直流电机的起源和发展简述

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：亨利电动机的重要意义在于这是第一次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。从图中可以看出，该电动机已初具现代直流电机的雏形。然而，在1870年之前，直流发电机与电动机一直处于各自独立发展的状态。1838年，装有雅可比电动机的小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2km。1866年，西门子的创始人维尔纳·冯·西门子先后研制了直流自励和并励式发电机，并在1867年的巴黎世界博览会上进行了展出，开创了19世纪晚

1820年，丹麦哥本哈根大学的物理学家奥斯特（Hans Christian Oersted，1777—1851）发现了电流磁效应现象：将导线的一端和伏打电池正极相连，同时将导线沿南北方向平行地放在小磁针的上方，此时，当导线另一端连接到伏打电池的负极时，磁针就会立即发生偏转，由原来的南北方向转而指向东西方向。奥斯特还发现，如果把玻璃板、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，磁针照样发生偏转。在发现电流磁效应现象之后不久，物理学家安培（Ampère，1775—1836）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，英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791—1867）发现了通电导线能绕永久磁铁旋转和磁体能绕载流导体运动的现象，首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模型，被认为是世界上第1台电动机原理模型，其原理如图1-1所示。图中所示在一个水平放置的盘子内注入水银，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，另一端与电池的一端连接在一起，而电池的另一端则与盘子相连。这样，盘子、水银、导线和电池就构成导电回路，载流导线在磁场中受力运动。

图1-1 法拉第电动机模型

在随后的几年时间里，法国科学家阿拉果（Arago，1786—1853）提出了电磁铁的概念，即用电流通过绕线的方式使铁块磁化。斯特金（W.sturgeon，1783—1850）在1825年用16圈导线制成了第一块电磁铁。随后，美国电学家约瑟夫·亨利（Henry Joseph，1797—1878）在1829年对斯特金提出的电磁铁装置进行了改进，用绝缘导线代替了裸铜导线，从而不必担心铜导线之间过分靠近而造成接触短路。由于导线有了绝缘层，就可以将它们紧密地绕在一起，线圈绕制越密集，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1831年，亨利试制出了一块电磁转换能力更强的电磁铁，虽然它的体积不大，但它却能吸起重达1吨重的铁块。

1831年，在发现电磁感应现象之后不久，法拉第基于电磁感应原理发明了世界上第一台真正意义上的发电机——法拉第圆盘发电机，如图1-2所示。该发电机的结构与现代发电机不同，在磁场中做旋转运动的不是线圈绕组，而是一个紫铜做的圆盘。将铜圆盘放置于“U”形磁铁的磁场中，同时圆盘的轴心处装设摇柄，其边缘和圆心处各与一个电刷相接触。通过导线将电刷与电流表进行连接，可以与铜盘一起构成一个完整的闭合回路。当转动摇柄使铜圆盘旋转时，电流表的指针便发生偏转，电路中就会产生持续的电流。

图1-2 法拉第圆盘发电机

同年夏天，亨利对法拉第的发电机模型进行了改进，制作了一个简单的装置（振荡电动机），如图1-3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，电磁铁的极性就会自动改变，使电磁铁与永磁铁之间相互吸引或排斥，电磁铁就会以每分钟75个周期的速度上下运动。亨利电动机的重要意义在于这是第一次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。

图1-3 亨利振荡电动机

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连续旋转的电动机，其原理图如图1-4所示。从图中可以看出，该电动机已初具现代直流电机的雏形。后来，他还制作了一台并励式直流电动机。

1832年，法国A.H.皮克西在巴黎公开了一台永磁铁型旋转交流式发电机，如图1-5所示。一年后，他在发电机上安装了整流子，将交流电转变为直流电。同年，俄籍德国人H.F.E.楞次（Lenz，Heinrich Friedrich Emil，1804—1865）提出了“电动机—发电机”原理——楞次定律。证明了发电机和电动机是可逆的。然而，在1870年之前，直流发电机与电动机一直处于各自独立发展的状态。

图1-4 斯特金的旋转电动机原理图

1834年，德国的卡尔·雅可比（Carl Gustav Jacob，1804—1851）制作了一台简单的装置：在两个U形的电磁铁中间，装一六臂轮，每臂带两根棒形磁铁，通电后，棒形磁铁和U形磁铁之间产生相互吸引和排斥作用，带动轮轴转动，如图1-6所示。后来，雅可比做了一套大型的装置，安在小艇上，由320个丹尼尔电池供电。1838年，装有雅可比电动机的小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2km。与此同时，美国的达文波特也成功地研制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刊《电磁和机械情报》。但上述两种电动机都采用电池作为供电电源，成本高昂，没有太大的商业价值。

图1-5 皮克西的永久磁铁型旋转交流式发电机

图1-6 雅可比电动机

1845年，为了增强发电机的输出功率，实现磁场大小可调，英国科学家惠斯通（Charle Wheatstone，1802—1875）提出了用电磁铁代替永磁铁作为电动机的磁势源，即电励磁式发电机，并获得了专利权。到1857年，惠斯通还发明了自激式电磁铁型发电机。

1866年，西门子的创始人维尔纳·冯·西门子（W.VonSiemens，1816—1892）先后研制了直流自励和并励式发电机，并在1867年的巴黎世界博览会上进行了展出，开创了19世纪晚期的“强电”技术时代。在之后的一年里，西门子对发电机又提出了重大改进。他开始考虑用电磁铁来代替永久磁铁以研制电磁铁式发电机。研制的样机能产生皮克西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地应用起来。

1870年，格拉姆（Z.T.Gromme，1826—1901）对直流发电机的电枢绕组进行了改进：将T形电枢绕组改为环形电枢绕组。格拉姆直流发电机在结构上和直流电动机非常相似，格拉姆证明向直流发电机输入电流，其转子会像电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机被大量制造出来，效率也不断提高。格拉姆被人们誉为“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发明了与格拉姆发电机不同的线圈绕制方式，制成了性能良好的发电机。格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心，并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，接上整流子。而阿特涅发电机的电枢，是用许多薄圆铁板以纸绝缘后重叠起来，制成铁心，然后在上面绕上导线线圈。人们把这种方法叫作“鼓卷”，意思是像鼓一样的形状。经过这种改进后，发电机无论外观还是性能，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。此后德国的西门子着手制造更好的发电机，并开始研究由电动机驱动的车辆。1879年，在柏林工业展览会上，西门子公司不冒烟的电车还是赢得观众的一片喝彩。后来美国发明大王爱迪生通过试验改进后的电力机车输出功率达到了12～15马力。但由于当时的电动机全是直流电动机，使用起来有一定的局限性，因而只在电车驱动领域进行应用。

1873年，英国詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879）完成了经典电磁理论巨著《电和磁》，建立了经典的电磁场理论。同时，电动机绕组发展为鼓型绕组，直流电动机开始具备现代直流电动机的基本型式。

1875年，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，建成了世界第一座火力发电厂。

1880年，爱迪生（Thomas Alva Edison，1847—1931）提出通过采用叠片铁心来减少铁心损耗，同时降低电枢绕组温升的方法。同年，马克西又提出将铁心分成几叠，且每叠之间均留出一定宽度的通风槽用于散热，从而使得直流电动机的电磁负载、单机容量和效率都提高到前所未有的水平。自此，直流电动机换向器上的火花问题就成为当时最为突出的问题。

同年，霍普金森（J.Hopkinson，1849—1898）确立了磁路的欧姆定律，对分析非线性磁路提供了一种近似的线性方法，具有非常重要的意义，至今还在电机与变压器的分析中使用。

1882年，德国将米斯巴哈水电站发出的2kW直流电通过57km的1.5～2kV输电线路输送到了慕尼黑，证明了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；另一方面也暴露出直流电在当时所存在的巨大缺陷——原来电压越高，电能的传输损失会越小，但制造高压直流发电机的困难较大，而且单机容量越大，换向也越困难，换向器上的火花使直流发电机的工作极不稳定。因此，人们逐渐把目光转向了交流电动机。

1891年，阿诺尔德（Arnold）建立了直流电枢绕组理论，这一全新的理论使直流电动机的设计和计算建立在了更加科学的基础之上。

直流电机的起源和发展简述

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