第二讲 斯泰因梅茨:20世纪20年代构想IT用电机

Nidec Technical Adviser
见城尚志

在马达的发展史中,曾出现过几种不可思议的马达。在很多方面都让人觉得无法想象。
磁滞马达就是其中之一,是一种用于磁带录音机上的非常好用的马达。
磁带录音机在将信息记录、保存、读出到磁性介质(较长的磁带),可以称之为技术史上的重要装置。以固定速度移动磁带,对于模拟信号来讲是一种非常重要的技术。以简单的构造实现这种功能的正是磁滞马达。
也是上一集中提到的旋转磁场型交流马达,这种马达以与交流电源频率成固定比率的速度旋转,也称同步马达。


图1 六十年代高级磁带录音机中的马达使用方法

将中型及大型的传统同步马达从静止状态下启动需要辅助装置,但磁滞马达并不需要这些辅助装置。只需在线圈中接入交流电流,就能够顺畅地启动/加速,达到同步速度。
这种不可思议的技巧在于上一集中图4照片中可以看到的环形磁铁材料中。由于这种材料的特质,能够顺畅启动/加速,达到同步速度,即使负载变动较大,也能保持固定速度,这正是磁滞马达的独特之处。

图1描述了六十年代高级磁带录音机中磁滞马达的使用方法。在日本,每秒转数,如果是2极线圈,则为50或60转。即,在关东/东北/北海道为50转,而是静冈县的富士川以西则为60转。
这种速度过快,因此,经常制造4极线圈的马达,这种情况下为25或30转。此外还常用8极线圈,则每秒为12.5或15转。




是谁发现了磁滞马达的原理呢?

是谁发现了磁滞马达的原理呢? 我觉得斯坦梅茨比较准确。
像此次历史专栏中记载的那样,斯坦梅茨受到俾斯麦政权的监视,逃亡到了瑞士,在ETH(联邦科技大学)完成大学学业,之后为了藏身而来到了美国,并在此大展身手。我认为,他的思路源自输电变压器产生的磁滞损耗理论,发现磁滞不仅仅会损耗,如果用于交流马达的话,会产生扭矩。

图2 对转子主要材料的磁特性按用途进行分类使用

所谓磁滞,是指B-H特性的时间关系绘制出图2(b)所示的环形。如图(a)所示,将B-H特性为沿通过原点的曲线或直线进行变化的磁钢称为软磁材料。
如(b)所示,当前的B-H状态会因过去的状态而异的是硬磁材料。永久磁铁为硬磁材料。
这里需要提及的是,1881年发现磁滞现象并造出hysteresis单词的人是当时滞留日本的James Ewing(1855-1935)。这一理论对英国的磁研究影响非常大,在剑桥,强磁性体的电磁学理论发展迅猛。承担此项任务的其中一个人就是Livens。

在他1918年的著作中提及Theory of Electricity[1],但其中没有前后联系,与磁滞马达所依据的电磁力理论同时出现的还有静电马达的理论公式。以上都使用了矢量计算公式,但仍有一些解释不够的地方。
磁滞马达在美国首次制作成功可能是斯坦梅茨逝世(1923年)10年以后的事了。
B.R.Teare在1937年向Yale大学提交的学位论文中详细记载了电气力学上适用虚位移原理开展扭矩理论,以及与制作相关的数据。

此时,距永守重信创建日本电产(尼得科)只有7年(1966年),在TEAC 株式会社开始研究信息设备用马达设计之时,看到Teare的这篇论文还是非常惊讶的。
或许这都是天性所决定的吧!!
Teare研究其它理论,并将与磁滞马达的扭矩发生相关的论文寄给AIEE(美国电气学会,现在的IEEE前身)的论文杂志是1940年的事[2]

战后为人熟知的日本磁带录音机开拓者

在美国制造出磁滞马达之时,世界物理学到底处于一种什么水平呢?
在欧洲,量子力学获得巨大发展。1929年来日本的海森堡和迪拉克给日本年轻的物理学者们以很大刺激。

当时在大阪大学注册学籍的汤川秀树在1935年发表了主张存在介子的理论。这成为专业人士之间的话题,1939年,他受邀请参加索布赖(音)会议,前往比利时。
但由于希特勒进攻荷兰,会议被迫中止。对此的详细记载,请阅读参考资料[3]

在物理学打开了基本粒子论大门时,美国已制造出了信息设备用的重要马达,但日本的技术人员好像没有一个人知道这些信息。这太不可思议了。
与三十年代日本物理学已经非常先进的事实相比,在磁应用技术方面,虽然已从英国招聘老师,但在理论学习方面已严重落伍。

日本的技术人员知道磁滞马达的时间,是在1945年第二次世界大战结束后美国制造的磁带录音机进入日本的时候。
由于日本拥有磁记录的交流偏压法专利,因此,如果能够自己制作磁滞马达,则双方结合起来就会成为强大的技术。其中转子使用的磁钢的研发成为必须解决的课题。
即使在汤川秀树获得诺贝尔奖的1949年也没能制造出可以使用的磁滞马达。价格便宜,没有偏差,具有优异特性的磁钢直到六十年代才由东北金属的矢崎卓制作出来。
笔者我也得到了矢崎先生的极大帮助。他在多个方面都拥有杰出的才能,现在仍活跃在俳句的世界中。

技术的完成和局限,以及无刷马达的出现

举一个磁滞马达领域笔者一个小小的贡献,即线圈设计理论的实用方法。
在日本,交流频率分为50Hz地区和60Hz地区,马达的转速不同,因此,作为机械手段,利用主动轴的外径设定磁带的周速,比如,选择4极线圈的话,则毎秒9.5cm,如果选择8极线圈,则变成4.75 cm。
但,利用单相交流制造二相交流所需的电容器的合理静电容量受频率的影响很大,因此,在60Hz地区,如果是3μF,则在50Hz 地区会设成4μF。
我设计的就是在此条件下决定能够将4极线圈和8极线圈正确收纳到规定空间的2组线圈规格的方法。这就是先进行基础测量,再根据测量数据使用计算尺描绘线图。在现在可使用计算机轻松完成,但在当时,笔者的方法非常方便。

图3 初始的无刷马达。
转子使用铝镍钴磁铁,定子上呈分布式配置线圈,为了检测转子位置,使用了霍尔元件。为了利用直流创建二相交流,使用了4个双极型晶体管。
马达构造与磁滞马达几乎相同。

在日本电产(尼得科)创业之时,这种设计方法是非常重要的技术。
创造该理论的时间是1964年东京奥运会召开之时,但发表时间是1968年,登载在德国的学术杂志Technische Zeitschrift Aufgabe上。
当时小型精密马达领域的技术大多通过德文文献学习,因此,取得了一定的效果。
磁滞马达在日本许多小型马达生产厂能够制作了,但不久,这种马达就开始被无刷马达所替代。
零部件个数增多,但小型、可进行精密速度控制的技术已经很发达了。这样,50Hz和60Hz这种繁杂的问题得以彻底解决。

技术的发展多伴有连续性,从磁滞马达到无刷马达的转变也是如此。图3中的照片是70年代日本电产(尼得科)制造的无刷马达。
马达构造与磁滞马达几乎相同。不同之处有以下3点。

  1. 1)材料:在转子的环形材料中加入了钴,增大了保磁力,制成真正的永久磁铁。这样,相同尺寸可以有更大的输出。相同输出的话,可以实现小型化。
  2. 2)采用变频器:将直流转换为所需频率和电压的交流电是通过变频器实现的,因此电子元件可以使用双极型晶体管。
  3. 3)使用位置传感器:变频器中使用的4个晶体管的控制信号需在检测转子旋转角(位置)的同时发生。图3的实例中,可利用转子的4个磁极和3个霍尔元件进行将1次旋转进行12分割的检测。

从声音的记录播放到图像的记录播放

在使用磁带记录、播放的模拟信息从声音向图像转变时,磁滞马达显现出它的局限性。
与此同时,磁记录也变成数字式,媒介变成硬盘。进行驱动的马达是使用永久磁铁的无刷马达。

磁滞与现代技术之间的联系

斯坦梅茨的研究对象是磁滞对晶体管及大型发电机等的影响。这在今天仍是未完全解决的重要问题。
磁滞在产生热(即,将发电获得的电力转换成了无用的热)的同时,产生的扭矩是有益的。通过旋转磁场型马达的基本模型可以很清楚地了解损耗与扭矩的关系,但作为节能效果引人注目的SR马达(switched reluctance motor),在这些理论上仍然并不完美。因此,利用市场上的设计软件仍无法进行准确的损耗计算和扭矩计算。

为了进行优秀马达的开发和设计,离不开具有从较深基础研究获得的知识和原材料特性及实测数据的累积。这里面仍蕴藏着电磁力学深奥的探究课题。
在笔者最近的著作『SR马达』[4]中,用了大量的篇幅讨论了这方面的一些思考。

斯坦梅茨
(Charles P. Steinmetz 1865-1923)

父亲是南德弗罗茨瓦夫(Breslau)的铁路石版技师。1883年,为了发挥他在数学方面的才能,父亲将Karl(英文名为Charles)送到了弗罗茨瓦夫大学。他在这里学习了多方面的知识。在1888年即将毕业之前,因写了批判俾斯麦政府的言论而被检举。在得知危险后,他经维也纳逃到了瑞士,在现在的联邦科技大学 (ETH)学习数学和机械工学,并取得了毕业证书。

1889年决定与朋友一起开辟新天地。终于抵达美国时,据说由于当时身无分文,不懂英语,以及遗传带来的身体特征等,登上美国大陆颇费周折。
在纽约找到了一份制图的工作,同时开始研究磁滞。在英语问题得到解决后,他加入了电气学会。通过与磁滞相关的正确计算,他设计出没有过热现象的马达,由此展现出他在数学方面的出众实力,他在学会中一举成名(当时27岁)。
1893年,他工作的工厂成为GE(通用)下属的公司,开始在爱迪生的手下工作。高压交流输电技术在美国获得快速发展得益于斯坦梅茨的智慧。他的计算力出类拔萃,没有错误,因此,在担任GE要职期间被称为Supreme Court(最高裁判)。

图4 20世纪上半叶最大的理论物理学者爱因斯坦(左)和19世纪下半叶最大的电气工程学者斯坦梅茨(右):两人均出于在德国,后移居瑞士,在苏黎士现今的联邦工科大学(ETH)学习。

他的使用复数的交流电路理论几乎与爱迪生的实验助手肯内利(Arthur E. Kennelly 1861-1939)同时于1893年发表。
该理论是电气工程的重要工具。之前讲到的磁滞马达的线圈设计方法也适用斯坦梅茨的交流电路理论。笔者(见城)著作中,[5]对基于复数的计算方法进行了解说。

笔者也曾访问过ETH。 令人惊叹的是它的马达测量实习场非常大,也非常漂亮整齐。
对制造业来讲非常重要的是,有高效培养从事马达维持管理的实务技术人员的车间(场所)。
大学是素质教育(职业训练),而这里却培养出斯坦梅茨和爱因斯坦令人惊叹的创新才能,真是不可思议。



  1. [1] G.H.Livens: The theory of electricity, Cambridge University Press, 1918
  2. [2] B.R.Teare, Jr: Theory of hysteresis-motor torque, Trans. AIEE 59, p.907 (1940)
  3. [3] http://gihyo.jp/science/serial/01/pythagoras/0014
    见城・佐野著『通过毕达哥拉斯定理来理解相对论』(评述评论社)
    阅读辅导、第14回:从相对论到量子力学的开展,以及日本的时代
  4. [4] 见城尚志:SR马达,日刊工业新闻社
  5. [5] 见城尚志:电气工程入门讨论,电波新闻社

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