第十八章开创电力时代
发电机的发明
发电机发明和投入使用后，电力工业兴起，人类结束了以发明蒸汽机引起的工业革命时代，
而进入了电气时代。社会生产生活各方面发生了翻天覆地的大变化，处处闪耀着电力的火花
。
百折不挠揭开谜底
1820年丹麦科学家奥斯特发现了电流的磁效应，第一次揭示了电与磁之间的密切关系。这是
物理学发展史上的一件大事。
奥斯特的发现立刻引起了整个物理学界的轰动，人们一直以为毫不相干的两个现象——电流
与磁，竟有这样奇妙的关系。这个发现成了近代电磁学的突破口，许多科学家纷纷转向电磁
研究。
法拉第也全力投入电磁学这门崭新学科的研究
。他从大量的实验中发现，任何事物都有两面性，既然电流可以产生磁性，因此他就设想为
什么磁就不能产生电流呢?1821年秋，法拉第在他的日记里写下了一个伟大的设想：
“磁可以产生电!”
法拉第开始了新的实验。他用铜线在几米长的木棍上绕了一个线圈，铜线外面缠着布以便绝
缘(当时还没有漆包线)，然后在第一层线圈外面再用同样的方法绕上第二层、第三层……
一共绕了12层，每层之间均相互绝缘，然后他把第1、3、5……奇数层串联起来，又把第2、
4、6
……偶数层串联起来，这样就组成了两个紧密耦合而又相互绝缘的组合线圈。他把其中一组
线圈接到开关和电池上，另一组线圈接到电流计上。
一切准备就绪后，法拉第开始实验。他心情很激动，希望在初级线圈接通电流后，次级线圈
就能感应出电流来——电流计指针会偏转。可是事与愿违，法拉第在接通初级线圈的电源后
，注意观察电流表，但指针却毫无动静。
一次次的试验，一次次的失败，一次次的重来。时光如水，一个月一个月地流逝，
转眼10年过去了，1831年法拉第的电学实验进入了最关键的阶段，可以说是，这是他一生中
最难忘的一年。这时，法拉第已经把电池增加到120个，这意味着初级线圈的电流比开始增
加了120倍。
法拉第全神贯注地操作着，他小心翼翼地合上电闸，强大的电流通过线圈，不一会儿导线已
发热了。法拉第回过头去看次级线圈的电流计，但指针仍然毫无动静。但这一次
在检查电流计时，法拉第
无意中注意到：他每次实验都是先接通电源，再转过头去观察电流计的。
问题会不会就出在这里呢?
他马上又重新布置实验，这次法拉第特意把电流计摆在电源开关旁边，以便接通电源时，同
时可监视指针。然后，他目不转睛地盯着电流计，然后用手合上电源开关，就在线路接通的
一刹那，电流计指针跳动了一下!这是极短暂的一瞬，稍不留意就忽视了。法拉第过去的多
次实验都忽略了这个细节，这次终于捉住了这稍纵即逝的“一刹那”。
这一极短暂的跳动，意味着一个新的伟大发现的诞生!法拉第欣喜万分，不由得叫喊起来。
他又重复了几次，每次都是同样的结果，因此，他判定这决不是偶然的现象，而是一个新的
规律。
法拉第又改进了实验仪器，用软铁环代替木棍作线圈的芯子，结果效果更好。在断开或接通
初级线圈电流的一瞬间，次级线圈连接的电流计上指针摆动得更厉害。后来他又用磁铁代替
初级线圈，让磁铁穿过次级线圈环，电流计的指针也会随着磁铁的运动而摆动。
就这样电磁之谜终于被揭开了：运动的磁能产生电流!法拉第的成功发现，奠定了近代电磁
学的基础。
乘胜追击树立丰碑
取得了巨大成功之后，法拉第并没有就此停顿下来，他进一步考虑如何能将这一发现付之实
用，为此他考虑如何制造出一个应用磁铁产生电流的装置。于是他找来了一个U字型(亦称马
蹄型)的磁铁，在南北极之间插入一块能旋转的铜板圆盘，铜板中轴连接一根导线，铜板盘
的边缘与另一极导线保持接触，两根导线之间再用电流计相连。一切安排妥当后，法拉第就
开始了新的实验。
他飞快地转动摇柄，铜圆盘在两个磁极之间不停地旋转起来，电流计指针就开始摆动。只要
铜圆盘不停地转动，电流计指针就继续保持在偏转的位置；铜盘转动得越快，电流计指针偏
转得越厉害。
这样一来，法拉第真的实现了“从磁铁中取出电流”的理想。试制的装置成为最原始的发电
机雏形。
日后，以电磁感应原理制造成的发电机所提供的电力，是以往化学反应原理制成的伏打电堆
产生的电流所无法比拟的，意义非常重大，开创了人类利用电力的新时代。
1832年，根据法拉第的发现，法国的皮克西创制成世界第一台手摇永磁式交流发电机，并在
巴黎展出。第二年，皮克西在这台发电机上加装了一个换向器，把摆动多变的交流电变为直
流电。1856年，英国人霍姆斯用多极永久磁铁制造成一台商用直流发电机，被一家灯具厂购
用。这台发电机用蒸汽驱动，电功率约15千瓦。1863年，英国人怀尔德取得自激式直流发
电机的专利。这种发电机首先应用于电镀工业。1866年4月，他在向英国皇家学会递交了一
题为《新的大功率发电机》论文中提到：“他已发现一个无限小的电流或磁力，能够产生一
个无限大的电流。”但他当时并不明白磁极中有剩磁的原理。同年12月，英国人瓦利终于发
现“自激”的秘密。他在自激式直流发电机的专利申请书中提到：“自激磁场依赖于原来磁
的剩磁，这说明原来磁极中存在着剩磁，由它产生的磁场，可以在发电机的转子电枢中感应
出电势，这个电势又可给激磁线圈供应激磁电流。”因此这种发电机定名为“自激式”。
1867年，德国的西门子利用电磁铁代替永久磁铁，并利用发电机本身产生的小部分电力向电
磁铁提供能量，制造成实用的自激式直流发电机，它是现代形式发电机的鼻祖，因此有人称
西门子发电机在技术史上的地位，相当于瓦特的蒸汽机，具有划时代的伟大意义。
1876年，俄国人亚布洛契可夫提出制造多相交流发电机的设想。并于第二年研制成供给他
发明的“电烛”(电弧灯)电源的交流发电机。意大利法拉里也独立地发现旋转磁场现象。18
85年，法拉里考虑到不同相位的光可以产生干涉现象，因而联想到不同相位的电流磁场相互
作用，可以产生旋转磁场。他是在都灵实验室利用交流电产生旋转磁场的。旋转磁场是交流
电机气隙中的磁场，是电能和机械能之间互相转换的基本条件。它因其沿电机的定子、转子
铁心圆柱面不断旋转而得名。旋转磁场原理的建立，是交流电机发展史上有决定意义的一步
，为交流电机的发展奠定了基础。
飞速发展今非昔比
现代发电厂中最常用的发电机是三相交流同步发电机。这种发电机的转子旋转速度与联接的
电力网保持同步，既能提供有功功率，又能提供无功功率(电力用户中各种交流电动机既消
耗有功功率，也吸收无功功率，它是根据“导线切割磁力线而产生感应电势”的基本发电原
理而运转的。因此发电机供应有功功率的同时需要供应无功功率，如果无功功率不足时，电
力系统电压就将下降)，可以满足用电负荷的需要。
根据所采用原动机的不同，同步发电机可以分为汽轮发电机和水轮发电机两大类。汽轮发电
机的原动机是汽轮机，一般是卧式的。同步发电机按冷却介质和冷却方式不同，又可分为空
气冷却(空冷)、氢气冷却和水冷却三种。不同类型、不同冷却方式的三相同步发电机结构形
式尽管各式各样，但基本上不外乎转子和定子两部分，分别绕有导线制成的线圈。发电机的
转子由整块的优质合金钢制成，具有良好的导磁性，其上开有齿槽，放置带有绝缘的铜线绕
制成的转子线圈。定子由铁芯、线圈及外壳等组成，铁芯由互相绝缘的硅钢片叠压而成，其
内圆开有齿槽、安放定子线圈。转子线圈内通以直流电，产生磁场，形成一对南北磁极。定
子线圈分成三组(即三相)，沿圆周相隔120°布置。当转子旋转时，磁场随着旋转，每转一
圈，磁力线顺次切割定子每相线圈，产生电压。当北极磁场经过线圈时产生正电压；当南极
磁场经过线圈时产生负电压。转子每转一圈，定子每相线圈电压方向就变化一次。这样的变
化每秒50次，在三相线圈中即产生频率为50赫的三相交流电。
随着电力工业的发展和电力系统规模不断增大，要求发电机的单机容量也不断增大，因此发
电机定子、转子线圈所通过的电流引起的损耗和铁芯中磁场变化产生的损耗(称铁损)亦越来
越大，促使电机发热。所以当电机容量增大后，冷却介质、冷却方式和电机材料必须不断发
展。
发电机制造技术的发展，就是上述三者的发展，其中改进冷却方式更是增大发电机容量的关
键。在发电机多种冷却介质中，空气冷却的主要优点是价廉、简易、安全，但效能差，摩擦
损耗大。氢气冷却与空气冷却相比较，重量轻、导热性能好，可提高效率，但易爆炸和增加
复杂的氢气系统。水具有很高的导热性能，它的相对导热能力比空气大125倍，效率高，但
存在容易漏水和增加一套水系统的缺点。在发电机制造技术发展中，首先被采用的冷却介质
是空气，随后逐步采用氢气和水。
在冷却方式方面从表面外冷发展到效果较好的内冷。最初制造的发电机采用空气表面冷却。
1937年，美国通用电气公司首次制造成氢气表面冷却发电机，最大单机容量可达150兆瓦。1
957年，美国阿里斯·查摩公司制造出世界第一台60兆瓦氢内冷发电机，用氢气直接与转子
、定子线圈的导体接触(双氢内冷)，最大单机容量可达350兆瓦。1956年，英国茂伟公司制
造成第一台30兆瓦定子线圈用水冷的发电机。1958年，中国上海电机厂创制成世界首台12兆
瓦定子、转子线圈都用水内冷(双水内冷)发电机。1966年，法国试制成一台100兆伏安水内
冷发电机。1971年，中国上海电机厂第一台300兆瓦双水内冷发电机问世。其后瑞典、瑞士
相继制造大容量双水内冷发电机，最大单机容量可达1300兆瓦。
由此可见，从空气表面冷却，到导体内部用氢或水直接冷却，每一次冷却技术的突破，都是
发电机发展史上的一个里程碑。随着冷却技术的发展，发电机的结构和制造工艺日趋复杂。
世界各国主要电机制造厂，有各自的制造经验和技术特长，于是出现了冷却方式的多样化，
同一单机容量等级的发电机往往有多种冷却方式，除了定子、转子线圈和定子铁芯全空冷、
全氢冷、全水冷外，还有分别以水氢氢、水水空、水水氢冷却。冷却介质空气均为表面冷却
；氢气多为内冷，也有表面冷却；水均为内冷。
发电机技术进步的又一重要标志是绝缘材料和导磁材料的改进，当前大容量高电压发电机的
主绝缘，由于化学合成技术的进步，长期沿用的天然热塑性沥青大片云母绝缘，已被淘汰，
而普遍采用热固性合成树脂粉云母新绝缘。
1949年，美国威斯汀豪斯电气公司首先应用的合成树脂是不饱和聚酯树脂；通用电气公司则
相继采用环氧树脂。此后各国发展的发电机新绝缘所使用的树脂，都归并到这两大类型中，
多年制造和运行经验表明，环氧树脂性能比聚酯树脂优越，原来采用聚酯树脂的电机制造厂
，也都在逐步改用环氧树脂。
硅钢片是发电机的主要导磁材料，用于定子的铁芯，约占发电机总重量的30%～35%。铁芯中
磁场变化产生的损耗(铁损)在整个发电机损耗中所占比重约15%～20%，铁损一直作为衡量硅
钢片技术经济的主要指标，需要降低铁损来提高发电机的效率。世界各国电机制造厂都在力
求降低硅钢片的铁损值，尤其是降低冷轧单取向硅钢片铁损。20世纪60年代厚035毫米冷
轧单取向硅钢片铁损一般为每千克06瓦以上(最低每千克051瓦)，到70年代已降低到每
千克04瓦以下(最低每千克036瓦)。冷轧单取向硅钢片的性能优于热轧硅钢片，同样尺
寸铁芯的75兆汽轮发电机，前者铁损比后者要少约50%。
20世纪70年代以来，同步发电机单机容量的增大已接近极限，需要在技术上有所突破，不少
世界著名电机制造厂在研制各类新型发电机，其中最有发展前途的是超导发电机和磁流体发
电机，它们使发电机的发展步入了一个新台阶。
