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1821到2021,一文了解電機的兩百年發展史
2022-01-03

電機,也就是我們日常生活中說的馬達,最早可追溯到19世紀。電機的出現很大程度上得益于電磁感應定律以及電磁力定律的發現,電動機、發電機、變壓器、和控制電機,均是在電磁感應原理為基礎工作的機器。

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作為一種將電能轉換或傳遞的電磁設備,其關鍵是產生驅動轉矩,電機作為機電工程能量轉換的關鍵設備,是電氣傳動的基礎部件,主要用途廣泛、產品種類諸多、規格型號復雜,這樣的產品特性決定了該產業鏈市場集中度不高、企業涉及到的細分領域多,無顯著的規律性、地區性、周期性特點。
現代生活中電機的廣泛應用也促使了電機不斷進化,根據應用的不同,電機會有不同的設計和驅動方式,這就導致電機型號以及種類組件增加明顯。
我們根據用途以及特點,對電機進行簡單的分類。

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在電機的普遍使用的現在,電機又經過了怎樣的發展歷史呢?
我們回本溯源,說說電機的前世今生。
01 理論準備與探索
法拉第1821年實驗電機模型

法拉第1821年實驗電機模型

1820年7月21日,丹麥哥本哈根大學教授、物理學家奧斯特發現了“電流的磁效應”,建立了電磁的相互聯系,誕生了電磁學。
1821年英國著名物理學家法拉第制成了第一個實驗電機的模型,1822年法拉第證明電可以做工運動,人類進入電氣時代。隨著第一臺實用發電機的成功發明,第二次工業革命拉開序幕。后續法拉第又在1831年發現了電磁感應現象,此外他還發現了電解定律,對氣體放電現象進行了大量的卓有成效的研究,為后來倫琴射線、天然放射性、同位素等的發現準備了條件,為現代物理學的發展奠定了基礎。在電磁學的研究過程中,他創造了諸如抗磁性、順磁性、電介質、力線、陰離子、陽離子等新詞匯,提出了“場”的概念。
法拉第制造了第一臺實驗性電動機,發電機、第一臺變壓器,研究過氣體的液化、光學、電化學,是名副其實的電學之父以及交流電之父。
1870年比利時人格拉姆發明直流發電機。在設計上,直流發電機和電動機十分相似。后來,格拉姆證明向直流發動機輸入電流,其轉子會象電機一樣旋轉。于是,這種格拉姆型電機被大量制造,效率得到明顯提高。
1888年美國發明家特斯拉根據電磁感應原理發明了交流電動機。這種電動機結構簡單,使用交流電,無需整流,無火花,被廣泛應用于工業的家庭電器中,交流電動機通常用三相交流供電。
電機主要由轉子、定子、電刷、端蓋及軸承等部件構成。定子是由定子鐵芯、機座、線包繞組、及固定這些部件的其他結構件組成。轉子由轉子磁極、轉子鐵芯、滑環、轉軸及風扇等部件組成。發電機電流的產生是通過軸承、機座及端蓋將發電機的定子,轉子連接組裝起來,使轉子在定子中旋轉,通過滑環通入一定勵磁電流,使轉子成為一個旋轉磁場,定子線圈做切割磁力線的運動,從而產生感應電勢。通過接線端子引出,接在回路中,這樣就產生了電流。由于電刷與轉子相連處有斷路處,使轉子按一定方向轉動,產生交變電流,簡稱交流電。
轉子旋轉

轉子旋轉

02 電機發展階段
在電機的發展中首先得到發展的是直流電機,直流電機的發展前半部分大致可以劃分為以永磁體作為磁場的階段,以電磁鐵作為磁極的階段以及改變勵磁方式階段。因為電機的使用必須要由直流發電機提供電流,所以在這三個發展階段中勵磁技術是直流電機得以發展的一個關鍵性技術,他為發電機提供技術理論支撐,電機的發展隨著發電機的發展而進步,也就使得電機進入到新的應用階段。
勵磁系統

勵磁系統

1854年丹麥的赫爾特.維爾納兄弟申請了自激式發電機的專利。此后科學家們又發明了串激式自激發電機和自并勵發電機,大大改變了直流發電機的性能,使得直流電機發展進入新階段。
直流電機的完善階段集中于19世紀六七十年代,在這個階段齒狀電樞、環狀電樞以及鼓型轉子被先后發明,新技術大大降低了電機生產成本,電機進入實際應用的時代。
隨著直流發電技術的發展,直流發電機可以發出的最大電壓為57.6千伏,輸出最大功率為4650千瓦,輸送的距離可以達到180公里。但是這很快就達到了技術上的極限,交流電動機開始受到重視。
1889年俄國工程師杜列夫-杜波洛沃爾斯基發明了鼠籠式三相電動機,這是第一臺能夠實用的三相交流電動機,至此電動機發展到了可以進入工業應用的階段。
03 電機的發展趨勢
目前,我國電機產業經過40多年的發展,特別是在改革開放后,取得了顯著的進步。電機作為機械裝備上不可或缺的組件之一,在全球降低能耗的背景下,高效節能電機成為全球電機產業發展的共識。
電機未來的發展趨勢有以下幾點:
1、在節能減排的框架下,高效節能電機是電機產業發展的必然方向,高效節能電機將帶動產業鏈實現快速發展。高效節能電機將把我國工業推向一個新的高度,助力中國制造2025目標達成。就行業而言,小電機制造行業將會向規?;?、標準化和自動化方向發展,而大中型電機制造行業卻向單機容量不斷增大、要求特殊化、多樣化、定制化的方向發展。
2、電機形式更加多樣,電機逐漸向專用性方向發展。我國現在工業發展要求以及人民群眾對于生活質量要求使得對于電機的需求是多樣的,同時過去同樣的電機分別用于不同負載類型、不同使用場合的局面將會被打破,更偏向專用場景化。
3、電機的構造必將更加的小巧、精細。未來智慧城市以及工業自動化的發展對于智能機器人以及自動化設備的需求將會明顯增加,預計未來智能機器人以及自動化設備將會得到大規模發展。其運行必然需要電機的驅動,這些精細的操作對于電機的要求也會偏向小巧、精致。

從家用電器到工業器具,電機在國民生活所需物件中是必不可缺的組成部分。因此,電機性能對于產品使用以及產品質量的重要性不言而喻,同時它也間接影響著我們的生活質量。
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