發電機的發明與改進

1831年8月29日，法拉第成功進行了“電磁感應”的實驗，10月底又研製了第一部感應發電機的模型。從此，電的研究應用迅速發展起來，電作為一種新的強大的能源開始在人類的生產、生活中發揮著日益巨大的作用。在生活需要的直接推動下，具有實用價值的發電機和電動機相繼問世，並在應用中不斷得到改進和完善。從發電機的發展順序來看，首先出現的是直流發電機，它大致可分為四個階段：

第一階段是以永久磁鐵作為磁場的階段，這是最初的直流發電機的共同特點。但天然磁鐵比較小，而且磁性很弱，直流電機隻能獲得很小的功率。為了達到更高的功率，人們把許多永久磁鐵排成星狀，並相應增加旋轉線圈，然而這種方法也很快達到了它所能提供的功率的極限，而且使發電機的可靠性、經濟性大大下降。

第二階段是以電磁鐵作為磁場的階段。1825年，英國的斯特金（W.Sturgeon，1783—1850）用16圈導線製成了第一塊電磁鐵；1845年，英國物理學家惠斯通（Charles　Wheatstone，1802—1875）通過外加電源給線圈勵磁，又改進了電樞繞組，從而製成了第一台電磁鐵發電機，大大改善了直流發電機的性能。

第三階段是改變勵磁方式。勵磁是直流發電機的一項關鍵性技術。1851年，金斯首先用電磁鐵代替永久磁鐵勵磁，以後出現串激、並激和複激等勵磁方式。但這些勵磁方式首先需要有電流通過才能產生磁場，而發電機要發出電流又必須先有勵磁。也就是說，隻有當發電機在啟動前存有剩磁時才能啟動，這一矛盾促使發電機的發展進入第三階段。第一台自激式電機的專利是1854年頒發的，發明人是丹麥的赫爾特。維爾納兄弟、西門子（E.W.von，siemens，1816—1892）等人也堅持采用自激原理，發明串激式自激發電機和自並勵發電機，開創了發電機發展的新階段。

第四階段是在實用的道路上朝著完善化方向前進，主要體現在電樞轉子的改進上。1865年意大利的巴齊諾蒂（A.Pacinotti，1841—1912）發明了齒狀電樞；1870年，原籍比利時而長期在巴黎工作的格蘭姆（Z.T.Gramme，1826—1901）部分利用他的這一成果，采用環狀鐵絲迭合成的環狀鐵心製成了環狀電樞。1872年，德國的弗裏德裏希·馮·海天納-阿爾特涅克（F.V.H.Altneck，1845—1904）發明了一種鼓形轉子，他吸取了格蘭姆和巴齊諾蒂轉子的優點，又簡化了製造方法，從而降低了電機生產的成本。從此，現代發電機的雛形出現了。

由於直流發電機存在一定的局限性，後來又發明了交流發電機。皮克西（Pixii）在1832年研製的電機和1850年西門子的第一台轉樞式發電機都是單向交流發電機。但它們與直流發電機相比，其優越性並不明顯。減少輸電過程中的電能消耗的關鍵問題是如何任意改變電壓。1881年，變壓器的正式發明，又推動了整個19世紀末交流發電機發展的**。在這方麵，許多科學家做出了貢獻。其中，意大利物理學家和電工學家加利萊奧費拉裏斯（G.Ferraris，1841—1897）和美國的尼古拉特斯拉（N.Tesla）分別於1885年和1886年獨立發明旋轉磁場式電機，使交流發電機初具現代實用形式。

電動機的發明與改進

發電機與電動機是電機的兩大類型，從它們的發展來看，相關技術的創造發明往往是互相影響的，甚至存在著交叉現象。1880年以前，電動機和發電機是獨立發展的，但也存在著相互影響，不管是發電機還是電動機，在設計和製造過程中積累的經驗都可互相借鑒。

1821年，法拉第製作了一台用化學電源驅動的電動機，把電能轉化成了機械能。1829年，美國物理學家亨利（J.Henly，1792—1878）製成的電磁鐵可以舉起一噸重的貨物。在俄國，科學院院土雅可比（M.H.Jacob，1801—1874）於1834年用化學電池組為能源，利用電磁的吸力和斥力的特性，產生機械運動，製造了第一台實用的電動機。1838年他把經過改進的直流電動機安裝在小船上，驅動一艘小船行駛在涅瓦河上。在美國，戴文泡特（T.Davenport，1802—1851）於1835年用電磁鐵和電池製成一台電動機，用這種電動機驅動圓形軌道上的小車，這可以說是後來電力火車的雛形。之後，人們在實踐中繼續前進。到1860年，巴齊諾蒂發明了環形電樞，將整流子和合理的勵磁方式結合起來，從此，實用的電動機結構和形式基本具備。

1880年前後，電錘和岩石鑽相繼問世，石磨機、製冰機、洗滌機等都用上了電動機，甚至還出現了牙醫電鑽、縫紉機馬達、家用吸塵器。如此強大的社會需求對電機的促進很大，許多有名的電氣工業公司相繼出現。尤其是特斯拉等人發明的旋轉磁場式電機，使得電動機和發電機這兩大類電機以交流電的方式統一地發展起來。法拉第最先製成二相異步電動機模型，而特斯拉則在1886年製成了構造完善的二相異步電動機，使二相機獲得較大的進步。1889年以後，俄國工程師多裏沃（M.Von　Dolivo，1862—1919），先後發明了三相異步電動機、三相變壓器和三相製輸電，他的鼠籠式異步電動機構造簡單、經濟、可靠，19世紀90年代在歐美工業中獲得了廣泛應用。1891年，三相製輸電的使用，標誌著電力工業已正式進入實用階段。