ранні електродвигуни
Електромагнітні експерименти Фарадея, 1821 р. Перші електродвигуни були простими електростатичними пристроями, описаними в дослідах шотландським ченцем Ендрю Гордоном і американським експериментатором Бенджаміном Франкліном у 1740-х роках. Теоретичний принцип, який лежить в його основі, закон Кулона, був відкритий Генрі Кавендішем у 1771 році, але досі не опублікований. Закон був відкритий незалежно в 1785 році Шарлем-Огюстеном де Кулоном, який опублікував його і тепер широко відомий і його ім'я. [4] Електрохімічний елемент [5], винайдений Алессандро Вольта в 1799 році, дозволив генерувати безперервний струм. Після відкриття цієї взаємодії між струмами та магнітними полями, відомої як електромагнітна взаємодія Гансом Крістіанстедом у 1820 році, незабаром було досягнуто значного прогресу. Андре-Марі Амперу знадобилося лише кілька тижнів, щоб розробити першу формулу електромагнітної взаємодії та запропонувати силовий закон Ампера, який описує взаємодію електричного струму та магнітного поля. механічна сила. У 1821 році Майкл Фарадей вперше продемонстрував ефект обертального руху. Дріт, що вільно висить, занурювали в ртутну ванну, де містився постійний магніт (ПМ). Коли струм проходить через дріт, дріт обертається навколо магніту, вказуючи на те, що струм створює щільне кругове магнітне поле навколо дроту. [7] Такі двигуни зазвичай демонструють у фізичних експериментах, замінюючи солону воду замість (токсичної) ртуті. Колеса Барлоу були раннім удосконаленням тієї демонстрації Фарадея, хоча ці та подібні однополярні двигуни не були придатними для практичного використання до кінця століття.
«Електромагнітний авторотор» Джедліка, 1827 (Музей прикладного мистецтва, Будапешт). Історичні двигуни добре працюють і сьогодні.
Джеймс Джоуль показує Кельвіну електричний двигун у Хантеріанському музеї в Глазго в 1842 році
У 1827 році угорський фізик Нйос Єдлік почав досліди з електромагнітними котушками. Після того як Джедлік вирішив технічну проблему безперервного обертання, винайшовши комутатор, він назвав свій ранній пристрій «електромагнітним власним ротором». Хоча їх використовували лише для навчання, у 1828 році Джедрік продемонстрував перший пристрій, що містив три основні компоненти практичного двигуна постійного струму: статор, ротор і комутатор. У пристрої не використовуються постійні магніти, оскільки магнітні поля нерухомих і обертових компонентів створюються лише струмом, що протікає через їх обмотки.
двигун постійного струму
Британський учений Вільям Стерджен винайшов перший колекторний двигун постійного струму, здатний обертати машини, у 1832 році. Наслідуючи роботу Стерджена, американський винахідник Томас Девенпорт побудував колекторний двигун постійного струму, який він запатентував у 1837 році. Двигун працює зі швидкістю 600 обертів на хвилину та має потужність. електроінструмент і друкарський верстат. Через високу вартість первинних батарей електродвигун не мав комерційного успіху, і Девенпорт збанкрутував. Кілька винахідників слідували за Стерджен, щоб розробити двигуни постійного струму, але всі вони зіткнулися з однаковою проблемою вартості акумуляторів. Через відсутність системи розподілу електроенергії на той час не було реального комерційного ринку для цих двигунів.
Після багатьох інших більш-менш успішних спроб із відносно слабкими обертовими та зворотно-поступальними пристроями прусс Моріц фон Якобі у травні 1834 року створив перший справжній обертовий електродвигун. Він виробляє надзвичайну механічну потужність. Його мотоцикл встановив світовий рекорд, який Якобі покращив через чотири роки у вересні 1838 року. Його другий мотоцикл був достатньо потужним, щоб керувати 14-людським човном по широкій річці. Також у 1839/40 роках іншим розробникам вдалося виготовити мотори схожої, а потім більш високої продуктивності.
У 1855 році Джедлік побудував пристрій, здатний виконувати корисну роботу, використовуючи принципи, подібні до тих, які використовували його електромагнітне спін-крило. Того ж року він створив модель електромобіля.
Головний перелом стався в 1864 році, коли Антоніо Пачінотті вперше описав тороїдальний якір (хоча спочатку він був задуманий як генератор постійного струму (тобто генератор)). Ця функція має симетрично згруповані котушки, які закриті одна до одної та з’єднані зі стрижнями комутатора, щітки якого забезпечують майже безперервний струм. Перші комерційно успішні двигуни постійного струму з’явилися після розробки Зеноба Грамме, який у 1871 році переосмислив дизайн Пачінотті та перейняв деякі рішення Вернера Сіменса.
Переваги двигуна постійного струму походять від оборотності двигуна, про яку було оголошено Сіменсом у 1867 році та відкрито за допомогою спостережень Пачінотті до 1869 року, коли Ґрем випадково довів це на Віденській всесвітній виставці 1873 року, коли він поставив два ці пристрої постійного струму знаходяться в межах 2 км один від одного, використовуючи один з них як генератор, а інший як електродвигун.
Барабанний ротор був представлений у 1872 році Фрідріхом фон Хефнером-Альтенеком із Siemens and Halske для заміни кільцевої арматури Пачінотті, тим самим підвищивши ефективність машини. [6] Ламіновані ротори були представлені наступного року компанією Siemens & Halske, що призвело до зменшення втрат заліза та підвищення наведеної напруги. У 1880 році Йонас Венстрм забезпечив ротор прорізами для розміщення обмоток, що ще більше підвищило ефективність.
У 1886 році Френк Джуліан Спраг винайшов перший практичний двигун постійного струму, безіскровий пристрій, який підтримував відносно постійну швидкість за змінних навантажень. Приблизно в цей час інші електричні винаходи Спрагу значно покращили ефективність розподілу електроенергії в мережі (робота, виконана до перебування Томаса Едісона), дозволяючи електроенергії від електродвигунів повертатися в мережу через повітряні дроти та тролейбусні стовпи, що живлять візки та забезпечують система керування роботою електрики. Це спонукало Спрага до винаходу першої електричної тролейбусної системи з використанням електродвигунів у Річмонді, штат Вірджинія, у 1887–1888 роках, електричного ліфта та системи керування у 1892 році та електричного метро з автономними централізованими вагонами. Останній був вперше встановлений у Чикаго в 1892 році біля Південної залізниці, де він був відомий як "L". Електродвигун Спраг і пов'язані з ним винаходи викликали інтерес і знайшли широке застосування в промислових електродвигунах. Розробка електродвигунів із прийнятною ефективністю відкладалася на десятиліття через те, що не визнавали критичної важливості повітряного зазору між ротором і статором. Ефективні конструкції мають порівняно невеликі повітряні зазори. З тієї ж причини автомобіль Сент-Луїса, який довгий час використовувався в класах для ілюстрації принципів руху, надзвичайно неефективний і не схожий на сучасний автомобіль.
Електродвигуни зробили революцію в промисловості. Промислові процеси більше не обмежуються передачею енергії за допомогою валів, ременів, стисненого повітря чи гідравліки. Натомість кожна машина може бути обладнана власним джерелом живлення, яким можна легко керувати під час використання та покращити ефективність передачі енергії. Електродвигуни, що використовуються в сільському господарстві, забирають м’язову силу людини та тварин від таких завдань, як переробка зерна чи перекачування води. Використання електродвигунів у побуті зменшує важку роботу в домі та забезпечує вищі стандарти зручності, комфорту та безпеки. Сьогодні електродвигуни споживають більше половини електроенергії, виробленої в США.
двигун змінного струму
У 1824 році французький фізик Франсуа Араго припустив існування обертового магнітного поля, відомого як обертання Араго, вручну відкриваючи та закриваючи перемикач, який Уолтер Бейлі продемонстрував у 1879 році як перший примітивний асинхронний двигун. У 1880-х роках багато винахідників намагалися розробити життєздатні двигуни змінного струму [31], оскільки переваги двигунів змінного струму в передачі високої напруги на великі відстані компенсувалися неможливістю працювати з двигунами змінного струму.
У 1885 році Галілео Ферраріс винайшов перший безколекторний асинхронний двигун змінного струму. У 1886 році Феррарі вдосконалив свої перші розробки, випустивши більш досконалі агрегати. У 1888 році Королівська академія наук у Турині опублікувала детальне дослідження Феррарі про основи роботи електродвигунів, але на той час дійшло висновку, що «пристрій, заснований на цей принцип не може мати жодного комерційного значення як електродвигун».
Можливий промисловий розвиток був задуманий Ніколою Теслою, який винайшов свій автономний асинхронний двигун у 1887 році та запатентував його у травні 1888 року. Того ж року Тесла представив свою статтю про AIEE нової системи для двигунів змінного струму та трансформаторів, як описано в три патенти на типи двофазних чотиристаторних полюсних двигунів: один із чотириполюсним ротором, який утворює реактивний двигун без автоматичного запуску, а інший із намотаним ротором є асинхронним двигуном із самозапуском, а третій тип справжній синхронний двигун, який відповідно забезпечує збудження постійного струму на обмотки ротора. Однак патент, поданий Теслою в 1887 році, також описував асинхронний двигун із ротором короткого замикання. Джордж Вестінгауз придбав права на Ferraris ($1,000) і негайно купив патенти Тесли ($60,000, плюс $2,50 за автомобіль із потужністю кінських сил, проданий до 1897 року, виплачений у 2010 році),[32] найняв Теслу, щоб розробити електродвигун і доручити CF Scott допомогти Tesla; однак Тесла залишив інше місце в 1889 році. [Надмірні цитати] Було виявлено, що асинхронний двигун змінного струму з постійною швидкістю не підходить для трамваїв [31], але інженери Westinghouse успішно модернізували його для живлення шахтних робіт у Теллурайді, штат Колорадо, у 1891 році. [ 53 [54] [55] У 1892 році Westinghouse створив свій перший практичний асинхронний двигун, а в 1893 році розробив сімейство багатофазних асинхронних двигунів з частотою 60 Гц, але ці перші двигуни Westinghouse були побудовані з двофазним двигуном з намотаними роторами. Згодом Б. Г. Ламме розробив ротор із спінінгом. [45]
Наполегливо пропагуючи розвиток трифазного електродвигуна, Михайло Доліво-Добровольський у 1889 році винайшов трифазний асинхронний двигун, який є як білчим ротором, так і роторним типом з пусковим варистором, а в 1890 році винайшов триплечевий трансформатор. Компанії AEG і Maschinenfabrik Oerlikon, Doliwo-Dobrowolski та Charles Eugene Lancelot Brown розробили більші моделі: короткозамкнуту клітку потужністю 20 к.с. і ротаційний ротор потужністю 100 к.с. із пусковим варистором. Це були перші трифазні асинхронні двигуни, придатні для практичної експлуатації. Winstrom розробляє подібні трифазні машини з 1889 року. На Міжнародній електротехнічній виставці у Франкфурті в 1891 році була успішно продемонстрована перша трифазна система на великі відстані. Він розрахований на 15 кВ і тягнеться на 175 км від водоспаду Лауфен на Некарі. Електростанція Lauffen складається з генератора змінного струму потужністю 240 кВт 86 В 40 Гц і підвищувального трансформатора, тоді як на виставці понижуючий трансформатор живить трифазний асинхронний двигун потужністю 100 к.с., який живить штучний водоспад, який представляє оригінальний трансфер трансформатора. джерело енергії. ] Трифазна індукція зараз використовується в переважній більшості комерційних застосувань. Однак він стверджував, що електродвигуни Тесли непрактичні через двофазні пульсації, що спонукало його дотримуватися трифазної роботи.
У 1891 році GE почала розробку трифазного асинхронного двигуна [45] до 1896 року GE і Westinghouse підписали перехресну ліцензійну угоду на розробку ротора зі стрижневою обмоткою, пізніше відомого як короткозамкнений ротор. Удосконалення асинхронного двигуна стало результатом цих винаходів і інновацій, тому 100-асинхронний двигун має такі ж встановлені розміри, як і двигун потужністю 75-кінських сил 1897 року.
компоненти
Ротор двигуна (ліворуч) і статор (праворуч)
Ротор[ред.]
Основна стаття: Ротор (електричний)
В електродвигуні рухомою частиною є ротор, який обертає вал для передачі механічної енергії. Ротор зазвичай містить провідники, які несуть струми, які взаємодіють з магнітним полем статора, створюючи силу, яка обертає вал. Крім того, деякі ротори несуть постійні магніти, а статори утримують провідники.
підшипник
Ротор підтримується підшипниками, які дозволяють ротору обертатися навколо своєї осі. Підшипники, у свою чергу, спираються на корпус двигуна. Вал двигуна проходить через підшипник до зовнішньої частини двигуна, де діє навантаження. Оскільки сила навантаження прикладена за межами крайнього підшипника, вантаж підвішений. [59]
статор
Основна стаття: Статор
Статор є нерухомою частиною електромагнітного кола двигуна і зазвичай складається з обмоток або постійних магнітів. Сердечник статора складається з багатьох тонких металевих листів, які називаються шарами. Ламінування використовується для зменшення втрат енергії, які виникли б у разі використання суцільного сердечника.
повітряний зазор
Відстань між ротором і статором називається повітряним зазором. Повітряні зазори мають значний вплив і зазвичай є якомога меншими, оскільки великі повітряні зазори можуть сильно негативно вплинути на продуктивність. Це основне джерело низького коефіцієнта потужності для роботи двигуна. Струм збудження зростає зі збільшенням повітряного зазору. Тому повітряний зазор повинен бути зведений до мінімуму. Окрім шуму та втрат, невеликі зазори також можуть викликати механічні проблеми.
Ротор із помітним полюсом
Намотування[ред.]
Основна стаття: Намотування
Обмотка — це дріт, укладений у котушку, зазвичай обмотаний навколо ламінованого м’якого феромагнітного сердечника, щоб утворити полюси під час напруги.
Двигуни мають дві основні конфігурації полюсів: виступаючі та невиступаючі. У машині з яскравими полюсами магнітне поле полюсів створюється обмотками, намотаними на полюси нижче їх поверхонь. У машинах з невидимим полюсом, розподіленим полем або круговим ротором обмотки розподілені в пазах на поверхні полюсів. [60] Двигун із заштрихованим полюсом має згорнуту частину полюса, яка сповільнює фазу магнітного поля цього полюса.
Провідники деяких електродвигунів складаються з більш товстого металу, наприклад металевих смуг або листів, як правило, міді або алюмінію. Зазвичай вони приводяться в дію електромагнітною індукцією.
комутатор
Основна стаття: Комутатор (електричний)
Маленький двигун постійного струму для іграшок і його комутатор
Комутатор — це механізм, який використовується для перемикання вхідного сигналу більшості двигунів постійного струму та деяких двигунів змінного струму. Він складається з сегментів контактних кілець, ізольованих один від одного та від вала. Струм якоря двигуна подається через нерухомі щітки в контакті з обертовим комутатором, що спричиняє необхідне реверсування струму, і коли ротор обертається від полюса до полюса, живлення двигуна здійснюється найкращим чином. [61][62] За відсутності цього реверсування струму двигун буде гальмувати до зупинки. Індукційні двигуни з зовнішньою комутацією та двигуни з постійними магнітами замінюють електромеханічні комутовані двигуни завдяки вдосконаленій технології в області електронних контролерів, безсенсорного керування, асинхронних двигунів і двигунів з постійними магнітами.
Постачання та управління двигуном
Потужність двигуна
Як згадувалося вище, двигуни постійного струму зазвичай живляться від комутаторів із контактними кільцями. Комутація двигуна змінного струму може бути досягнута за допомогою комутатора з контактним кільцем або зовнішньої комутації, і вона може мати тип керування з фіксованою або змінною швидкістю, а також може бути синхронним або асинхронним типом. Електродвигуни загального призначення можуть працювати як змінним, так і постійним струмом.
управління двигуном
Регулюючи напругу постійного струму, що подається на клеми, двигуни постійного струму можуть працювати зі змінною швидкістю.
Двигуни змінного струму, які зазвичай працюють на фіксованій швидкості, живляться або безпосередньо від мережі, або через пристрій плавного пуску.
Двигуни змінного струму, що працюють із змінною швидкістю, живляться від різноманітних інверторів потужності, приводів із змінною частотою або електронних комутаторів.
Термін «електронний комутатор» часто асоціюється з безщітковим двигуном постійного струму з самокомутацією та реактивним електродвигуном.
