zgodnji elektromotorji
Faradayevi elektromagnetni poskusi, 1821 Prvi električni motorji so bili preproste elektrostatične naprave, ki sta jih opisala v poskusih škotskega meniha Andrewa Gordona in ameriškega eksperimentatorja Benjamina Franklina v 1740-ih. Teoretično načelo, ki stoji za njim, Coulombov zakon, je odkril Henry Cavendish leta 1771, vendar še ni bil objavljen. Zakon je leta 1785 neodvisno odkril Charles-Augustin de Coulomb, ki ga je objavil in je zdaj splošno znan in njegovo ime. [4] Elektrokemična celica [5], ki jo je izumil Alessandro Volta leta 1799, je omogočila ustvarjanje neprekinjenega toka. Po odkritju te interakcije med tokovi in magnetnimi polji, znane kot elektromagnetna interakcija Hansa Christianrsteda leta 1820, je bil kmalu dosežen velik napredek. André-Marie Ampère je potreboval le nekaj tednov, da je razvil prvo formulo za elektromagnetno interakcijo in predlagal Ampèrov zakon o sili, ki opisuje interakcijo električnega toka in magnetnega polja. mehanska sila. Leta 1821 je Michael Faraday prvič demonstriral učinke rotacijskega gibanja. Prosto visečo žico smo potopili v živosrebrno kopel, kjer je bil postavljen trajni magnet (PM). Ko tok teče skozi žico, se ta vrti okoli magneta, kar pomeni, da tok ustvarja tesno krožno magnetno polje okoli žice. [7] Takšni motorji so običajno prikazani v fizikalnih poskusih, pri čemer (strupeno) živo srebro nadomeščajo slano vodo. Barlowova kolesa so bila zgodnja izboljšava te Faradayeve demonstracije, čeprav ti in podobni homopolarni motorji niso bili primerni za praktično uporabo do konca stoletja.
"Elektromagnetni lastni rotor" Jedlika, 1827 (Muzej uporabne umetnosti, Budimpešta). Zgodovinski motorji še danes dobro delujejo.
James Joule prikazuje Kelvinu električni motor v muzeju Hunterian v Glasgowu leta 1842
Leta 1827 je madžarski fizik nyos Jedlik začel eksperimentirati z elektromagnetnimi tuljavami. Potem ko je Jedlik rešil tehnični problem neprekinjenega vrtenja z izumom komutatorja, je svojo zgodnjo napravo poimenoval "elektromagnetni lastni rotor". Čeprav so jih uporabljali samo za poučevanje, je leta 1828 Jedrick demonstriral prvo napravo, ki je vsebovala tri glavne komponente praktičnega enosmernega motorja: stator, rotor in komutator. Naprava ne uporablja trajnih magnetov, ker magnetna polja mirujočih in vrtečih se komponent ustvarjajo samo tok, ki teče skozi njihova navitja.
DC motor
Britanski znanstvenik William Sturgeon je leta 1832 izumil prvi komutatorski enosmerni motor, ki je lahko vrtel stroje. Po Sturgeonovem delu je ameriški izumitelj Thomas Davenport izdelal komutatorski enosmerni motor, ki ga je patentiral leta 1837. Motor deluje s 600 vrtljaji na minuto in napaja električno orodje in tiskarski stroj. Zaradi visokih stroškov primarnih baterij elektromotor ni bil komercialno uspešen in Davenport je šel v stečaj. Več izumiteljev je sledilo Sturgeonu pri razvoju enosmernih motorjev, vendar so vsi naleteli na isto težavo s stroški baterije. Ker v tistem času ni bilo na voljo sistema za distribucijo električne energije, ni bilo dejanskega komercialnega trga za te motorje.
Po mnogih drugih bolj ali manj uspešnih poskusih z relativno šibkimi vrtljivimi in izmeničnimi napravami je Prus Moritz von Jacobi maja 1834 ustvaril prvi pravi rotacijski električni motor. Proizvaja izjemno mehansko moč. Njegov motocikel je postavil svetovni rekord, ki ga je Jacobi izboljšal štiri leta pozneje, septembra 1838. Njegov drugi motocikl je bil dovolj močan, da je vozil 14-osebni čoln po široki reki. Tudi v letih 1839/40 je drugim razvijalcem uspelo izdelati motorje podobne, takrat višje zmogljivosti.
Leta 1855 je Jedlik zgradil napravo, ki je bila sposobna opravljati koristno delo z uporabo principov, podobnih tistim, ki jih uporablja njegovo elektromagnetno vrtljivo krilo. Istega leta je izdelal model električnega avtomobila.
Velika prelomnica se je zgodila leta 1864, ko je Antonio Pacinotti prvič opisal toroidno armaturo (čeprav je bila prvotno zasnovana kot generator DC (tj. generator)). Ta funkcija ima simetrično združene tuljave, ki so med seboj zaprte in povezane s palicami komutatorja, katerega ščetke zagotavljajo skoraj nenihajoč tok. Prvi komercialno uspešni enosmerni motorji so sledili razvoju Zénobeja Grammeja, ki je leta 1871 na novo izumil Pacinottijev dizajn in prevzel nekatere rešitve Wernerja Siemensa.
Prednosti enosmernega motorja izhajajo iz reverzibilnosti motorja, ki jo je Siemens napovedal leta 1867 in odkril s Pacinottijevimi opazovanji do leta 1869, ko je Graham to pomotoma dokazal na dunajski svetovni razstavi leta 1873, ko je postavil dva te naprave na enosmerni tok so znotraj 2 km druga od druge, pri čemer eno od njih uporabljajo kot generator, drugo pa kot električni motor.
Bobnasti rotor je leta 1872 uvedel Friedrich von Hefner-Alteneck iz Siemensa in Halskeja, da bi nadomestil Pacinottijevo obročasto armaturo in s tem povečal učinkovitost stroja. [6] Laminirane rotorje je naslednje leto predstavil Siemens & Halske, kar je povzročilo zmanjšane izgube železa in višje inducirane napetosti. Leta 1880 je Jonas Wenstrm opremil rotor z režami za namestitev navitij, kar je dodatno izboljšalo učinkovitost.
Leta 1886 je Frank Julian Sprague izumil prvi praktični enosmerni motor, napravo brez isker, ki je vzdrževala relativno konstantno hitrost pri spremenljivih obremenitvah. Približno v tem času so Spragueovi drugi električni izumi močno izboljšali zmogljivost distribucije električne energije v omrežju (delo, opravljeno pred službovanjem Thomasa Edisona), kar je omogočilo vrnitev električne energije iz električnih motorjev v omrežje prek nadzemnih žic in drogov za vozičke, ki napajajo vozičke in zagotavljajo krmilni sistem za električno delovanje. To je vodilo Spraguea, da je v letih 1887–88 v Richmondu v Virginiji izumil prvi električni sistem vozička z uporabo električnih motorjev, električno dvigalo in nadzorni sistem leta 1892 ter električno podzemno železnico z neodvisno napajanimi centralno nadzorovanimi avtomobili. Slednji je bil prvič nameščen v Chicagu leta 1892 ob južni stranski dvignjeni železnici, kjer je bil pogovorno znan kot "L". Spragueov električni motor in z njim povezani izumi so vzbudili zanimanje in našli široko uporabo v industrijskih elektromotorjih. Razvoj elektromotorjev s sprejemljivim izkoristkom je bil desetletja odložen zaradi neprepoznavanja kritičnega pomena zračne reže med rotorjem in statorjem. Učinkovite izvedbe imajo razmeroma majhne zračne reže. Iz istega razloga je avto St. Louis, ki so ga dolgo uporabljali v učilnicah za ponazoritev principov gibanja, izjemno neučinkovit in ni videti kot sodoben avto.
Električni motorji so revolucionirali industrijo. Industrijski procesi niso več omejeni s prenosom moči z uporabo gredi, jermenov, stisnjenega zraka ali hidravlike. Namesto tega je lahko vsak stroj opremljen z lastnim virom energije, ki ga je mogoče enostavno nadzorovati med uporabo in izboljšati učinkovitost prenosa moči. Električni motorji, ki se uporabljajo v kmetijstvu, odvzamejo mišično moč ljudi in živali pri opravilih, kot je ravnanje z žitom ali črpanje vode. Uporaba elektromotorjev v gospodinjstvu zmanjša težko delo v domu in omogoča višje standarde udobja, udobja in varnosti. Danes električni motorji porabijo več kot polovico električne energije, proizvedene v ZDA.
AC motor
Leta 1824 je francoski fizik Franois Arago predlagal obstoj rotacijskega magnetnega polja, znanega kot Aragova rotacija, z ročnim odpiranjem in zapiranjem stikala, kar je Walter Baily leta 1879 dokazal kot prvi primitivni indukcijski motor. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je veliko izumiteljev poskušalo razviti izvedljive motorje na izmenični tok [31], saj so bile prednosti motorjev na izmenični tok pri visokonapetostnem prenosu na velike razdalje izravnane z nezmožnostjo delovanja na motorjih na izmenični tok.
Leta 1885 je Galileo Ferraris izumil prvi indukcijski motor brez komutatorja na izmenični tok. Ferraris je izboljšal svoje prve zasnove s proizvodnjo naprednejših enot leta 1886. Leta 1888 je Kraljeva akademija znanosti v Torinu objavila Ferrarisovo podrobno študijo o osnovah za delovanje električnih motorjev, vendar je takrat zaključila, da "naprava, ki temelji na to načelo ne more imeti nobenega komercialnega pomena kot električni motor."
Možen industrijski razvoj je zasnoval Nikola Tesla, ki je izumil svoj samostojni indukcijski motor leta 1887 in ga patentiral maja 1888. Istega leta je Tesla predstavil svoj članek o AIEE novega sistema za AC motorje in transformatorje, kot je opisan v trije patenti dvofaznih tipov motorjev s štirimi statorji: eden s štiripolnim rotorjem, ki tvori reluktančni motor brez samega zagona, in drugi z navitim rotorjem, ki predstavlja samozagonski indukcijski motor, tretji tip pa je pravi sinhronski motor, ki zagotavlja vzbujanje enosmernega toka navitjem rotorja. Vendar pa je patent, ki ga je vložil Tesla leta 1887, opisal tudi indukcijski motor s kratkim stikom rotorja. George Westinghouse je pridobil pravice od Ferrarisa (1 $, 000) in takoj odkupil Tesline patente (60 $, 000, plus 2,50 $ na avtomobil s konjsko močjo, prodan do leta 1897, plačan leta 2010), [32] najel Teslo, da razvoj električnega motorja in naročil CF Scottu, da pomaga Tesli; vendar je Tesla leta 1889 odšel drugam. [Preveč navedb] Ugotovljeno je bilo, da indukcijski motor s konstantno hitrostjo AC ni primeren za tramvaje, [31] vendar so ga inženirji Westinghousea leta 1891 uspešno naknadno opremili za pogon rudarske operacije v Telluridu v Koloradu. [ 53][54][55] Westinghouse je leta 1892 izdelal svoj prvi praktični indukcijski motor in leta 1893 razvil družino polifaznih 60 Hz indukcijskih motorjev, vendar so bili ti zgodnji Westinghouseovi motorji zgrajeni z dvofaznim motorjem z navitimi rotorji. BG Lamme je kasneje razvil rotor z vrtljivo palico. [45]
Pri vztrajnem spodbujanju razvoja trifaznega motorja je Mihail Dolivo-Dobrovolski leta 1889 izumil trifazni indukcijski motor, ki je tako veveričji rotor kot navit rotor z začetnim varistorjem, leta 1890 pa je izumil trikraki transformator. Med AEG in Maschinenfabrik Oerlikon sta Doliwo-Dobrowolski in Charles Eugene Lancelot Brown razvila večje modele, veveričjo kletko z 20 KM in navit rotor s 100 KM z začetnim varistorjem. To so bili prvi trifazni asinhroni motorji, primerni za praktično delovanje. Winstrom razvija podobne trifazne stroje od leta 1889. Na mednarodni elektrotehnični razstavi v Frankfurtu leta 1891 je bil uspešno demonstriran prvi trifazni sistem na velike razdalje. Ocenjena je na 15 kV in se razteza 175 km od slapov Laufen na Neckarju. Elektrarna Lauffen je sestavljena iz alternatorja 240 kW 86 V 40 Hz in povečevalnega transformatorja, medtem ko na razstavi padajoči transformator poganja trifazni indukcijski motor s 100 KM, ki napaja umetni slap, ki predstavlja originalni prenos transformatorja. vir energije. ] Trifazna indukcija se zdaj uporablja v veliki večini komercialnih aplikacij. Vendar pa je trdil, da so Teslini elektromotorji nepraktični zaradi dvofaznih pulzacij, zaradi česar je vztrajal pri svojem trifaznem delu.
Leta 1891 je GE začel razvijati trifazni asinhroni motor [45] do leta 1896 sta GE in Westinghouse podpisala navzkrižno licenčno pogodbo za zasnovo rotorja s paličnim navitjem, pozneje znanega kot kletkasti rotor. Iz teh izumov in inovacij so izhajale izboljšave indukcijskega motorja, tako da ima indukcijski motor s 100-konjskimi močmi zdaj enake nameščene mere kot motor s 75-konjskimi močmi iz leta 1897.
komponente
Rotor motorja (levo) in stator (desno)
Rotor[uredi]
Glavni članek: Rotor (električni)
Pri elektromotorju je gibljivi del rotor, ki vrti gred za prenos mehanske moči. Rotor običajno vsebuje vodnike, ki prenašajo tokove, ki medsebojno delujejo z magnetnim poljem statorja, da ustvarijo silo, ki vrti gred. Druga možnost je, da nekateri rotorji nosijo trajne magnete, medtem ko statorji držijo prevodnike.
ležaj
Rotor je podprt z ležaji, ki omogočajo vrtenje rotorja okoli svoje osi. Ležaji so nato podprti z ohišjem motorja. Gred motorja sega skozi ležaj na zunanjo stran motorja, kjer deluje obremenitev. Ker sila obremenitve deluje zunaj skrajnega zunanjega ležaja, je obremenitev obešena. [59]
stator
Glavni članek: Stator
Stator je fiksni del elektromagnetnega tokokroga motorja in je običajno sestavljen iz navitij ali trajnih magnetov. Statorsko jedro je sestavljeno iz številnih tankih kovinskih plošč, imenovanih laminati. Laminacije se uporabljajo za zmanjšanje izgub energije, do katerih bi prišlo, če bi uporabili trdno jedro.
zračna luknja
Razdalja med rotorjem in statorjem se imenuje zračna reža. Zračne reže imajo pomemben vpliv in so običajno čim manjše, saj lahko velike zračne reže močno negativno vplivajo na delovanje. Je glavni vir nizkega faktorja moči za delovanje motorja. Vzbujevalni tok se poveča, ko se poveča zračna reža. Zato je treba zračno režo čim bolj zmanjšati. Poleg hrupa in izgub lahko majhne reže povzročijo tudi mehanske težave.
Rotor z izrazitim polom
Vijuganje[uredi]
Glavni članek: Navijanje
Navitje je žica, nameščena v tuljavi, običajno oviti okoli laminiranega mehkega feromagnetnega jedra, da tvori poli, ko je pod napetostjo.
Motorji so na voljo v dveh osnovnih konfiguracijah polov polja: izbočeni in neizbočeni. V stroju z izrazitim polom se magnetno polje polov ustvari z navitji, navitimi na polih pod ploskvami polov. Pri strojih z nepomembnim polom ali porazdeljenim poljem ali strojih s krožnim rotorjem so navitja razporejena po režah na čelni strani polov. [60] Motor s senčenim polom ima zvit del pola, ki zadržuje fazo magnetnega polja tega pola.
Prevodniki nekaterih elektromotorjev so sestavljeni iz debelejše kovine, kot so kovinski trakovi ali pločevine, običajno iz bakra ali aluminija. Te običajno poganja elektromagnetna indukcija.
komutator
Glavni članek: Komutator (električni)
Majhen enosmerni motor za igrače in njegov komutator
Komutator je mehanizem, ki se uporablja za preklapljanje vhoda večine enosmernih motorjev in nekaterih motorjev na izmenični tok. Sestavljen je iz segmentov drsnih obročev, ki so izolirani drug od drugega in od gredi. Armaturni tok motorja se napaja preko stacionarnih ščetk v stiku z vrtljivim komutatorjem, kar povzroči zahtevano obračanje toka in ko se rotor vrti od pola do pola, napaja motor na najboljši možni način. [61][62] Če tega obrata toka ni, bo motor zaviral do ustavitve. Zunanje komutirani indukcijski motorji in motorji s trajnimi magneti nadomeščajo elektromehanske komutirane motorje, glede na izboljšano tehnologijo na področju elektronskih krmilnikov, krmiljenja brez senzorjev, indukcijskih motorjev in motorjev s trajnimi magneti.
Napajanje in krmiljenje motorja
Moč motorja
Kot je navedeno zgoraj, se motorji na enosmerni tok običajno napajajo s komutatorji z drsnimi obroči. Komutacijo AC motorja je mogoče doseči z uporabo drsnega komutatorja ali zunanje komutacije in je lahko tipa krmiljenja s fiksno ali spremenljivo hitrostjo, lahko pa je tudi sinhronega ali asinhronega tipa. Elektromotorji za splošno uporabo lahko poganjajo AC ali DC.
nadzor motorja
S prilagoditvijo enosmerne napetosti, ki se uporablja za sponke, lahko enosmerni motorji delujejo s spremenljivo hitrostjo.
AC motorji, ki običajno delujejo s fiksno hitrostjo, se napajajo neposredno iz omrežja ali prek mehkega zaganjalnika motorja.
AC motorje, ki delujejo s spremenljivo hitrostjo, napajajo različni pretvorniki moči, pogoni s spremenljivo frekvenco ali tehnologije elektronskih komutatorjev.
Izraz elektronski komutator je pogosto povezan s samokomutiranimi brezkrtačnimi enosmernimi motorji in aplikacijami s preklopnimi reluktančnimi motorji.
