電機(jī)是什么時(shí)候發(fā)明的

　　一、電機(jī)的作用

　　電機(jī)是以電磁感應(yīng)現(xiàn)象為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換以及變換電能的機(jī)械，包括旋轉(zhuǎn)申機(jī)和變壓器兩大類(lèi)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置。主要用作發(fā)電機(jī) 把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能;或作為電動(dòng)機(jī)，把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。有的電機(jī)還用作調(diào)相機(jī)，用于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。此外.還有微特電機(jī).廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。變壓器是各部件間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的電能變換裝置，廣泛應(yīng)用于電能傳輸，電壓、電流、阻抗的變換和電路隔離。

　　人類(lèi)的生產(chǎn)勞動(dòng)離不開(kāi)各種能源。在現(xiàn)代工業(yè)化社會(huì)中.各種自然能源-般都不能直接拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，還必須將其先轉(zhuǎn)換為電能，然后再將電能轉(zhuǎn)戀為所需要的能量形態(tài)（如機(jī)械能、熱能、聲能、光能等）加以利用。這是因?yàn)殡娔茉谏a(chǎn)、傳輸、分配、使用、控制及能量轉(zhuǎn)換等方面極為方便。電機(jī)是與電能有關(guān)的能量轉(zhuǎn)換機(jī)械，它是工業(yè)、農(nóng)業(yè)。交通運(yùn)輸。國(guó)防工程、醫(yī)療設(shè)備以及日常生活中常用的重要設(shè)備。

　　電機(jī)的主要作用表現(xiàn)在三個(gè)方面∶

　　1.電能的生產(chǎn)、傳輸和分配

　　在發(fā)電廠(chǎng)中，發(fā)電機(jī)由汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)或水輪機(jī)帶動(dòng)。發(fā)電機(jī)將燃料燃燒、原子核裂變的能量或水的位能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能傳給發(fā)電機(jī)，在發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)換成電能，然后用變壓器升高電壓，通過(guò)輸電線(xiàn)把電能送到用電地區(qū)，再經(jīng)變壓器降低電壓，供用戶(hù)使用。

　　2.驅(qū)動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械和裝備

　　在工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防等部門(mén)和生活設(shè)施中，極為廣泛地應(yīng)用各種電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械、設(shè)備和器具。例如，機(jī)床驅(qū)動(dòng)、電力排灌、農(nóng)副產(chǎn)品加工、礦石采掘和輸送、電車(chē)和電力機(jī)車(chē)的牽引、抽水、鼓風(fēng)、起吊、軋鋼、造紙、醫(yī)療設(shè)備及家用電器的運(yùn)行等一般都采用電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)。

　　3.作為各種控制系統(tǒng)和自動(dòng)化、智能化裝置的重要元件

　　隨著工農(nóng)業(yè)和國(guó)防設(shè)施自動(dòng)化水平的日益提高，出現(xiàn)了多種多樣的控制電機(jī)，它們?cè)诳刂葡到y(tǒng)、自動(dòng)化和智能化裝置（例如電子計(jì)算機(jī)和機(jī)器人）中分別作為執(zhí)行、檢測(cè)、放大和解算元件。這類(lèi)電機(jī)一般功率較小.但品種繁多、用途各異，例如.電梯的自動(dòng)選擇與顯示，閥門(mén)遙控.火炮和雷達(dá)的自動(dòng)定位。飛行器的發(fā)射和姿態(tài)的控制.機(jī)床加工的自動(dòng)控制和顯示. 以及計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、各種自動(dòng)記錄儀表、音像錄放設(shè)備、醫(yī)療器械和現(xiàn)代家用電器設(shè)備等的運(yùn)行控制、檢測(cè)或者記錄顯示。

　　電機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史

　　正如緒論中所介紹的，1831年 10月，法拉第創(chuàng)造了第一部感應(yīng)發(fā)電機(jī)的模型。從此，電的研究和應(yīng)用迅速發(fā)展起來(lái)，電作為一種新的強(qiáng)大的能源開(kāi)始在人類(lèi)的生產(chǎn)、生活中發(fā)揮日益巨大的作用。

　　在生產(chǎn)需要的直接推動(dòng)下，具有實(shí)用價(jià)值的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)相繼問(wèn)世，并在應(yīng)用中不斷得到改進(jìn)和完善。初始階段的發(fā)電機(jī)是水磁式發(fā)電機(jī)，即用永久磁鐵作為場(chǎng)磁鐵。由于永久磁鐵本身磁場(chǎng)強(qiáng)度有限，因而永磁式發(fā)電機(jī)不能提供強(qiáng)大的電力.缺乏實(shí)用性。要增大發(fā)電機(jī)的輸出功率，使其達(dá)到實(shí)用要求.就要對(duì)發(fā)電機(jī)的各個(gè)組成部分進(jìn)行改造。 發(fā)申機(jī)的主要部件是場(chǎng)磁鐵、電樞、集電環(huán)和電刷。1845年，英國(guó)物理學(xué)家惠斯通使用外加電源給線(xiàn)圈勵(lì)磁，以電磁鐵取代永久磁鐵，取得了極大成功。隨后又改進(jìn)了電樞繞組，從而制成了第一臺(tái)電磁鐵發(fā)電機(jī)。1866年德國(guó)科學(xué)家西門(mén)子制成第臺(tái)使用電磁鐵的自激式發(fā)電機(jī)。西門(mén)子發(fā)電機(jī)的成功標(biāo)志著建造大容量發(fā)電機(jī)，從而獲得強(qiáng)大的電力，在技術(shù)上取得了突破。因此，西門(mén)子發(fā)電機(jī)在電學(xué)發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義。

　　自激原理的發(fā)現(xiàn)是永磁式發(fā)電機(jī)向勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。自激是指直流發(fā)電機(jī)利用本身感應(yīng)的電功率的一部分去激發(fā)場(chǎng)磁鐵，從而形成電磁鐵。在發(fā)電機(jī)的改進(jìn)過(guò)程中，磁場(chǎng)的變化經(jīng)歷了從水磁到勵(lì)磁;而電流勵(lì)磁又經(jīng)歷了從他激到自激，自激又經(jīng)歷了從串激到并激，再到復(fù)激的發(fā)展過(guò)程。因此直流發(fā)電機(jī)按其勵(lì)磁方法的不同又可分為他激和自激兩類(lèi)，而自激發(fā)電機(jī)又包括了串激、并激和復(fù)激三種形式。

　　1870年比利時(shí)人格拉姆（1826—1901）依靠瓦利所提出的原理，并采用了1865年意大利人帕契諾蒂（1841—1912）發(fā)明的齒狀電樞結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了環(huán)形無(wú)槽閉合電樞繞組，制成了環(huán)形電樞自激直流發(fā)電機(jī)。1873年，德國(guó)電氣工程師赫夫納·阿爾特涅克（1845—1904）對(duì)直流發(fā)電機(jī)的電樞又做了改進(jìn)，研制成功了鼓狀電樞自激直流發(fā)電機(jī)。他吸取了格拉姆和帕契諾帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了制造方法.因而大大提高了發(fā)電機(jī)的效率，降低了發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)成本，使發(fā)電機(jī)進(jìn)入到實(shí)用階段。至此，直流發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)已達(dá)到定型化。1880 年，美國(guó)發(fā)明家愛(ài)迪生制造出了名為"巨象"的大型直流發(fā)電機(jī)，并于1881年在巴黎博覽會(huì)上展出。

　　與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的研制工作也在進(jìn)行之中。美國(guó)工程師達(dá)文波特在1836年首先嘗試用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械。1834年俄國(guó)物理學(xué)家雅可比發(fā)明了功率為15W的棒狀鐵心電動(dòng)機(jī)。

　　發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)是同一種機(jī)器的兩種不同的功能，用其作為電流輸出裝置就是發(fā)電機(jī)，用其作為動(dòng)力供給裝置就是電動(dòng)機(jī)。電機(jī)的這一可逆原理是在 1873年偶然獲得證明的。這一年在維也納的工業(yè)展覽會(huì)上，一位工人操作失誤，把一根電線(xiàn)錯(cuò)接到一臺(tái)正在運(yùn)行的格拉姆發(fā)電機(jī)上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子改變了方向，迅即向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，變成了一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。在此以前，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)是各自獨(dú)立發(fā)展的。從此以后，人們認(rèn)識(shí)到直流電機(jī)既可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可逆現(xiàn)象，這個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)，對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造產(chǎn)生了深刻的影響。

　　隨著發(fā)電、供電技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造也日趨完善。1878年出現(xiàn)了鐵心開(kāi)槽法，即把繞組嵌入槽內(nèi)，以加強(qiáng)繞組的穩(wěn)固并減少導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部的渦流損耗。那時(shí)出現(xiàn)的有槽鐵心和鼓形繞組的結(jié)構(gòu)一直沿用至今。1880年愛(ài)迪生提出了薄片疊層鐵心法，馬克西提出鐵心徑向通風(fēng)道原理解決了鐵心的散熱問(wèn)題。1882年提出了雙層電樞繞組，1883年發(fā)明了疊片磁極，1884年發(fā)明了補(bǔ)償繞組和換向極，1885年發(fā)明炭粉末制造電刷。1836年確立了磁路計(jì)算方法，1891年建立了直流電樞繞組的理論。到19世紀(jì)90年代，直流電機(jī)已具有了現(xiàn)代直流電機(jī)的一切主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

　　盡管直流電機(jī)已被廣泛使用，并在應(yīng)用中產(chǎn)生了可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益，但其自身的缺點(diǎn)卻制約了它的進(jìn)一步發(fā)展。這就是直流電不能解決遠(yuǎn)距離輸電，也不能解決電壓高低的變換問(wèn)題，于是交流電機(jī)獲得了迅速發(fā)展。在此期間兩相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)相繼問(wèn)世。1885 年意大利物理學(xué)家加利萊奧·費(fèi)拉里斯（1841-1897）提出了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理，并研制出兩相異步電動(dòng)機(jī)模型，1886年移居美國(guó)的尼古拉·特斯拉也獨(dú)立地研制出兩相異步電動(dòng)機(jī)。俄國(guó)籍電氣工程師多利沃—多勃羅沃利斯基在 1888年制成一臺(tái)三相交流單籠型異步電動(dòng)機(jī)。交流電機(jī)的研制和發(fā)展.特別是三相交流電機(jī)的研制成功為遠(yuǎn)距離輸電創(chuàng)造了條件 同時(shí)把電工技術(shù)提高到一個(gè)新的階段。

　　1880年前后，英國(guó)的費(fèi)朗蒂改進(jìn)了交流發(fā)電機(jī)，并提出交流高壓輸電的概念。1882年，英國(guó)的高登制造出了大型兩相交流發(fā)電機(jī)。1882年法國(guó)人高蘭德（1850—1888）和英國(guó)人約翰·吉布斯獲得了"照明和動(dòng)力用電分配辦法"的專(zhuān)利，并研制成功了第一臺(tái)具有實(shí)用價(jià)值的變壓器，它是交流輸配電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備。

　　變壓器的基本結(jié)構(gòu)是鐵心和繞組，以及油箱和絕緣套管等部件。它所依據(jù)的工作原理是法拉第在 1831年發(fā)現(xiàn)的互感現(xiàn)象，即由于一個(gè)電路產(chǎn)生電流變化，而在鄰近另一電路中引起感生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。在同一鐵心上繞上—次繞組和一次簽組，如在—次繞組中通入交

　　變申電流，由于電流的不斷變化.使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)也隨之不斷變化.在一次簽組中就威應(yīng)出由動(dòng)勢(shì)來(lái)。變壓器依靠這一工作原理.把發(fā)電機(jī)輸出的申壓升高.而在用戶(hù)那里又把申壓隆低。有了變壓器可以說(shuō)就具備了高壓交流輸電的基本條件。1884年英國(guó)人埃德瓦德·霍普金生（1859—1922）又發(fā)明了具有封閉磁路的變壓器。后來(lái)威斯汀豪斯（1846—1914）對(duì)吉布斯變壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使之成為一臺(tái)具有現(xiàn)代性能的變壓器。1891年布洛在瑞十制造出高壓油浸變壓器，后來(lái)又研制出巨型高壓變壓器。由于變壓器的不斷改進(jìn)，使遠(yuǎn)距離高壓交流輸電取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

　　經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，電機(jī)本身的理論已經(jīng)相當(dāng)成熟。但是，隨著電工科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與控制技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的發(fā)展又進(jìn)入了新的發(fā)展階段。其中.交流調(diào)速電機(jī)的發(fā)展最為令人矚目。

　　早在半個(gè)多世紀(jì)以前.傳統(tǒng)的變電壓、串級(jí)、變壓變頻等交流調(diào)速方法的原理就都已經(jīng)研究清楚了，只是由于要用電路元件和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組來(lái)實(shí)現(xiàn)，而控制性能又比不上直流調(diào)速，所以長(zhǎng)期得不到推廣應(yīng)用。20世紀(jì)70年代以后，有了電力電子變流裝置以后，逐步解決了調(diào)速裝置需要減少設(shè)備、縮小體積、降低成本、提高效率、消除噪聲等問(wèn)題，才使交流調(diào)速獲得了飛躍的發(fā)展。發(fā)明矢量控制之后，又提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能。但是要實(shí)現(xiàn)矢量控制規(guī)律，需要復(fù)雜的電子電路，其設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試都很麻煩。采用微機(jī)控制以后，用軟件實(shí)現(xiàn)矢量控制算法，使硬件電路規(guī)范化，從而降低了成本，提高了可靠性，而且還有可能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的控制技術(shù)。由此可見(jiàn)，電力電子和微機(jī)控制技術(shù)的迅速進(jìn)步是推動(dòng)交流調(diào)速系統(tǒng)不斷更新的動(dòng)力。

　　另外，高性能永磁材料和超導(dǎo)材料的發(fā)展，也給電機(jī)的發(fā)展注入了新的活力。

　　永磁申機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.可靠性女好，效率高.節(jié)省能量.從成本。性能、投資、維修和可靠性等幾方面綜合考慮，優(yōu)于普通電機(jī)。但過(guò)去永磁材料的磁能積較小，一直沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。近幾年，隨著稀土永磁材料的高速發(fā)展和電力電子技術(shù)的發(fā)展，使永磁電機(jī)有了長(zhǎng)足進(jìn)步。采用釹鐵硼永磁材料的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，大至艦船推進(jìn)，小到人工心臟血泵等。

　　超導(dǎo)電機(jī)則已經(jīng)用于發(fā)電和高速磁懸浮列車(chē)與船舶的推進(jìn)等。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、原材料性能的提高和制造工藝的改進(jìn)，電機(jī)正以數(shù)以萬(wàn)計(jì)的品種規(guī)格，大小懸殊的功率等級(jí)（從百萬(wàn)分之幾瓦到1000 MW 以上）。極為較廣的轉(zhuǎn)速范圍（從數(shù)天一轉(zhuǎn)到每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)）、非常靈活的環(huán)境適應(yīng)性（如平地、高原、空中、水下、油中，寒帶、溫帶、濕熱帶、干熱帶，室內(nèi)、室外，車(chē)上、船上，各種不同媒質(zhì)中等），滿(mǎn)足著國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)和人類(lèi)生活的需要。