直流電機(jī)發(fā)展史

我從哪里來，要到哪里去？第1頁/共26頁第一頁，共27頁。貧僧從東土大唐而來，要到西天取天去！第2頁/共26頁第二頁，共27頁。1、直流電動機(jī)1821年9月法拉第進(jìn)行水銀杯轉(zhuǎn)動實(shí)驗(yàn)，首次利用電流磁效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)械能。1822年巴洛制成巴洛星形輪電動機(jī)。1823年斯特金制成圓盤式直流電動機(jī)。1831年亨利引入“電動機(jī)”(electricmotor)這個(gè)名詞，提出了制造電動機(jī)的設(shè)想，并預(yù)言電動機(jī)將有廣泛應(yīng)用前景。同年，亨利制成首臺擺動式直流電動機(jī)。1832年斯特金制成首臺帶換向器的直流電動機(jī)1833年里奇發(fā)明旋轉(zhuǎn)電磁針。同年他制成臺旋轉(zhuǎn)直流電動機(jī)。里奇電動機(jī)已具有現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)雛形。1834年達(dá)文波特制成一臺直流電動機(jī)，并嘗試用直流電動機(jī)作為原動機(jī)，驅(qū)動輪子前進(jìn)，開電動機(jī)應(yīng)用之先河。l837年達(dá)文波特的直流電動機(jī)發(fā)明獲得美國專利(No．132)。這是人類歷史上第一個(gè)電機(jī)專利。1839年雅可比進(jìn)行電動輪船實(shí)驗(yàn)。這是人類歷史上第一次電動機(jī)實(shí)際應(yīng)用的大型試驗(yàn)，它打開了電動機(jī)應(yīng)用的大門。第3頁/共26頁第三頁，共27頁。2、直流發(fā)電機(jī)1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，并制成第一臺圓盤式單極直流發(fā)電機(jī)。1832年皮克西制成永久磁鐵手搖直流發(fā)電機(jī)，它是世界上首臺報(bào)導(dǎo)制造的直流發(fā)電機(jī)。1845年惠斯通制成首臺電磁鐵勵(lì)磁的直流發(fā)電機(jī)(以前用永久磁鐵)。1852年～1856年英法聯(lián)盟公司成立，并制成蒸汽機(jī)驅(qū)動的電磁式直流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)首次進(jìn)入工業(yè)、商業(yè)運(yùn)用領(lǐng)域。第4頁/共26頁第四頁，共27頁。3、直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)1838年楞次提出電機(jī)既可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可作電動機(jī)運(yùn)行的電機(jī)可逆原理。1860年巴辛諾特應(yīng)用電機(jī)可逆原理，制成第一臺既可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可作電動機(jī)運(yùn)行的直流電機(jī)。1851年辛斯特登提出用通電線圈代替永久磁鐵，作為電機(jī)的勵(lì)磁。1866年W．西門子提出直流電機(jī)利用電機(jī)剩磁進(jìn)行自勵(lì)的原理，并制成自勵(lì)直流發(fā)電機(jī)(Dy．namo)。1873年方丹在維也納世界博覽會上用直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電使直流電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，解決了困擾多年的直流電動機(jī)的電源問題(在此以前，直流電動機(jī)采用電池作為電源)，推動了直流電動機(jī)的應(yīng)用。第5頁/共26頁第五頁，共27頁。二、

直流電機(jī)萌芽、發(fā)展時(shí)期(1821～1895)從1821年第一臺直流電動機(jī)雛形誕生到I895年直流發(fā)電機(jī)在尼亞加拉瀑布Adams電站水輪發(fā)電機(jī)國際招標(biāo)中敗北，是直流電機(jī)萌芽發(fā)展時(shí)期。在此期間，1880年前后愛迪生和斯旺(J．W_Swan，1828～1914)(圖8．1)獨(dú)立發(fā)明的白熾燈，極大地推動了直流電的應(yīng)用，刺激了直流發(fā)電機(jī)的發(fā)展。自此，直流電機(jī)一路高歌，獨(dú)霸世界。但1895年直流發(fā)電機(jī)在尼亞加拉瀑布Adams電站投標(biāo)的敗北，迅速遏制了直流電機(jī)一路飆升的勢頭和直流電機(jī)稱雄世界的局面。1821年～1895年期間，直流電機(jī)在理論方面日益完善，逐漸成熟；在結(jié)構(gòu)方面不斷改進(jìn)，走向統(tǒng)一；在產(chǎn)品方面，由小到大，從實(shí)驗(yàn)室全面進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。第6頁/共26頁第六頁，共27頁。愛迪生第7頁/共26頁第七頁，共27頁。直流電機(jī)理論的發(fā)展1、在電路理論方面，1845年，德國科學(xué)家基爾霍夫(G．R．Kh'chhofO提出了著名的基爾霍夫電路定律。2、在直流電機(jī)基礎(chǔ)理論探索方面，1838年，楞次闡明了電機(jī)的可逆性原理，使發(fā)電機(jī)的研究和電動機(jī)的研究殊途同歸3、1866年～1867年初，瓦里(C．F．Varley)、惠斯通和W西門子先后發(fā)現(xiàn)直流電機(jī)自勵(lì)原理，為直流電機(jī)的大型化和實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)；4、在直流電機(jī)換向理論方面，l9世紀(jì)末，E．阿諾爾德(E．Arnold)和拉姆(B．G．Iamine)等建立了古典換向理論總之，經(jīng)過人們近半個(gè)世紀(jì)的不懈努力，到1890年代，直流電機(jī)理論已比較成熟，直流電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算已從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段過渡到可以進(jìn)行理論分析計(jì)算的階段。第8頁/共26頁第八頁，共27頁。在電磁方面提出的著名的亥姆霍茨定律對直流電機(jī)的發(fā)展中做出了巨大的貢獻(xiàn)。第9頁/共26頁第九頁，共27頁。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)1821年～1895年間是直流電機(jī)結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)、逐漸統(tǒng)一定型的時(shí)期。初期，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)五花八門，與現(xiàn)今直流電機(jī)結(jié)構(gòu)大相徑庭，而且直流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)各自獨(dú)立發(fā)展，結(jié)構(gòu)也不盡相同。第10頁/共26頁第十頁，共27頁。1、電樞早期直流電機(jī)電樞多采用螺線管式線圈，輸出功率小，電壓波形不好，電機(jī)效率也較低。后來出現(xiàn)了各種各樣的盤形電樞(圖8．5～圖8．7)。第11頁/共26頁第十一頁，共27頁。1866年，W．西門予(W．Siemens)發(fā)明梭形(H形)電樞(圖8．8)，1867年，西門子一哈爾斯克公司即制成帶梭形電樞的直流發(fā)電機(jī)(圖8．9)。第12頁/共26頁第十二頁，共27頁。環(huán)形電樞最早是由巴辛諾特在l860年提出的(圖8．10)，1880年代開始將成型線圈放入電樞鐵心槽中(圖8．17)或孔中，這種電樞一直沿用至今。第13頁/共26頁第十三頁，共27頁。磁極在直流電機(jī)萌芽期間，磁極最早采用永久磁鐵，主要有直棒形和馬蹄形兩大類。1845年前后，人們開始用電磁鐵代替永久磁鐵作為直流電機(jī)的勵(lì)磁。電磁鐵的磁極鐵心的形狀五花八門。圖8-2l收集、歸納出了l2種磁極鐵心形狀。a為鐵殼型，磁通損失較小，當(dāng)時(shí)用的較多；b為向上型，又稱卡普(Kapp)型，簡單，用得也較多；c為向下型，必須置于非磁性材料的底板上；d與“c”類似，但只有一個(gè)線圈；e為多極直流電機(jī)磁極鐵心，圖中為4極，推而廣之，可以是6、8、10??極，它是現(xiàn)今仍普遍采用的型式；f為曼徹斯特型，又稱Westminster型，早期應(yīng)用較多；g為簡易型，又稱C型；h為采用4個(gè)線圈的曼徹斯特型；i為采用1個(gè)線圈的鐵殼型；J為曼徹斯特環(huán)形，早期在小型直流風(fēng)扇電動機(jī)中廣泛采用：k為早期格拉姆(Gramme)型；l為郎德爾(Lundel1)型，一個(gè)線圈，曾用于小型直流電機(jī)中。第14頁/共26頁第十四頁，共27頁。電刷早期直流電機(jī)換向器的電刷均為銅片電刷，這種電刷較硬，對換向器磨損大，而且摩擦損耗大，電刷的振動、火花等均比較嚴(yán)重。后來改進(jìn)采用具有彈性的銅片電刷、銅絲電刷和銅網(wǎng)電刷。1888年，比利時(shí)發(fā)明家德波爾(c．J．vonDepoele，后移居美國，1846～1892)發(fā)明用碳材料制作電刷(碳刷)，第15頁/共26頁第十五頁，共27頁。早期產(chǎn)品在萌芽發(fā)展期，早期直流發(fā)電機(jī)均采用永久磁鐵勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)功率很小。1850至1885年間，磁石發(fā)電機(jī)的功率逐漸增大。l856年～1857年，英法聯(lián)盟商會在霍爾姆斯(F．H．Holmes)主持下設(shè)計(jì)制造了一臺功率略小于1．5kW的直流發(fā)電機(jī)。第16頁/共26頁第十六頁，共27頁。1880年代至1890年代上半葉是直流發(fā)電機(jī)的黃金時(shí)代，僅在美國，1887年前，愛迪生就建設(shè)了121座直流發(fā)電廠。1886年，西門子．哈爾斯克公司研制成功100kW立式直流發(fā)電機(jī)。圖8．33為西門子．哈爾斯克公司研制的直流發(fā)電機(jī)第17頁/共26頁第十七頁，共27頁。圖8．34為帕森斯(Parsons)公司1891年制造的100kW直流汽輪發(fā)電機(jī)；圖8．35為布拉什(Brush)公司1890年研制的直流發(fā)電機(jī)；第18頁/共26頁第十八頁，共27頁。圖8．36為1890年瑞士Oedikon公司的直流發(fā)電機(jī)：圖8．37為按J．霍普金斯和E．霍普金斯設(shè)計(jì)、制造的曼徹斯特式直流發(fā)電機(jī)；第19頁/共26頁第十九頁，共27頁。1870年代制造的格拉姆電動機(jī)，格拉姆電動機(jī)不久就用于工廠和礦山。直流電動機(jī)第20頁/共26頁第二十頁，共27頁。說到早期直流電動機(jī)的應(yīng)用，不能不提到譽(yù)為“電氣牽引之父”的美國科學(xué)家斯普拉克1884年～1886年間，斯普拉克完成了多項(xiàng)發(fā)明，主要有兩項(xiàng)：一是發(fā)明了帶固定電刷的恒速無火花直流電動機(jī)，解決了當(dāng)時(shí)直流電動機(jī)在變負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)的問題；二是發(fā)明電能可以反饋回收的直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，它為直流電動機(jī)在電氣機(jī)車、電梯上應(yīng)用、制動減速時(shí)回收電能創(chuàng)造了條件，也推動了直流電動機(jī)在電氣牽引、電梯等領(lǐng)域的應(yīng)用。1887年～1888年前，斯普拉克將他的諸多發(fā)明成果應(yīng)用于世界上第一條大規(guī)模無軌電車。第21頁/共26頁第二十一頁，共27頁。三、平穩(wěn)發(fā)展時(shí)期1880年代，直流電在美國交直流之戰(zhàn)中敗北，1895年直流發(fā)電機(jī)在尼亞加拉瀑布Adams電站5000馬力水輪發(fā)電機(jī)國際競標(biāo)中的失利，兩大事件重創(chuàng)了直流電機(jī)所向披靡的發(fā)展勢頭，結(jié)束了直流電機(jī)稱霸世界的歷史。面對人們對交流電認(rèn)識的改變，面對交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和交流電機(jī)發(fā)展咄咄逼人的勢頭，直流電機(jī)一方面收縮戰(zhàn)場，逐漸退出了沒有優(yōu)勢的領(lǐng)域。另一方面，攻克自身的薄弱環(huán)節(jié)，充分認(rèn)識和發(fā)揮直流電機(jī)調(diào)節(jié)性能優(yōu)越的優(yōu)勢。第22頁/共26頁第二十二頁，共27頁。1、直流電機(jī)換向理論的發(fā)展3、通風(fēng)冷卻4、產(chǎn)品開發(fā)2、直流電機(jī)技術(shù)的發(fā)展第23頁/共26頁第二十三頁，共27頁。直流電機(jī)技術(shù)的發(fā)展1920年代開始采用油改性漆、天然樹脂和瀝青漆等，絕緣等級進(jìn)入A級。到1920年代后期，直流電機(jī)已普遍采用A級絕緣。1936年，開始出現(xiàn)B級的高聚合物絕緣材料。1949年，直流電機(jī)開始采用環(huán)氧樹脂、聚酰胺和聚氨酯。1950年代后期，B級絕緣材料異軍突起，迅速推廣，1960年后直流電機(jī)已普遍采用B級絕緣材料。除絕緣材料外，這一時(shí)期鐵心用電工鋼片取得了重大進(jìn)展。20世紀(jì)初，直流電機(jī)鐵心幾乎都采用熱軋低碳軟鋼片或電磁鐵片。早期熱軋硅鋼片含硅量低，一般為l％～2％。1930年前后開始生產(chǎn)含硅量較高(4％～4．5％)的硅鋼片。1940年代，美國開始生產(chǎn)冷軋無取向硅鋼片。由于冷軋硅鋼片具有損耗低、厚度均勻、表面平整等優(yōu)點(diǎn)1、絕緣材料的進(jìn)展2、電工鋼片的進(jìn)展第24頁/共26頁第二十四頁，共27頁。四、直流電動機(jī)圖變發(fā)展階段(1961～2010）直流電機(jī)為什么要圖變？是哪些因素迫使它圖變？面對交流電的咄咄逼視，直流電機(jī)的優(yōu)勢在哪里？電機(jī)史話