1.1 电机发展简史

19世纪初，伴随着对电磁现象研究的深入和电池的发明，如何利用电磁现象实现电能和机械能的转换成为当时物理学界研究的一大热点，大批科学家和发明家投身于该项技术的研究。由于早期的电机设计不成熟，与现代电机也有较大不同，所以在大量的探索研究中，很难明确定义哪项研究创造了世界上第一台电机。一种说法认为著名英国物理学家、化学家法拉第（Michael Faraday）发明了世界上第一台电机。因为法拉第发现的电磁感应现象是电机学的基础，所以这里简单介绍法拉第的电机发明。1821年，法拉第设计了一套装置用于实现电动机的基本原理——“电磁转动”，他将导线放置于内嵌磁铁的汞池之中，利用化学电池在导线中通入持续电流，此时导线绕着磁铁旋转，从而实现了电能向机械能的转化。虽然这个装置的原理与后来的单极电动机是一致的，但这一装置当时还无法实用化。1831年，法拉第利用电磁感应现象，发明了法拉第圆盘发电机（也称为法拉第盘）。法拉第盘的主体是一个金属圆盘，当该金属圆盘在垂直于磁场的平面内旋转时，其半径切割磁场的磁力线，在圆心与圆周之间产生感应电动势。法拉第盘原理示意图如图1-1所示。该电动势可以使检流计的指针发生偏转，从而证明了发电过程的实现。法拉第盘也是典型的单极发电机。

图1-1 法拉第盘原理示意图

1833年，俄籍物理学家楞次（Lenz,Heinrich Friedrich Emil）发表了一篇题为《电动机与发电机的可逆性》的文章，揭示了发电机和电动机本质上的一致性。这一原理的发现对电机技术的发展具有重要的意义。例如在汽车行业，电动汽车相比传统内燃机汽车的一大优势在于其电机可以在制动过程中将车辆行驶的动能转换为电能储存在蓄电池中，提高整车行驶的经济性，也就是所谓的制动能量回收。电动机与发电机可逆运行的原理在本书的后续章节中还有讨论。

在法拉第发现电磁感应现象之后的近50年间，一大批著名的发明家如斯特金、雅可比、达文波特、西门子等人一直在改进电机的设计。这些设计使电机结构不断创新，并使电机的输出功率越来越大，越来越接近实用化。但这些电机都属于直流电机，需要电池供电。受到电池成本、能量密度等因素的限制，电机的供电系统成为直流电机应用推广的主要障碍。需要指出的是，伴随着电机技术的发展，发明家们一直尝试着采用电机来驱动车辆，但同样受到电池的限制，19世纪发明的电动汽车没有得到持续的发展，最终在20世纪初被内燃机汽车所取代。

第一次真正意义上电机技术的长足发展得益于交流输电技术的广泛应用。为了摆脱电池供电的束缚，人们开始尝试远距离输电，其中最为著名的是美国发明家爱迪生一直大力推动的直流输电方式。但是，若要降低直流输电的损耗，就需要有更高的直流输电电压，但随着电压的升高，直流发电机变得越来越不适用。19世纪80年代，美国物理学家特斯拉发明了交流电以克服当时的直流电不适用于远距离传输的问题，交流输电开始逐步被接受。1888年，俄国电工科学家多利沃-多布罗沃利斯基制成了一台功率为2.2kW的交流发电机，这是世界上第一台实用化的三相交流异步发电机。自此，通过电网供电的交流电机迅速发展起来。在其后的100多年间，三相交流异步电机以其结构简单、性能优异的特点，成为生产生活中最常用的电机种类。在现代工业生活中，60%的电能被用在电机上，而其中的80%都被交流异步电动机所利用。

虽然电网解决了电机的持续大功率供电需求，但也给电机高性能运行提出了新问题。传统的直流电机只需要控制直流供电电压的幅值，就可以实现电机转矩的控制，但交流供电涉及供电电压的频率和相位，且频率和相位对于电网来说是不可调节的，所以交流电机的高性能控制成为电机控制领域的一个新难题。20世纪中叶，随着电力电子技术的快速发展，电能控制技术发生了新一次的革命。得益于MOSFET、IGBT等高速功率半导体器件的发明，利用PWM电压调制技术可以同时实现交流电压幅值和相位的精确控制，这就意味着可以通过精确控制交流电机中定、转子磁场的幅值和相位实现转矩的精确控制。所以在20世纪80年代，交流电机的高性能控制得以实现，也就是所谓的矢量控制和直接转矩控制。矢量控制和直接转矩控制算法已被广泛地应用于交流传动系统控制。在汽车系统的应用中，混合动力汽车和纯电动汽车技术也都是基于交流电机的矢量控制技术发展起来的。

随着电机技术的发展，电机已被应用到工业生活的各个领域。小到电子表中微瓦量级的电动机，大到水力发电系统中几百兆瓦级的水力发电机。因为电机具有设计灵活、调速范围广、动态响应快、控制性能好、效率高、无排放等一系列的优点，越来越多的动力设备正在被电机所取代。在舰船领域，电力推进成为现代舰船的新趋势。2007年，美国成功研制成了世界首台36.5MW的高温超导电机作为其新一代船舶的动力来源。在铁路方面，传统的内燃机车也已逐步被电力牵引所取代，法国的TGV、德国的ICE、日本的新干线及我国的高铁均已采用全电驱动的形式。在航空领域，虽然目前商用客机仍均采用传统的航空涡轮发动机，但波音787客机的设计上已呈现了明显的“电气化”的趋势，大量机械和液压部件被电机所取代。与此同时，以丰田普锐斯为代表的混合动力汽车和以特斯拉为代表的纯电动汽车也开始向传统的内燃机汽车发出挑战。相信随着电机、电池技术的不断进步，电机的应用范围也将变得越来越广阔。