电机介绍

蒸汽机启动了18世纪第一次产业革命以后，19世纪末到20世纪上半叶电机又引发了第二次产业革命，使人类进入了电气化时代。20世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命，使生产和消费从工业化向自动化、智能化时代转变；推动了新一代高性能电机驱动系统与伺服系统的研究与发展。

传动分为机械传动、流体传动和电力传动3大类。

机械传动是利用机件直接实现传动，其中齿轮传动和链传动属于啮合传动；摩擦轮传动和带传动属于摩擦传动。流体传动是以液体或气体为工作介质的传动，又可分为依靠液体静压力作用的液压传动、依靠液体动力作用的液力传动、依靠气体压力作用的气压传动。电力传动是利用电动机将电能变为机械能，以驱动机器工作部分的传动。

机械传动能适应各种动力和运动的要求，应用极广。液压传动的尺寸小,动态性能较好,但传动距离较短。气压传动大多用于小功率传动和恶劣环境中。液压和气压传动还易于输出直线往复运动。液力传动具有特殊的输入和输出特性，因而能使动力机与机器工作部分良好匹配。电力传动的功率范围大，容易实现自动控制和遥控，能远距离传递动力。

奥斯特发现电生磁（1820）—法拉第电磁回转实验（发明电动机模型）—法拉第发现电磁感应（发明发电机模型）—法拉第兼任

企业顾问研制永磁电机—西门子发明激磁电机—格拉姆发明直流发电机和电动机—特斯拉发明交流电机和电动机—19世纪末美国电动机床出现—伏特汽车公司装配流水线

一、 直流电机的产生与形成 皮克西：第一台永磁式直流发电机。 西门子：自激式直流发电机。 格拉姆：环形电枢直流发电机

1820年丹麦物理学家奥斯特(Hans Christian Oersted，1777—1851)发现了电流磁效应：将导线的一端和伽伐尼电池正极连接，

导线沿南北方向平行地放在小磁针上方，当导线另一端连接到负极时，磁针立即指向东西方向。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，磁针照样偏转。

随后安培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 9 月法拉第发现通电的导线能绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一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室模型，被认为是世界上第一台电机，其原理如图 1 所示，在一个盘子内注入水银，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，另一端跟电池的一端连接在一起，电池的另一端跟盘子连在一起，构称导电回路，载流导线在磁场中受力运动。

1822年，法国的阿拉戈.盖.吕萨克发明电磁铁，即用电流通过绕线的方法使其中铁块磁化。 1825年，斯特金（W.sturgeon）用16圈导线制成了第一块电磁铁。

1829年，美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新，绝缘导线代替裸铜导线，因此不必担心被铜导线过分靠近而短

路。由于导线有了绝缘层，就可以将它们一圈圈地紧紧地绕在一起，由于线圈越密集，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，亨利试制出了一块更新的电磁铁，虽然它的体积并不大，但它能吸起１吨重的铁块。

1826年 德国G.S.欧姆提出电路实验定律――欧姆定律。

1831 年，法拉第发现了电磁感应现象之后不久，他又利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机──法拉第圆盘发电

机，如图 2 所示。这台发电机制构造跟现代的发电机不同，在磁场所中转动的不是线圈，而是一个紫铜做的圆盘。圆心处固定一个摇柄，

圆盘的边缘和圆心处各与一个电刷紧贴，用导线把电刷与电流表连接起来；铜圆盘放置在蹄形永磁体的磁场中，当转动摇柄使铜圆盘旋转起来时，电流表的指针偏向一边，电路中产生了持续的电流。

同年夏天，亨利对法拉第的电动机模型进行了改进，制作了一个简单的装置（振荡电动机），如图 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，电磁铁的极性自动改变，电磁铁与永磁体相互吸引或排斥，使电磁铁以每分钟 75 各周期的速度上下运动。亨利的电动机的重要意义在于这是第一次展示了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。

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产生连续运动的旋转电动机，

其原理如图4所示.后来他还制作了一个并励直流电动机。

1832年， 法国A.H.皮克西在巴黎公开了一台永久磁铁型旋转式交流发电机,如图5所示。一年后，他在发电机上安装整流子，

将交流电变为直流电。 同年， 俄籍德国人H.F.E.楞次提出“电动机－发电机”原理――楞次定律 ，证明发电机和电动机是可逆的。但1870年以前，直流发电机与电动机一直在独立发展着。

1834年，德国的雅可比成了一种简单的装置：在两个U型电磁铁中间，装一六臂轮，每臂带两根棒型磁铁，通电后，棒型磁铁

与U型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用 ，带动轮轴转动，如图6所示。后来，雅可比做了一具大型的装置，安在小艇上，用320个丹尼尔电池供电，1838年小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2公里，与此同时，美国的达文波特也成功地制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刑《电磁和机械情报》。但这两种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。

1845年， 英国的惠斯通（G.Wheatsto ne）用电磁铁代替永久磁铁， 并取得了专利权 。这是增强发电机输出功率的一个重要

措施。

1854年，丹麦的赫尔特发明了自激式电机。

1857年， 英国的惠斯通 发明自激电磁铁型发电机。 1860年，意大利的巴奇诺蒂（A.Pacinotti）发明了齿状电枢。

1865 年，意大利物理学家帕其努悌发明了环状发电机电枢。这种电枢是以在铁环上绕线圈代替在铁芯棒上绕制的线圈，从而提

高了发电机的效率。

1866年 西门子的创始人维尔纳 .冯.西门子 （ W.vonSiemens，1816～1892）制成直流自激、并激式发电机。制成了一架大功

率直流电机。1867年在巴黎世界博览会上展出第一批样机。这样，西门子就首次完成了把机械能转换成为电能的发明，从而开始了19世纪晚期的 “ 强电 ” 技术时代。

1867 年，西门子对发电机提出了重大改进。他认为，在发电机上不用磁铁（即永久磁铁），而用电磁铁，这样可使磁力增强，

产生强大的电流。西门子用电磁铁代替永久磁铁发电的原理是，电磁铁的铁芯在不通电流时，也还残存有微弱的磁性。当转动线圈时，利用这一微弱的剩磁发出电流，再反回给电磁铁，促使其磁力增强，于是电磁铁也能产生出强磁性。接着，西门子着手研究电磁铁式发电机。很快就制成了这种新型的发电机，它能产生皮克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应用起来。

1870年格拉姆（Z.T.Gr omme，1826～1901）将T形电枢绕组改为环形电枢绕组,发明了直流发电机，在设计上，直流发电机和

电动机很相似。后来，格拉姆证明向直流发动机输入电流，其转子会象电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机大量制造出来。效率也不断提高，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。他发明了与古拉姆发电机不同的线圈绕线方式，制成了性能良好的发

电机。古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芯，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，接向带整流子。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，制成铁芯，然后在上面绕上导线线圈。人们把这种方法叫做“鼓卷”，意思是像鼓一样的形状。经过这种改进后，发电机无论是外观或是性能，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。德国的西门子接制造更好的发电机，并着手研究由电动机驱动的车辆，于是西门子公司制成了世界电车。1879年，在柏林工业展览会上，西门子公司不冒烟的电车赢得观众的一片喝彩。西门子电机车当时只有3马力，后来美国发明大王爱迪生试验的电机车已达12─15马力。但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电车。

1873年，英国 詹 · 麦克斯韦完成了经典电磁理论基础《电和磁》 ; 电机绕组发展为鼓型绕组，直流电机具备了现代直流电机

的基本型式；

1875年 比利时Z.T.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，该厂是世界第一座火电厂 1880年，爱迪生观察到用叠片铁芯可以减少温升和能耗。

1880年，霍普金森（J.Hopkinson，1849～1898）确立了磁路的欧姆定律。

1882年，德国将米斯巴哈水电站发出的2千瓦直流电通过57千米 1500～2000伏 电线输送到慕尼黑，证明直流远距离输电的

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，另一方面暴露出直流在传输中的缺点：原来电压越高，电能的传输损失越小，但高压直流发电机困难较大，而且单机容量越大，换向也越困难，换向器上的火花使工作不稳定。因而人们就把目光转向交流电机。美国的戈登制造出了输出功率447KW，高3米，重22吨的两相式巨型发电机。

1891年，阿诺尔德（Arnold）建立直流电枢绕组理论。 二、交流电机的产生与形成

1824年，法国人阿拉果（D．F．J．Arago，1786～1853）在转动悬挂着的磁针时发现其外围环上受到机械力。次年，他重复

这一实验时，发现外围环的转动又使磁针偏转，这些实验导致了后来感应电动机的出现。年，出现了单相交流发电机。

1876年，雅布洛奇科夫（ П ． Н ． Яблочков ， 1847～1894）用交流发电机和开磁路式串联变压器为其 “ 电烛 ” 供电，

这是交流电用于照明的开始。不久出现了原始型式的同步发电机和变压器。

1879年英国人拜依莱（Bailey）用依次变动四个磁极上的励磁电流而得到旋转磁场。1883年，德普勒（M．Deprez，1843～1918）

在巴黎科学院提出 a =1/4周期的交流磁场公式。

1882 — 1885年，匈牙利工程师代里等3人首创变压器。 1884年，闭合磁路的变压器制成，并推广使用 1885年，费拉里斯提出两相交流感应电动机的模型。

1886年特斯拉（N．Tesla，1856～1943）也制成两相绕线式交流异步电动机模型，1888他又在意大利科学院提出《利用交流

电产生旋转磁场》的论文。 他在爱迪生公司工作，但由于爱迪生坚持只搞直流方式，因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感应原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花，因此被广泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。 美国的特斯拉在爱迪生公司的时候就决心开发交流电机，但由于爱迪生坚持只搞直流方式，因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。

1889年，多利沃-多布罗沃利斯基提出了三相制并制成鼠笼式交流异步电动机。

1889年，西屋公司在俄勒冈州建设了发电厂，1892年成功地将15000伏电压送到了皮茨菲尔德。 1890年，德国人米夏埃尔 · 冯 · 多里沃一多勃鲁沃尔斯基制成一架三相电流变压器。

1891年，慕尼黑人奥斯卡 · 冯 · 米勒在法兰克福世界电气博览会上宣布：他与多里沃合作架设的从劳芬到法兰克福的三相交流

输电电路，可把劳芬的一架 300 × 735.5W（300马力）55伏三相交流发电机的电流经三相变压器提高到了万伏，输运175千米，顺利通电，从此三相交流电机很快代替了工业上的直流电机，因为三相制的优点十分明显：材料可靠，结构简单，性能好，效率高，用铜省，在电力驱动方面又有重大效益。从此，各种各样的电机迅速发展起来。

1896年，特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运，3750KW，5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市。 1902年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。

直流电动机的工作原理 1、直流电动机的构造分为两部分：定子与转子。记住定子与转子都是由那几部分构成的， 注意：不要把换向极与换向器弄混淆了，记住他们两个的作用。定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。

2、直流电动机的励磁方式直流电动机的性能与它的励磁方式密切相关，通常直流电动机的励磁方式有4种：直流他励电动机、直流并励电动机、直流串励电动机和直流复励电动机。掌握4种方式各自的特点：直流他励电动机: 励磁绕组与电枢没有电的联系，励磁电路是由另外直流电源供给的。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。直流并励电动机: 并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过他的励磁电流较小。直流串励电动机：励磁绕组是和电枢串联的，所以这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以直流串励电动机通常用较粗的导线绕成，他的匝数较少。直流复励电动机：电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生

简单的说，电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生洛伦磁力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦磁力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。

一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。 由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。 1. 定子 （1）主磁极

主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，

1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极 6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心 （2）换向极

换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如8.6所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上， 图8.5 主磁极的结构

换向极的数目与主磁极相等。 （3）机座

电机定子的外壳称为机座，见图8.4中的3。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用； 1—主磁极 2—励磁绕组 3—机座

二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 4）电刷装置

电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图8.7所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。

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