电网的配电性能（在托马斯·爱迪生（Thomas Edison）任职之前完成的工作），允许电动机的功率返回电网，通过架空电线和电车杆为电车供电，并提供了用于电气操作的控制系统。这使Sprague于1887–88年在弗吉尼亚州里士满使用电动马达发明了第一个电动手推车系统，1892年的电动电梯和控制系统以及带有独立供电的中央控制汽车的电动地铁。后者于1892年由南侧高架铁路首次安装在芝加哥，在那里它被俗称为“ L ”。斯普拉格（Sprague）的电动机及其相关发明引起了人们的兴趣，并在工业电动机中得到了广泛应用。由于未能认识到转子和定子之间的气隙的极端重要性，效率可接受的电动机的开发被推迟了几十年。高效的设计具有相对较小的气隙。由于相同的原因，长期在教室中用来说明运动原理的圣路易斯汽车效率极低，而且看上去也不像现代汽车。

电动机彻底改变了行业。工业过程不再受到使用轴，皮带，压缩空气或液压的动力传输的限制。取而代之的是，每台机器都可以配备自己的电源，在使用时可以轻松控制，并提高了动力传输效率。农业中使用的电动机从处理谷物或抽水等任务中消除了人类和动物的肌肉力量。家用电动机的使用减少了家庭的繁重劳动，并使更高的便利性，舒适性和安全性标准成为可能。如今，电动机消耗了美国生产的一半以上的电能。

交流电动机

1824年，法国物理学家FrançoisArago提出了旋转磁场的存在，称为Arago旋转，通过手动打开和关闭开关，Walter Baily于1879年证明了它是第一台原始感应电动机。在1880年代，许多发明者试图开发可行的交流电动机[31]，因为交流电动机在远距离高压传输中的优势被无法在交流电动机上运行而抵消。

1885年，伽利略·法拉利（Galileo Ferraris）发明了第一台交流无换向器感应电动机。法拉利（Ferraris）于1886年生产了更先进的装置，从而改进了他的第一个设计。1888年，都灵皇家科学研究院发表了法拉利（Ferraris）的详细研究电机运行的基础，但当时得出结论说：“基于该原理的设备作为电机不能具有任何商业意义。”

可能的工业发展由构想尼古拉·特斯拉，谁在1887年发明了他的独立感应电动机并在5月1888年获得了专利。同年，特斯拉提出了他的论文的新系统交流电机和变压器的AIEE所描述三项专利两相四定子极电动机类型：一种具有四极转子形成非自启动磁阻电动机，另一种具有绕线转子构成自启动感应电动机，第三种是真正的同步电动机，分别具有向转子绕组提供励磁直流电源。然而，特斯拉在1887年申请的一项专利也描述了一种短路转子感应电动机。乔治·威斯汀豪斯（George Westinghouse）已从法拉利（Ferraris）获得了权利（1,000美元），随即购买了特斯拉的专利（60,000美元，外加每售出的马力汽车的2.50美元，直到1897年才支付），[32]雇用特斯拉开发电动机，并委托CF Scott帮助特斯拉; 但是，特斯拉于1889年离开了其他地方。[ 过多引用 ]发现恒速交流感应电动机不适用于有轨电车，[31]但西屋公司的工程师成功地将其改造为1891年在科罗拉多州特柳赖德的采矿业务提供动力。[53] [54] [55] 西屋公司于1892年实现了其第一台实用感应电动机，并于1893年开发了多相60赫兹感应电动机系列，但是这些早期的西屋电机是带有绕线转子的两相电机。BG Lamme随后开发了旋转棒绕线转子。[45]

在坚定地促进三相发展方面，Mikhail Dolivo-Dobrovolsky于1889年发明了三相感应电动机，该电动机是带有启动变阻器的笼型转子和绕线转子两种类型，并于1890年发明了三臂变压器。在AEG和Maschinenfabrik Oerlikon之间，Doliwo-Dobrowolski和Charles Eugene Lancelot Brown开发了更大的模型，即20马力的鼠笼和100马力的带有启动变阻器的绕线转子。这些是首批适用于实际操作的三相异步电动机。自1889年以来，温斯特罗姆就开始了三相机械的类似开发。在1891年法兰克福国际电工技术展览会上，成功展示了首个长距离三相系统。它的额定电压为15 kV，从内卡河上的劳芬瀑布延伸了175公里。Lauffen电站包括一个240 kW 86 V 40 Hz交流发电机和一个升压变压器，而在展览会上，一个降压变压器为100 hp三相感应电动机供电，该电动机为人工瀑布供电，代表了原始变压器的转移。能量源。]三相感应现在已用于绝大多数商业应用。但是，他声称特斯拉的电动机由于两相脉动而不切合实际，这促使他坚持自己的三相工作。

在通用电气公司于1891年开始研制的三相异步电动机[45]到1896年，通用电气公司和西屋公司签署了吧绕组转子设计了交叉授权协议，后来被称为笼型转子。感应电动机的改进源于这些发明和创新，使得100 马力的感应电动机目前具有与1897年的7.5马力电动机相同的安装尺寸。

组件

电动机转子（左）和定子（右）

主条目：转子（电动）

在电动机中，运动部件是转子，转子使轴旋转以传递机械动力。转子中通常装有导体，导体中载有电流，这些电流与定子的磁场相互作用，产生使轴旋转的力。可替代地，一些转子承载永磁体，而定子保持导体。

轴承

转子由轴承支撑，轴承使转子可以绕其轴线旋转。轴承又由电动机壳体支撑。电机轴通过轴承延伸到电机外部，在此处施加负载。因为载荷的力施加在最外面的轴承之外，所以载荷被悬挂了。[59]

定子

主条目：定子

定子是电动机电磁电路的固定部分，通常由绕组或永磁体组成。定子铁心由许多薄金属板（称为叠片）组成。叠片用于减少如果使用实心磁芯会导致的能量损失。

气隙

转子和定子之间的距离称为气隙。气隙具有重要的影响，并且通常尽可能小，因为大的气隙会对性能产生强烈的负面影响。它是电动机工作的低功率因数的主要来源。励磁电流随着气隙的增加而增加。因此，气隙应最小。除噪声和损耗外，很小的间隙还可能引起机械问题。

凸极转子

主条目：绕组

绕组是放置在线圈中的导线，通常缠绕在层压的软铁磁芯上，以便在通电时形成磁极。

电机有两种基本的磁场磁极配置：凸极和非凸极配置。在凸极电机中，磁极的磁场由缠绕在磁极面下方的磁极上的绕组产生。在非凸极或分布磁场或圆转子电机中，绕组分布在极面槽中。[60]阿罩极电机具有极的卷绕部分即延迟该磁极的磁场的相位。

一些电动机的导体由较厚的金属组成，例如金属条或金属片，通常是铜，或者是铝。这些通常由电磁感应驱动。

换向器

主条目：换向器（电动）

玩具的小型直流电动机及其换向器

甲换向器是用于一个机构切换最直流电机和某些交流电机的输入端。它由彼此绝缘并且与轴绝缘的滑环段组成。电动机的电枢电流是通过与旋转的换向器接触的固定电刷提供的，这会导致所需的电流反转，并在转子从一个极到另一个极旋转时以最佳方式向电机供电。[61] [62]在没有这种电流反向的情况下，电动机将制动至停止。鉴于电子控制器，无传感器控制，感应电动机和永磁电动机领域的改进技术，外部换向感应和永磁电动机正在取代机电换向电动机。

电机供应和控制

电机电源

如上所述，通常通过滑环换向器来供应DC电动机。交流电动机的换向可以使用滑环换向器或外部换向来实现，可以是定速或变速控制型，也可以是同步或异步型。通用电动机可以交流或直流运行。

电机控制

通过调节施加在端子上的直流电压，直流电动机可以变速运行。

通常以固定速度运行的交流电动机直接由电网或通过电动机软启动器供电。

变速运行的交流电动机由各种功率逆变器，变频驱动器或电子换向器技术提供动力。

电子换向器一词通常与自换向无刷直流电动机和开关磁阻电动机应用相关。