“转”出一番新景象——电动机的发展与历史

静若处子的定子、动若脱兔的转子、转向灵活的换向器，这是组成电动机的三个关键部件。定子负责产生稳定的磁场，转子则在磁场中不断旋转，换向器通过灵活的电流换向，让两者始终规律稳定地旋转。转着转着，电能变成了机械能；转着转着，机械能又变回了电能。周而复始地转着，转着，转出了人类社会的一番新景象。

电与磁是自然界中的两种基本现象，它们在物理学中密不可分。电磁学主要研究电和磁现象及其相互作用，是经典物理学的重要组成部分。而电动机作为电磁学的实用代表，完美地将电磁学的基本原理转化为实际应用为人类服务。本篇咱们一去回溯电动机的早期历史。

电与磁的发现

如果有人问 “磁与电”哪个更早发现？你会惊奇地发现，不论是科学家还是历史学家的答案居然如此地一致，那就是磁现象比电现象发现得更早。公元前600年古希腊的哲学家泰勒斯（Thales of Miletus）发现磁铁矿能够吸引铁屑和小型铁制品。旋即记录下来并作出自己的解释，认为天然磁石具有某种吸引力。

尽管泰勒斯没有对其进行深入科学研究，但不妨碍被公认为最早记录和描述的学者。谁曾想到泰勒斯还发现并记录了另一个现象。当琥珀经过反复摩擦可以吸引羽毛或草屑。这种如今路人皆知的静电现象。对当时的泰勒斯而言同样无法理解，只能同样记录下这是琥珀在摩擦后获得某种“神秘的力量”。

同一个人发现并记录的两种现象，为什么说磁比电更早被发现？如今的解释是因为学科只有在经过系统研究和科学理解之后才算成立。泰勒斯只是发现并记录却没有深入研究。所以磁学的奠基人是科学家吉尔伯特，在1600年发表的《论磁体》（De Magnete）中对地磁场和磁现象的详细描述。而在电学领域，对电现象的系统研究是从1752年本杰明·富兰克林通过风筝实验证明了雷电是电的一种形式开始。现在应该明白电与磁谁更早被发现了吧。

电磁学与早期电动机时代

1785年查尔斯·奥古斯丁·库仑通过实验得出的库仑定律大家都不陌生。这里有个小故事，其实亨利·卡文迪什在1771年更早地发现了该定律，只可惜没有发表。1785年库仑独立发现并公开发表了该定律，详细描述了电荷之间的相互作用力。这在电磁学之中具有十分重要的地位。也因此该定律以库仑命名。库仑更成为用来衡量电荷大小的基本单位。第一台简易经典电动机是由苏格兰僧侣安德鲁·戈登和美国实验者本杰明·富兰克林在18世纪40年代的实验中完成，其背后的理论原理正是库仑定律。只不过当时静电电动机难以产生高电压最终从未用于实际用途。

1799年亚历山德罗·伏特发明了电化学电池，令电磁相关实验终于有了持续的电流持续供给。旋即1820年克里斯蒂安·奥斯特就发现了电流可以产生磁场，磁场可以对磁铁施加力。安德烈-玛丽·安培在随后的几周就开发出了电磁相互作用的第一个公式，提出了安培定律用以解释电流和磁场相互作用产生的机械力。

十九世纪对电与磁相关一系列研究以及重要实验的理论贡献，让电磁学真正走向独立学科。1821年迈克尔·法拉第在英国皇家研究院地下室，首次演示了旋转运动效应的著名实验，当电流通过被浸入放置了永磁体的水银池中那根自由悬挂的电线时，电线会绕着磁铁旋转，这表明电流在电线周围产生了封闭的圆形磁场。

揭示了电场和磁场之间的密切联系，更开启了电磁学的新时代。法拉第在《科学季刊》上发表论文后，将论文副本连同袖珍模型寄给世界各地的同事，让大家亲眼目睹电磁旋转现象。如今这个小实验时常出现在在课堂之中，只是水银就被换成了盐水。1822年英国物理学家彼得·巴洛根据法拉第演示所设计的“巴洛轮”装置，其实就是“单极电动机”的雏形。

1827年，匈牙利物理学家Ányos Jedlik开始研究电磁线圈。他发明的换向器首次解决连续旋转的技术问题，Jedlik将自己早期装置称为“电磁自转子”。1828年Jedlik 展示了第一台包含如今实用直流电动机中，定子、转子和换向器三个主要部件的装置。唯一不同没有永磁体，静止和旋转部件磁场均由流过其绕组的电流产生。

直流电机时代

换向器的出现让英国科学家威廉·斯特金，在1832年发明了能够驱动机械的直流电动机。美国发明家托马斯·达文波特和艾米丽·达文波特也制造了具有换向器的直流电动机，并于1837年申请专利。由于当时没有配电系统，电池成本又过于高昂，让这种原本设计为机床或印刷机提供动力，具有600rpm的电动机最终令二人破产。

1834年莫里茨·冯·雅可比制造出了第一台真正的旋转电动机，机器惊人的输出功率当时让业界震惊，四年后雅可比更改进出足以驱动载有14人的船，穿越宽阔河流的二代产品。有了好的开端，随后许多类似产品就水到渠成了。1827年耶德利克参照电磁自转子相似原理，制造了能够做有用功的电机，甚至还制造了一辆模型电动汽车。

电磁学的研究与电动机技术始终相互成就。最为出名的当属被誉为电磁学基石的麦克斯韦方程组，这个由高斯定律、高斯磁定律、法拉第电感应定律以及安培·麦克斯韦定律，四个矢量方程式所组成方程组，是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在19世纪中期，通过综合前人对电磁学的研究和自己独特的洞察力所提出。它们描述了电场和磁场的相互关系及其随时间产生的变化。

1865年，麦克斯韦发表了论文《电磁场的动态理论》，完整提出了该方程组，以数学形式总结了电场和磁场的所有已知性质，并预言电磁波的存在。后来亨利·赫兹正是通过实验验证了麦克斯韦方程组，成功产生并检测到电磁波，电磁波理论得到真正确立，这是电磁学真正成为独立学科的重要时刻。

1864年直流电动机技术出现了重大转折，安东尼奥·帕奇诺蒂首次提出了环形电枢。其特点是对称分组的线圈自身闭合并连接到换向器的条上，这样换向器的电刷输出的电流几乎没有波动。维尔纳·西门子在1867年宣布发现了直流电动机的可逆性优势。这让比利时工程师泽诺布·格拉姆(Zénobe Gramme)获得了灵感，在整合了西门子的发现后，重新改进了帕奇诺蒂的设计，与1871年造出世界上第一台取得商业成功的直流电动机。

1872年西门子和阿尔特内克发明了鼓形转子，取代了帕奇诺蒂的环形电枢，提高了电机效率。次年西门子和哈尔斯克公司发明了叠片转子，降低了铁损提高了感应电压。1880年，乔纳斯·温斯特罗姆为转子设计了槽，用于容纳绕组，进一步提高了效率。短短的十多年里，直流电动机技术因为商业技术需求得到了极大提升。

1886年弗兰克·朱利安·斯普拉格发明了第一台能在可变负载下保持相对恒定速度的直流电动机。得益于斯普拉格当时一系列的电气发明，极大地改善了电网电力分配，允许电动机的电力通过架空电线和电车杆为有轨电车提供电力分配。这使得斯普拉格能够使用电动机在 1887弗吉尼亚州里士满发明第一个电动有轨电车系统，更在1892 年发明电动电梯和控制系统，以及带有独立供电的中央控制车厢的电动地铁。斯普拉格的电机和相关发明引发了人们对工业电动机的兴趣和大量使用。

自此电动机技术彻底改变了工业、农业与社会生活。工业不再受连轴、皮带、压缩空气或液压动力传输限制。每台机器均可使用独立电源，操作简单效率更高。农业取代了人力和畜力消耗。而各类家用电动机则减少了繁重的劳动，不完全统计如今美国年发电量一般以上的电能都消耗在电动机之上。

交流电动机时代

交流电动机实际与直流电动机时代几乎同期。1824年法国物理学家弗朗索瓦·阿拉戈以“阿拉戈旋转”为名提出了旋转磁场理论。最终在55年后有沃尔特·贝利通过手动开关证实了旋转磁场的存在，其实这就是第一台原始感应电动机雏形。交流电在长距离高压传输方面的优势，让试图开发交流电动机的人在当时比比皆是。第一台交流无换向器感应电动机，是伽利略·费拉里斯于1885年发明。

可惜三年后被都灵皇家科学院评判为：“基于该原理的装置作为电动机不可能具有任何商业重要性”。幸好在面对当时科学权威时总有不信邪的人。尼古拉·特斯拉觉察到交流电动机的商业价值，在1887年独立发明了感应电动机并获得专利。同年特斯拉向美国电气工程师学会 ( AIEE ) 提交了《交流电动机和变压器的新系统》论文，描述了三种获得专利的两相四定子极电动机类型。

比特斯拉更为敏锐的乔治·威斯汀豪斯迅速买下了特斯拉的专利，还聘请特斯拉开发他的电动机。尽管特斯拉没有完成开发就辞职离开，但接手工作的工程师于 1891年成功地对其完成改造，成为科罗拉多州采矿作业好帮手。1892年威斯汀豪斯造出第一台实用的感应电动机，随后更开发了一系列多相60赫兹感应电动机。

另一相同在交流电机领域耕耘的多布罗沃尔斯基，则坚定不移地推动三相电机的发展，他在1889年发明了包括带起动变阻器的笼型转子和绕线转子两种类型的三相感应电动机，次年更发明了三柱变压器，让随后具有20马力的鼠笼式电动机和100马力的带起动变阻器的绕线转子电动机接踵而至，共同组成了第一批适合商用的三相异步电动机阵容。

在1891年法兰克福国际电工展览会上，Wenström成功展示了第一个额定电压为15 kV的长距离三相系统。通过从175公里外劳芬瀑布发电站中一台 240kW/86V/40Hz的交流发电机和一台升压变压器，将水电传输至展会，经过降压后为一台100马力的三相感应电动机为现场人工瀑布供电，代表原始电源的长距离转移。如今三相感应技术被广泛应用在绝大多数商业场合之中。谁也没想到，驱使多布罗沃斯基不断研发的原因，竟然是他认为特斯拉两相电机并不实用，唯有三相技术才适合商用。

结语

电动机历史咱们主要说到这里，更为先进的现代电机技术，特别是车用驱动电机内容，我们在下一篇文章详述。回头来看，电动机的发展历史就是一部充满创新和进步的科学发展史。从早期的电磁学理论到现代高效能电动机的应用，不管如今电动机彼此之间在体积，功率甚至类型存在多大的差异，每一台都凝聚了无数科学家的智慧和努力。

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