马达的奥妙与更大可能性的探究

第一讲 尼古拉・特斯拉:受落日夕阳的启发、发明交流电机

Nidec Technical Adviser
见城尚志

在笔者的早期著作中,一部题为«马达ABC»(讲谈社)的著作几乎已成为绝版。在该书的前言中作者描述了自己在玛丽皇后号油轮的二等舱开始写这本书的一些感受。这艘81000吨级、可搭乘2000人的豪华客船从南安普敦开往纽约,首航时间是1936年。此外,书中还记载了在英国首相邱吉尔曾用过的头等套房与某学会举办人畅谈的事。二等船舱也比较宽敞,房间很舒适。

这是1987年的事,已经过去25年了,玛丽皇后号也已退役,成为长滩港的一家旅馆。在讲谈社BLUE BACKS的编辑会议上,记得当时大部分人都对马达书籍,尤其是小型马达书籍能够畅销持有否定的态度。但结果该书印刷了20版,卖出了近6万册。现在,日本的小型马达技术也已有了长足发展。
继『马达ABC』之后,笔者又编写了从A 到 Z系列的『全面了解小型马达』(技术评论社)。最初于2001年出版。
笔者曾撰写了多部分析马达特定问题的学术论文,但人们所熟知的还是专业书及上述的启蒙读本。编写这些著作时,经常会考虑马达的发展历史,当然这也是很费时间的一件事。
讲述历史时,普遍的做法是描述什么原理的马达是在哪里制作的,这一类自成一体的外围故事。但笔者却喜欢从稍微不同的观点去解读历史。首先可以讲的是如果发明了新马达,则说明该国的工业和科学已取得了进展。

1765年英国的瓦特发明了蒸气机。它引发了工业革命,这是每个人都知道的事实。以此为契机,法国的卡诺(1824)及英国的开尔文(1851)发现了热力学的重要法则。使用煤作为能源,横跨大西洋的豪华客轮的出现也是热力学的成果。
(利用电气的马达始于1831年法拉第在伦敦发现电磁感应之后不久,对此我还想详细介绍。)

纵观近年来的情况,上世纪八十年代日本有3件事值得大书特书。一是指田年生(Toshiiku Sashida)先生发明的行波型超声波马达。
二是磁记录方式的硬盘得以发展,使得旋转磁盘的马达和操作激光头的马达技术在日本获得了发展。
三是马达控制方法中的矢量控制,提出这一原理的是位年轻的德国人,但依靠工业界的协作将其产业化的是日本企业。

物体运动体现了人类活动、经济活动的活跃情况。研究并提升这种技术是工业界的职责。1987年我在编写“马达ABC”时,对当时大学在马达等实用科技领域方面的教育落后颇感无奈。但今天的想法已有不同。我认为大学应针对学生今后人生中比较难以学到的数学、物理、化学等基础知识,训练学生进行更深入的思考。但在过去的30年间,日本大学的教学时间变短,讲义质量也在下降。因此,对于志向高远的年轻人来讲,努力克服这种环境中的负面因素是非常重要的。进入企业后,用心不懈努力的态度至关重要。不仅要掌握接近实用的基础知识,也包括进一步深入的理论内容。如此就能通过在大学阶段培养的思维方式将所学知识转化为创造性的成果。

尼古拉・特斯拉的过人之处

前几天,在上班途中的电车上与日本电产(尼得科)从创业之时就开始负责经营活动的服部(Hattori)执行董事进行了交谈。他认为在马达的开发历史中最优秀的发明家应该是特斯拉。真的是这样。

借此机会我想简单谈一谈特斯拉的事情。
我阅读的特斯拉自传还是原东大教授山村昌(Sakae Yamamura)先生寄给学士会会报的稿子。山村先生被称为代表日本的马达先生。先生的著作由英国出版社出版时,他曾邀请几位友人举办了一场日本料理的宴会。当时,先生对我说“见城,我可不像你那样写什么教科书”。
先生的书是面向专业人士的,因此与特斯拉的旋转磁场理论相关,并不好懂,但其中的特斯拉传却非常有趣。从特斯拉自传的字里行间,能感受到一种成为发明家的狂妄和紧迫感。专栏是大幅缩写后的特斯拉自传。
据说特斯拉曾暗记过很多书。比较有意思的是,特斯拉在布达佩斯的公园散步时,正在吟唱歌德的浮士德,突然像天示那样得到了感应马达的想法。这种情景不难想像。

由格拉姆式马达而产生的设想

図1 用环形电枢的格拉姆式马达

特斯拉在格拉茨的学校看到的发电机或者说马达的构造如图1所示。定子是马蹄形的电磁铁,转子是圆环形。马达转动时,电流通过电刷流向转子。电机转动时,圆环形转子的线圈与电刷接触从而产生耀眼的火花。这种机械式的电流切换器始终伴随着火花的产生。当时,最权威的科学家曾考虑过要发明没有机械接触的直流马达。可是,这种想法被认为是永久不能实现的。即使是现在也有很多发明家非常执着的在考虑这个事情。

特斯拉当初想到的是利用交流电。但这不是一个易事。特斯拉在布达佩斯时脑海里闪过的电磁铁和转子的构造如图2所示。用来产生旋转力的必要装置叫做磁场,直流马达只存在一个磁场。但是,在图2 中,横向磁场以外,还存在纵向的一个磁场。另外,图3 中,横向电流呈余弦变化,纵向电流为正弦变化的电流。于是,穿过圆柱形转子的磁场就变为旋转磁场。转子中的磁场像夕阳重叠的景象在笔者的脑海里微波荡漾。

図2 特斯拉设想的二相交流电机的原理

这就是不用转动电磁铁,却可以得到旋转磁场的原理。当移动磁铁时,铜等金属受磁铁的作用力而移动,如果在转子上缠上线圈,根据法拉第原理转子线圈会产生电流等现象在当时已经众所周知。因此,特斯拉认为如果可以产生旋转磁场,那么就可以发明新的马达。
这个发明的实施是在特斯拉去美国以后。没过多久,更深层次的研究便在世界各地开始,可以想像从那时起,人们开始制造出如图4 所看到的分布绕法的定子和鼠笼型转子。

図3 在2组相互垂直的电磁铁A,B的线圈中分别通入cos和sin交流电,马达的中央区域便产生旋转磁场。如果在此放置导体或短路线圈,导体或短路线圈就会因电磁感应而转动。
図4 这是典型的小型3相交流线圈(分布绕线)的定子和鼠笼型转子。现在绕线一般由机器完成,像图中绕线一端如此短的情况是非常少见的。

挑战新的设想

我在布达佩斯短期旅游过,曾造访作曲家李斯特住过的公寓,当时曾怀疑,那个让特斯拉像鲇鱼一样被噪音困扰的公寓,那个他在多瑙河边散步的公园,那个他获得神赐的地方,就是在这里吗?我即使身处在这么神奇的地方,也觉得自己还是一个凡人罢了。

在大学三年级的讲义中,我曾学习过在2组线圈上通交流电后会产生旋转磁场,从而实现马达旋转的原理。当时心里就佩服想出这个原理的人。但是,这个原理虽简单易懂地写在教科书上,却是在特斯拉的发明之后。山村老师说的「我不写教科书」的真意是否与此有关呢?
短时间内去理解别人所考虑的事情和忍受痛苦去发明的不同之处或许不是一件容易体会的事情。

图2 的设想是笔者在布达佩斯的旅行之后。为了写关于直流马达的书,笔者不仅查阅以前的资料,而且进行大量的试制和实验,同时还与专家讨论,这些准备工作花费了近5年的时间。而且,3年后,开始制作面向有志成为专家的初学者的研修资料(教材中无记载),从直流马达和交流马达构造角度考虑,最终认定了特斯拉的设想。最初阅读特斯拉的自传时,由于读的快而忽略了考察。最近,重新翻出这本书[1],仔细确认每一张图,确认特斯拉在布达佩斯得到的构造就是图2 。日本现在最急需的人才,并不是成绩优异的学者,而是保持年轻人心态,不断发掘新事物,进行发明创造的人才。

  1. [1] My Inventions: The Autobiography of Nikola Tesla, http://www.teslasautobiography.com/

环形电枢向鼓形电枢的转换

现在,直流马达电枢的形状如图所示,一般为鼓形。当初由Siemens and Halske公司的Hefner-Alteneck发明, 直到1876年鼓形电枢被广泛应用。鼓形电枢的发明,大大的简化了绕线作业的过程,同时,也提高了电能和机械能的转换效率。而且,也有效的抑制了火花的发生。

鼓形电枢模型
槽内卷线式的典型电枢
尼古拉·特斯拉
(Nikola Tesla 1856-1943)

尼古拉•特斯拉于1856年出生于克罗地亚,父亲是一名神职人员,母亲是一名发明家。或许因为他的母亲以及外祖父都是发明家,特斯拉10岁进入实科中学学习理科时,对使用静电的锡箔旋转实验很着迷,自己决定成为一名电气技术人员,而不是父亲希望的神职人员。
特斯拉天生非常敏感,长期受到神经衰弱的困扰,一度在死亡线上挣扎。后来他在图书馆中看到了马克吐温的著作,这本书最终帮他克服了心理上的问题。

特斯拉进入澳大利亚的格拉茨科技大学。二年级时,看到从巴黎送来的格拉姆的直流马达发生故障导致在整流子与电刷之间发出强烈的火花。他确信能够发明出不产生火花的马达之后一直思考这个问题。他中途从波希米亚的布拉格大学退学,没有完成人文专业的学习,前往布达佩斯后就职于匈牙利国家电信局。他的感觉非常敏锐,就像鲇鱼一样,微弱的振动也会让他感觉很剧烈,这让他在精神上非常痛苦。在康复后的1881年的一天下午,他在公园散步时受到夕阳的感动而吟唱了浮士德的诗歌,如同得到天示那样,在头脑中浮现出了使用二相交流的旋转磁场马达。其原理见图2。

之后,他在爱迪生的相关公司工作,住在了巴黎。1883年他在斯特拉斯堡的工厂通过试制马达确认了交流马达的原理。1884年为了改进爱迪生发明的发电机,他来到了美国。与没有进过学校,将所有时间都用于发明的爱迪生不同的是,斯特拉在欧洲各地的图书馆里博览群书,并学习了多种语言。但是对于为了学习马达文献而耽误了马达试验时间的事,他有点后悔。

不久,由于想法的不同,他不仅与爱迪生决裂,而且决定与其展开竞争。与爱迪生的直流送电主义不同,特斯拉从理论上认识到交流的优势,变压器此时也已出现。
特斯拉制作出具备实用性的感应马达的时间恰是西屋公司的交流输电业务刚刚开始之时(可能是1887年)。在1893年芝加哥的世界博览会上向人们展示了大型马达。
西屋公司在研发阶段使用133Hz的交流电,但由于马达速度过快,而降到了60Hz。这也是今天美国和日本西部使用60Hz的起源。

在发明进展顺利时,特斯拉经常造访文豪马克吐温。在特斯拉谈到少年时代被马克吐温的作品所拯救的事时,一直微笑的马克吐温突然大哭起来。(未完待续)

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