 | | 瀚海蓝月 | (痛并快乐着)
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| 〖删除〗〖版主编辑〗〖转移帖子〗〖顶〗〖精〗[回复][短消息][编辑] | | [转帖]侃侃电机 | 电机可以说是现在工业社会最重要的机械之一了，主要执行的是电能机械能转换。。。啊啊啊!谁扔鸡蛋!(什么，太枯燥，平时老师就是这么说的) 啊啊啊!还扔!
哦，那就稍微通俗一点。
第一，电机怎么工作
电机工作的主要依靠两条物理现象。第一，电磁感应原理， 第二，磁场的相互作用力的原理。当然，在真正的大牛眼里，电既是磁，磁既是电，色即是空，空即是色，坑即是河，河即是坑
……
不过简单形容起来，电机工作原理可以这样考虑：
考虑有两个磁体N S相对放置，当磁体甲平行移动，远离磁体乙时，磁体乙必然会因为磁场吸引力，跟随磁体甲做同样的平行移动。(如果需要加强直观认识的请参考“周星驰之大内密探零零发”，看看零零发如何利用磁场作用力力斗歹徒，保护了皇上和人民群众的安全)。虽然如此，平行移动有一个缺陷，就是如果要电机长时间持久作功的话，磁体甲的运动轨迹也需要无限长。于是，这时候，圆柱体结构勇敢的站了出来。如果在一个圆柱的外沿给予一个周期性旋转的磁场的话，那圆柱体内部的磁体就会周而复始得随着外部的磁场运动作功了。(需要加强直观理解的可以参考老乡家拉磨得驴，一圈一圈又一圈。。。。。)。
如果说磁场的作用力相当于了拉磨结构中的驴身上的那根传递力的绳子，而圆柱体结构解决了磨坊的结构和磨坊场地问题，那现在放在我们面前的最重要的问题，就是驴!
中国其实是最早发现磁现象的国家了，还因此发明了指南车，指南针，指南龟，指南胖头鱼，指南土鳖扛铁牛等等等等，但痛心疾首的是，发现磁现象之后多年以后，中国人始终没有想到把磁作用力应用到生产活动中去。其中最关键的问题就是，没有找到这头驴…..但是在1791年，英国诞生了一个叫做法拉第的男人，他发现了这头驴!自从法拉第发现电和磁场的关系，电场能够产生磁场以后，一切都变得很简单了。然后人类要做的就是，用各种各样不同的电驱动方法，来产生一个旋转的定子磁场，然后让转子的磁场跟随旋转磁场运动作功。但是一切的开始，都取决于法拉第发现的电磁感应定律，导师每一次做和电机有关的 presentation,都会把法拉第的照片放在最前面的那几页，就好像木匠拜鲁班，琢玉的拜丘处机，妓女供梁红玉，黑社会供关二爷一样。按照他的说法，我们这一行今天有口饭吃，那也是法爷，哦是那法拉第爷赏的。
看来，蒸汽机诚然是推动现代工业革命的极重要的一步，而真正实现工业机械化的还是电机的发明，因为电机的发明真正让能量的储存，调配和大规模的工业应用变成了可能，换句话说，现代工业这口饭，其中也有那么一点点是法爷赏的。
这一篇主要介绍了驴如何拉磨，哦不是，是电机如何工作的最基本的原理，至于具体怎么产生那个可以拉磨得驴，以及磨盘有那几种结构，请听下回分解。。。。。。
2
上回说到法爷发现了电磁感应定律以后，丫就跃跃欲试，这驴都找到了，让它给拉磨还不简单。于是就搞了一个简易的电动机。
顺便提一句，电动机和发电机都属于电机，其实属于电机的两种工作状态，在现代工业中的大多数电机都可以工作在两种状态，通俗点说，就是既可以给个驴让它拉磨，也可以俺们自己或者以水力或者以风力或者以土鳖用来抗铁牛的力气来转磨，然后在磨的那一头源源不断的吐出驴来，而且这两种状态还能互相切换。。。。所以准确来说，法爷只是找到了一个产生驴的方法，至于驴还是要俺们一点点发出来滴。想起最近在带那里的学生做实验赚点零花钱，有一个实验是把两个电机连在一起，由一台直流电机驱动另一台交流发电机发电，最后把电能送回到电网里。当俺们完成最后一步，把发出来的电送回到电网里去的时候，旁边有一个学生一脸坏笑的问，“那弟兄们也算是发了电了，是不是也该领点钱呢？”黑皮表情一脸严肃：“嗯，那是你发电的吗？那是直流电机拖动发电机的吧，那直流电机的电还不是从电网里拿的，如果从能量守恒角度考虑，所有发出去的电就等于从电网里拿来的，如果再加上损耗…”那哥们反应很快：“这个下面那个图怎么分解， 您…”
好像题有点跑远了，回来回来，这儿不是龙门，话说法爷想要搞电动机，但是那时候也没有电力公司啊（电力公司还指着法爷赏饭吃呢），法爷用的是伏爷伏达发明的电池，这个输出功率就有点上不了台面了，也远远不能普及到生产应用中去，所以虽然法爷牛归牛，电机的发明，设计和完善，还真少不了后面的几位爷…
所以！那个时候对于发电机需求远远大于电动机的需求，因为不管怎样总得先搞点驴阿，无论是您准备让他拉磨，发光，发热或者吃草挤奶之类的。世界上最早发明能够勉强应用的人算是皮克希皮爷了，皮爷造了一个马蹄形的可以旋转的永磁（Permanent Magnet）磁铁，然后用铁芯绕上导线，把N极S极对准，然后就能输出电流。但是这样输出的电流因为磁极一直在对换，所以也是正负交替的脉冲信号，皮爷就设计了一个换向器，把电流的输出端经过弹簧片连到一个和旋转磁铁同速旋转的两片金属筒上，这样每次当磁极对换使电流反转时，弹簧片也正好换向，把电流方向又转了回来。于是，皮爷发电机就能发出直流电啦。所以，1832年皮爷发明的电机是世界上第一台直流发电机。
刚才说到皮爷的换向器，这个东西现在是俺们搞电机的非常不喜欢，非常想要避免的一个部件，因为换向器换向时候产生的电火花，会大大减少换向器的本身的寿命，而河里的弟兄谁也不想在寒风凛冽的冬天，爬上几百米高的风力发电风塔，就为了换那个小小的该死的换向器吧。但是在那个时候，皮爷的那个换向器可是巨牛巨牛无比的设计，因为当时的普遍认为，直流电才是便于储存传输的，当然俺们现在都用上交流电了吧，这个后面会继续侃。而且，拥有换向器的直流电机，到现在还在很多应用上发挥着重大作用。
在皮爷的发电机之后的30多年，有不少人在皮爷的结构上作了改进，比如如果减少换向的电流突变以延长换向器寿命等等，但是一直没有重大改进，而当时的直流电机的一个很大的问题就是输出功率太小，直到另一个发明和设计的牛人西门子发明了电磁体式直流自励发电机。西门子西爷也是一个很值得一侃的人物，首先丫家里一门忠烈，4个兄弟都是发明家，侃得这个叫Werner，排老大，以发明电报，电镀法，和直流发电机出名。看到了吧，直流发电机不是排在第一，仅仅 排在第三，第三！。。。。。西门子同学小时候上的是炮兵学校，念完以后就入了伍，后来因为违法军纪入狱，入了狱还不老实，发明了金属电镀法（electropoplating)。电镀法搞出来了，但搞来搞去总嫌电流不够，镀出来的东西不好，用了狂多电池，还是不行。然后考虑用皮爷的发电机，电流还是不够。西爷就怒了：“XXXXXXX，老子先自己搞一个大功率的直流发电机，然后再慢慢搞电镀。”您看，这不，直流电机历史上很重要的一次改进，就这么诞生了。
欲知西爷做了什么改进，怎么提高了直流电机的输出功率的，请听下回分解。
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上回说到电镀法受困小电流，西门子一怒创新机。要知道西门子究竟在皮氏发电机的基础上做了什么改动，还是要从皮氏发电机的缺陷说起。
前文已经说到皮氏发电机的最大缺陷在于输出能力不够，而输出能力又受限于永磁体的磁场强度。那么，西门子所采用的办法就是用电磁体代替永磁体~~~ 停， 停!不要嘘，不要嘘!! 这主意不怎么特殊，河里的大侠们最少有70.7%能想出来。。。但是别忘了，那是一个没有电力系统的年代，不是俺们的现代实验室，随便接一个直流源就能工作，相反的是，现代电力系统还指着这几位呢。现在这问题进入了一个诡异的死循环:
要发展大输出发电机—>要用电磁体代替永磁体—>没电?—>所以就要发展电力系统—>电力系统的基础在于需要一个有效率的大输出发电机~~~~
什么?用电池?!你们谁见过几天就要换电池的发电机，而且一换还是好几十节的。。。。。没招了吧，可西爷就是西爷，他的办法是让发电机输出的电能激励其本身的电磁体线圈。具体的实现方法是，启动电机以后，电磁体留下的一点点剩磁会产生些许电能，然后利用那个电能的一部分激励电磁体线圈，当然电磁体的磁场会增长，产生的电能继续变大，然后电磁体磁体继续增长，如此循环往复，直到电机切入额定状态。
西爷的这个发电机是一个很牛的设计，因为他代表了人类基本上找到了一种经济可行的大规模产生电能的一种方法。也是从那以后，整个世界的电力技术开始蓬勃发展。不过这也自然，俺们也是先拥有一大群驴，然后才会去考虑怎样驯驴，养驴，管理驴。。。。。大概又过了10多年，经过许多人对于西门子发电机的改良和对电力系统的设计构造，1882年，爱迪生在纽约建立了第一个可以投入生产应用的火力发电站以及其输电系统。说到这里，大家总算喘了口气，这电总算是给俺们发出来，这下算是大功告成了吧。可是这电虽然有了，但电能传输又是电能系统的另外一个问题。俺们大家都知道，从电厂送电到用户，那是要经过很长很长的距离的，而导线的材料又主要是铜，距离长了电阻就不小。这样的电阻如果通过大电流的，电阻上发热所耗的能量就等I^2*R，也肯定是小不了的。黑皮曾经听说过当时的一个较远距离的输电系统，真正送到的能量只有20%强，也就是说剩下那70%多的能量全都在导线材料上发热了。俺们可以想象，一个善良淳朴的农民大叔好不容易搞了100多头驴，一路上都是车匪路霸，到家才剩20多头了，那还不得哭死!!! 现在是有奖提问时间，各位听众，你们有什么办法解决这个车匪路霸问题吗？
… …
听众甲: 您刚才说了铜线的距离长了电阻就不小，那是因为电阻大小正比于导体长度，那电阻还反比与导体截面积呢，俺们可以增加铜线截面积阿，比如现在是1平方厘米截面积的导线，咱们给他搞个一平方米粗，电阻就缩小了10000倍，损耗也就小了10000呢…
黑皮：嗯，这位听众，你们家是不是开铜矿的，电阻是缩小了10000倍，可用的铜就增加了10000倍啊! 就现在还经常听说有人偷电缆呢，如果电线一平方米粗，那还不都得疯了，用卡车一车一车的装，剪个一米的电缆就是一立方!
听众乙: 俺们都知道电功率等于U*I,俺们可以增加电压来增加输出功率，同时又不提高电流，这样传输电缆上的损耗就不会增加了
黑皮(汗!): 西西河还是水深啊，您老的想法和当年爱迪生一会儿基本吻合，确实是很可行的方法。但是问题是，当时的电机输出电压有限，而且当时的电力电子还不成熟，直流升压的器件有，但是价格和性能都不太让人满意。不过这已经是当时最能让人接受的方案了。
听众丙: 可以用超导啊，温度在绝对零度是，电阻值就等于零。
黑皮：那俺们早就都冻死了，把听众丙拖出去喂藏獒!!!
哈尼：那可以把电线上的发热利用起来啊，比如烤电烤鸡。。。
黑皮：努努，我知道你想吃电烤鸡了，明天就给你买，现在我正在和大家谈事呢… …
现在公布最终结果，听众乙的结果极具建设性，奖励电烤鸡一只，听众甲和哈尼参与奖，奖励鸡爪一只，听众丙…听众丙呢?!
当时的电力系统和发电机确实和听众乙仁兄说的一样，在积极的往输出和转换高电压努力，直到另外一位爷的出现的。这位爷的名字，是黑皮做实验读数据的时候经常要念到的，他的名字是… …
还是下回分解吧
4. 小侃电机之四 献给特斯拉
黑皮在写小侃电机的电机历史部分的时候，查了不少资料以弥补自己的一些知识缺陷。在这个过程中，一段故事渐渐的浮现出来，故事的主人公不同于前面说的几位爷那样声名显赫，名利双收，也不像历史上大多数的发明家那样受人敬仰，风度翩翩，那个人偏执，孤僻，令人难以接近。但就是为了他，黑皮想放慢一下小侃电机的节奏，用这一整篇帖子描述那一段传奇故事，并且把这一篇献给故事中的那个似乎永远不讨人喜欢的主人公—-尼古拉.特斯拉。
这个故事的名字叫做—-电流之战
电流之战的双方，一方面是被称为”发明大王”的爱迪生以及他的爱迪生公司。爱迪生，是一个何等响亮的名字，从小学开始，黑皮们就在学校走廊的名人画像里看到这个名字，在美国《生活》周刊评出的过去1000年的100位最有影响力人物中，这个名字列在第一。
那是一个电力的年代，爱迪生发明的电灯，首次带给人类如此便捷易用的光明，法拉第电磁理论和西门子直流发电机，第一次让大规模电力应用离人类如此之近，最后的难题，落在能量的传输方式上。电学巨擎爱迪生认为直流输电是合理的方式，并且在1882年建立了第一个可以实际应用的直流输电网络。所有的人都觉得这一切理所当然，水到渠成。直到两年以后，特斯拉发明了交流电机… …
交流电可能是人类获得最早的电流，法拉第的电磁线圈第一次产生的就是交流电。但是交流电一直被认为是无用的电源，既不能点燃当时应用最广的电灯，也不能驱动旋转变化的电机磁场(在当时大家所发现的事实是一点交流电换向之后，电机旋转到一半的转子会因为其磁场换向而向相反方向回转)。但是特斯拉发现，两相空间相差180度的交流电可以产生一个圆周旋转的磁场，当一项的磁场接近换向的时候，另一项的正向磁场恰巧达到最强，巧妙的接替上一项的磁场继续旋转，不需要换相器和电刷，一切和谐而自然。他的发现是所有的交流电机的理论基础，现代电机学理论已经把他上升归纳到:只要是空间上相差pi/n的n向绕组，并且驱动以时间相位同样相差pi/n的n向电流，就可以产生均衡的旋转磁场。反之亦然，拥有这样的旋转磁场和这样的空间绕组，可以产生n向时间相位相差pi/n的n相电流。当然，数学上精确的推导都取决于特斯拉最初的发现，自从那个发现开始，交流电机和交流电的前途已经不可阻挡，哪怕那个阻挡它的是爱迪生。
交流电的另一个好处，他可以通过变压器非常便捷的升降压，而输电电压越高，在电阻上的损耗的越低，我想，特斯拉那时候的眼睛里一定是充满着光亮的，有了他的交流发电机和交流电传输技术，电能传输再也不用克服大量的损耗问题，电能的远距离传输成为了可能，因而火力发电不再是唯一可用的发电技术，人类从此可以告别那种每隔两英里就要安装一个发电机的昂贵电力… …
爱迪生不愿意接受这个事实，他已经是当时最伟大的发明家并且在众多领域都获得了成功和声誉，而直流电传输是他的公司的最重要的生意，为了他的生意，他会毫不留情的践踏前进路上的一切阻碍，于是对特斯拉的排挤，打压，限制就不可避免。这时候Westinghouse和他的公司加入了这场战争，
westinghouse 出生于富豪之家并且热衷于新技术和发明。除了对新技术的前瞻性，他和他的公司具有孤僻的特斯拉所不具备的实现和推广能力。而爱迪生则强调交流电的安全性问题，爱迪生公司大肆宣传交流电的危险性并且反复的利用猫狗来做实验,甚至爱迪生利用自己的社会影响力，利用交流电处死死刑犯(身边用的电能可能随时随地变成电椅，黑皮现在想着都发毛)，接着就是铺天盖地的舆论攻势，立法攻势… …整个过程可以用丑陋来形容，黑皮也不想赘述，但黑皮的观点是，作为一个科学家或者工程师，如果把竞争的重点不放在技术改良和放在批评或强调对方的弱点时，至少在技术上已经输了。无可否认交流电确实比直流电危险，黑皮在剑桥听安全讲座时，有一个哥们做过这样的试验，先给自己的手臂通过少量直流电，手臂几乎没有什么方应，然后缓慢提高频率，当提高到5Hz，足有了手臂肌肉已经有了缓慢的抽搐，当电流频率提高到50Hz的时候，肌肉的抽搐速度很快，据那哥们说，他已经失去对于那条手臂的控制。他的解释是，大脑控制肌肉会产生肌电流，而交流电会和肌电流信号重叠，是肌肉组织获得不了正确的大脑指令，所以交流电会使人迅速丧失行动能力。但是，交流电的安全性可以通过机械开关，防护设计，继电器等种种技术弥补，而直流电的损耗问题确是与生俱来，无可改观… …Westinghouse和特斯拉各自用着自己的方式反击来自直流电的批评，Westinghouse在报纸上对于批评一一反击，而特斯拉的方式很特殊 —-坐在其交流电实验室的电弧旁看书… …
毫无疑问的，交流电获得了胜利，westinghouse因为特斯拉的贡献，决定在公司每卖出一马力.时电能时，给特斯拉2.5美元的专利费。但是特斯拉说了“不”字，就像他当初对爱迪生的直流电说“不”字一样，一样的固执，一样的不计后果，一样的为了他心中的理想——廉价电能!也许他以后为了当时的决定后悔，在特斯拉发现了谐振原理后，曾经想要建立一个大的无线电站，想要建立一个全球免费的无线电台…可是，也许“廉价”，“免费”这些东西不为当时的权贵所喜欢，也许技术永远都敌不过政治，特斯拉的无线电专利被法院注销，特斯拉本人更是被视作异端，当马可尼抢先注册了商用电报的专利以后，特斯拉的免费电台计划一败涂地，血本无归。也许那时，他会后悔当时没有接受那笔源源不断地专利费，也许有了那笔钱他的计划可以支撑的更久一点，不过黑皮更加希望特斯拉一如既往的固执的摇摇他的大脑袋，决不后悔。
1931年，爱迪生逝世，为了悼念他，全美国熄灯一分钟，甚至连自由女神手上的火炬也不例外。
1943年，特斯拉孤独地死在一家旅馆里，身边只有几只他抱来喂养的生病的鸽子。
。。。。虽然，特斯拉赢了电流之战。
特斯拉，希望你不后悔。。。。
作者：黑皮@西西河 | 最初发表时间：2007-12-20 |  | 永远不要嫌弃你的父母行动迟缓，因为你永远想象不出你小的时候他们是如何耐心地教你走路；
永远不要嫌弃你的父母学不会电脑，因为你永远不会知道在你小的时候他们是如何不厌其烦地教你认字； |
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