電機是什么時候發(fā)明的

　　一、電機的作用

　　電機是以電磁感應現象為基礎實現機械能與電能之間的轉換以及變換電能的機械，包括旋轉申機和變壓器兩大類。旋轉電機是機電能量轉換裝置。主要用作發(fā)電機 把機械能轉變成電能;或作為電動機，把電能轉變成機械能。有的電機還用作調相機，用于改善電網的功率因數。此外.還有微特電機.廣泛應用于自動控制系統中。變壓器是各部件間無相對運動的電能變換裝置，廣泛應用于電能傳輸，電壓、電流、阻抗的變換和電路隔離。

　　人類的生產勞動離不開各種能源。在現代工業(yè)化社會中.各種自然能源-般都不能直接拖動生產機械，還必須將其先轉換為電能，然后再將電能轉戀為所需要的能量形態(tài)（如機械能、熱能、聲能、光能等）加以利用。這是因為電能在生產、傳輸、分配、使用、控制及能量轉換等方面極為方便。電機是與電能有關的能量轉換機械，它是工業(yè)、農業(yè)。交通運輸。國防工程、醫(yī)療設備以及日常生活中常用的重要設備。

　　電機的主要作用表現在三個方面∶

　　1.電能的生產、傳輸和分配

　　在發(fā)電廠中，發(fā)電機由汽輪機、燃氣輪機、柴油機或水輪機帶動。發(fā)電機將燃料燃燒、原子核裂變的能量或水的位能轉化為機械動能傳給發(fā)電機，在發(fā)電機中轉換成電能，然后用變壓器升高電壓，通過輸電線把電能送到用電地區(qū)，再經變壓器降低電壓，供用戶使用。

　　2.驅動各種生產機械和裝備

　　在工農業(yè)、交通運輸、國防等部門和生活設施中，極為廣泛地應用各種電動機來驅動生產機械、設備和器具。例如，機床驅動、電力排灌、農副產品加工、礦石采掘和輸送、電車和電力機車的牽引、抽水、鼓風、起吊、軋鋼、造紙、醫(yī)療設備及家用電器的運行等一般都采用電動機來拖動。

　　3.作為各種控制系統和自動化、智能化裝置的重要元件

　　隨著工農業(yè)和國防設施自動化水平的日益提高，出現了多種多樣的控制電機，它們在控制系統、自動化和智能化裝置（例如電子計算機和機器人）中分別作為執(zhí)行、檢測、放大和解算元件。這類電機一般功率較小.但品種繁多、用途各異，例如.電梯的自動選擇與顯示，閥門遙控.火炮和雷達的自動定位。飛行器的發(fā)射和姿態(tài)的控制.機床加工的自動控制和顯示. 以及計算機外圍設備、各種自動記錄儀表、音像錄放設備、醫(yī)療器械和現代家用電器設備等的運行控制、檢測或者記錄顯示。

　　電機的發(fā)展簡史

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

　　在生產需要的直接推動下，具有實用價值的發(fā)電機和電動機相繼問世，并在應用中不斷得到改進和完善。初始階段的發(fā)電機是水磁式發(fā)電機，即用永久磁鐵作為場磁鐵。由于永久磁鐵本身磁場強度有限，因而永磁式發(fā)電機不能提供強大的電力.缺乏實用性。要增大發(fā)電機的輸出功率，使其達到實用要求.就要對發(fā)電機的各個組成部分進行改造。 發(fā)申機的主要部件是場磁鐵、電樞、集電環(huán)和電刷。1845年，英國物理學家惠斯通使用外加電源給線圈勵磁，以電磁鐵取代永久磁鐵，取得了極大成功。隨后又改進了電樞繞組，從而制成了第一臺電磁鐵發(fā)電機。1866年德國科學家西門子制成第臺使用電磁鐵的自激式發(fā)電機。西門子發(fā)電機的成功標志著建造大容量發(fā)電機，從而獲得強大的電力，在技術上取得了突破。因此，西門子發(fā)電機在電學發(fā)展史上具有劃時代的意義。

　　自激原理的發(fā)現是永磁式發(fā)電機向勵磁式發(fā)電機發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。自激是指直流發(fā)電機利用本身感應的電功率的一部分去激發(fā)場磁鐵，從而形成電磁鐵。在發(fā)電機的改進過程中，磁場的變化經歷了從水磁到勵磁;而電流勵磁又經歷了從他激到自激，自激又經歷了從串激到并激，再到復激的發(fā)展過程。因此直流發(fā)電機按其勵磁方法的不同又可分為他激和自激兩類，而自激發(fā)電機又包括了串激、并激和復激三種形式。

　　1870年比利時人格拉姆（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)明的齒狀電樞結構，創(chuàng)造了環(huán)形無槽閉合電樞繞組，制成了環(huán)形電樞自激直流發(fā)電機。1873年，德國電氣工程師赫夫納·阿爾特涅克（1845—1904）對直流發(fā)電機的電樞又做了改進，研制成功了鼓狀電樞自激直流發(fā)電機。他吸取了格拉姆和帕契諾帶發(fā)電機轉子的優(yōu)點，簡化了制造方法.因而大大提高了發(fā)電機的效率，降低了發(fā)電機的生產成本，使發(fā)電機進入到實用階段。至此，直流發(fā)電機的基本結構已達到定型化。1880 年，美國發(fā)明家愛迪生制造出了名為"巨象"的大型直流發(fā)電機，并于1881年在巴黎博覽會上展出。

　　與此同時，電動機的研制工作也在進行之中。美國工程師達文波特在1836年首先嘗試用電動機驅動機械。1834年俄國物理學家雅可比發(fā)明了功率為15W的棒狀鐵心電動機。

　　發(fā)電機和電動機是同一種機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，用其作為動力供給裝置就是電動機。電機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)展覽會上，一位工人操作失誤，把一根電線錯接到一臺正在運行的格拉姆發(fā)電機上，結果發(fā)現這臺發(fā)電機的轉子改變了方向，迅即向相反的方向轉動，變成了一臺電動機。在此以前，電動機和發(fā)電機是各自獨立發(fā)展的。從此以后，人們認識到直流電機既可作發(fā)電機運行，也可作電動機運行的可逆現象，這個意外的發(fā)現，對電機的設計制造產生了深刻的影響。

　　隨著發(fā)電、供電技術的發(fā)展，電機的設計和制造也日趨完善。1878年出現了鐵心開槽法，即把繞組嵌入槽內，以加強繞組的穩(wěn)固并減少導線內部的渦流損耗。那時出現的有槽鐵心和鼓形繞組的結構一直沿用至今。1880年愛迪生提出了薄片疊層鐵心法，馬克西提出鐵心徑向通風道原理解決了鐵心的散熱問題。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年確立了磁路計算方法，1891年建立了直流電樞繞組的理論。到19世紀90年代，直流電機已具有了現代直流電機的一切主要結構特點。

　　盡管直流電機已被廣泛使用，并在應用中產生了可觀的經濟效益，但其自身的缺點卻制約了它的進一步發(fā)展。這就是直流電不能解決遠距離輸電，也不能解決電壓高低的變換問題，于是交流電機獲得了迅速發(fā)展。在此期間兩相電動機和三相電動機相繼問世。1885 年意大利物理學家加利萊奧·費拉里斯（1841-1897）提出了旋轉磁場原理，并研制出兩相異步電動機模型，1886年移居美國的尼古拉·特斯拉也獨立地研制出兩相異步電動機。俄國籍電氣工程師多利沃—多勃羅沃利斯基在 1888年制成一臺三相交流單籠型異步電動機。交流電機的研制和發(fā)展.特別是三相交流電機的研制成功為遠距離輸電創(chuàng)造了條件 同時把電工技術提高到一個新的階段。

　　1880年前后，英國的費朗蒂改進了交流發(fā)電機，并提出交流高壓輸電的概念。1882年，英國的高登制造出了大型兩相交流發(fā)電機。1882年法國人高蘭德（1850—1888）和英國人約翰·吉布斯獲得了"照明和動力用電分配辦法"的專利，并研制成功了第一臺具有實用價值的變壓器，它是交流輸配電系統中最關鍵的設備。

　　變壓器的基本結構是鐵心和繞組，以及油箱和絕緣套管等部件。它所依據的工作原理是法拉第在 1831年發(fā)現的互感現象，即由于一個電路產生電流變化，而在鄰近另一電路中引起感生電動勢的現象。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.使其產生的磁場也隨之不斷變化.在一次簽組中就威應出由動勢來。變壓器依靠這一工作原理.把發(fā)電機輸出的申壓升高.而在用戶那里又把申壓隆低。有了變壓器可以說就具備了高壓交流輸電的基本條件。1884年英國人埃德瓦德·霍普金生（1859—1922）又發(fā)明了具有封閉磁路的變壓器。后來威斯汀豪斯（1846—1914）對吉布斯變壓器的結構進行了改進，使之成為一臺具有現代性能的變壓器。1891年布洛在瑞十制造出高壓油浸變壓器，后來又研制出巨型高壓變壓器。由于變壓器的不斷改進，使遠距離高壓交流輸電取得了長足的進步。

　　經過100多年的發(fā)展，電機本身的理論已經相當成熟。但是，隨著電工科學、計算機科學與控制技術的發(fā)展，電機的發(fā)展又進入了新的發(fā)展階段。其中.交流調速電機的發(fā)展最為令人矚目。

　　早在半個多世紀以前.傳統的變電壓、串級、變壓變頻等交流調速方法的原理就都已經研究清楚了，只是由于要用電路元件和旋轉變流機組來實現，而控制性能又比不上直流調速，所以長期得不到推廣應用。20世紀70年代以后，有了電力電子變流裝置以后，逐步解決了調速裝置需要減少設備、縮小體積、降低成本、提高效率、消除噪聲等問題，才使交流調速獲得了飛躍的發(fā)展。發(fā)明矢量控制之后，又提高了交流調速系統的靜、動態(tài)性能。但是要實現矢量控制規(guī)律，需要復雜的電子電路，其設計、制造和調試都很麻煩。采用微機控制以后，用軟件實現矢量控制算法，使硬件電路規(guī)范化，從而降低了成本，提高了可靠性，而且還有可能進一步實現更加復雜的控制技術。由此可見，電力電子和微機控制技術的迅速進步是推動交流調速系統不斷更新的動力。

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

　　永磁申機由于結構簡單.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。但過去永磁材料的磁能積較小，一直沒有得到廣泛應用。近幾年，隨著稀土永磁材料的高速發(fā)展和電力電子技術的發(fā)展，使永磁電機有了長足進步。采用釹鐵硼永磁材料的電動機、發(fā)電機已經得到廣泛應用，大至艦船推進，小到人工心臟血泵等。

　　超導電機則已經用于發(fā)電和高速磁懸浮列車與船舶的推進等。

　　隨著科學技術的進步、原材料性能的提高和制造工藝的改進，電機正以數以萬計的品種規(guī)格，大小懸殊的功率等級（從百萬分之幾瓦到1000 MW 以上）。極為較廣的轉速范圍（從數天一轉到每分鐘幾十萬轉）、非常靈活的環(huán)境適應性（如平地、高原、空中、水下、油中，寒帶、溫帶、濕熱帶、干熱帶，室內、室外，車上、船上，各種不同媒質中等），滿足著國民經濟各部門和人類生活的需要。