ранни електрически двигатели
Електромагнитните експерименти на Фарадей, 1821 г. Първите електрически двигатели са прости електростатични устройства, описани в експерименти от шотландския монах Андрю Гордън и американския експериментатор Бенджамин Франклин през 1740-те години. Теоретичният принцип зад него, законът на Кулон, е открит от Хенри Кавендиш през 1771 г., но все още не е публикуван. Законът е открит независимо през 1785 г. от Шарл-Огюстин дьо Кулон, който го публикува и сега е широко известен и неговото име. [4] Електрохимичната клетка [5], изобретена от Алесандро Волта през 1799 г., направи възможно генерирането на непрекъснат ток. След откриването на това взаимодействие между токове и магнитни полета, известно като електромагнитно взаимодействие от Ханс Кристианстед през 1820 г., скоро беше постигнат голям напредък. На Андре-Мари Ампер бяха необходими само няколко седмици, за да разработи първата формула за електромагнитно взаимодействие и да предложи силата на Ампер, която описва взаимодействието на електрически ток и магнитно поле. механична сила. През 1821 г. Майкъл Фарадей за първи път демонстрира ефектите от въртеливото движение. Свободно висяща жица беше потопена в живачна баня, където беше поставен постоянен магнит (PM). Когато токът преминава през жицата, тя се върти около магнита, което показва, че токът създава плътно кръгово магнитно поле около жицата. [7] Такива двигатели обикновено се демонстрират във физически експерименти, заменяйки солена вода с (токсичен) живак. Колелата на Барлоу бяха ранно подобрение на тази демонстрация на Фарадей, въпреки че тези и подобни хомополярни двигатели не бяха подходящи за практическа употреба до края на века.
„Електромагнитен собствен ротор“ от Джедлик, 1827 г. (Музей за приложни изкуства, Будапеща). Историческите двигатели работят добре и днес.
Джеймс Джаул показва електрически двигател на Келвин в Хънтърския музей в Глазгоу през 1842 г
През 1827 г. унгарският физик nyos Jedlik започва да експериментира с електромагнитни бобини. След като Джедлик решава техническия проблем с непрекъснатото въртене с изобретяването на комутатора, той нарича ранното си устройство "електромагнитен собствен ротор". Въпреки че са използвани само за обучение, през 1828 г. Джедрик демонстрира първото устройство, съдържащо трите основни компонента на практичен постояннотоков двигател: статор, ротор и комутатор. Устройството не използва постоянни магнити, тъй като магнитните полета на неподвижните и въртящите се компоненти се генерират само от тока, протичащ през техните намотки.
DC двигател
Британският учен Уилям Стърджън изобретява първия колекторен постояннотоков двигател, способен да върти машини през 1832 г. Следвайки работата на Стърджън, американският изобретател Томас Дейвънпорт създава комутаторен тип постояннотоков двигател, който патентова през 1837 г. Двигателят работи с 600 оборота в минута и мощност електрическия инструмент и печатарската преса. Поради високата цена на първичните батерии, електрическият мотор не пожъна търговски успех и Дейвънпорт фалира. Няколко изобретатели последваха Стърджън, за да разработят постояннотокови двигатели, но всички се натъкнаха на един и същ проблем с цената на батериите. Тъй като по това време нямаше налична система за разпределение на енергия, нямаше реален търговски пазар за тези двигатели.
След много други повече или по-малко успешни опити със сравнително слаби въртящи се и възвратно-постъпателни устройства, прусакът Мориц фон Якоби създава първия истински въртящ се електрически двигател през май 1834 г. Той произвежда изключителна механична мощност. Неговият мотоциклет постави световен рекорд, който Якоби подобри четири години по-късно през септември 1838 г. Вторият му мотоциклет беше достатъчно мощен, за да кара 14-човешка лодка по широка река. Също така през 1839/40 г. други разработчици успяха да направят двигатели с подобна, тогава по-висока производителност.
През 1855 г. Джедлик построява устройство, способно да върши полезна работа, използвайки принципи, подобни на тези, използвани от неговото електромагнитно въртящо се крило. Същата година той построява модел на електрически автомобил.
Основна повратна точка идва през 1864 г., когато Антонио Пачиноти за първи път описва тороидалната арматура (въпреки че първоначално е била замислена в DC генератор (т.е. генератор)). Тази характеристика има симетрично групирани намотки, които са затворени една към друга и са свързани към прътите на комутатора, чиито четки осигуряват почти непроменлив ток. Първите комерсиално успешни двигатели с постоянен ток следват развитието на Zénobe Gramme, който през 1871 г. преоткрива дизайна на Pacinotti и възприема някои от решенията на Werner Siemens.
Ползите от постояннотоковия двигател произтичат от обратимостта на двигателя, която беше обявена от Сименс през 1867 г. и открита чрез наблюденията на Пачиноти до 1869 г., когато Греъм случайно го доказа на световното изложение във Виена през 1873 г., когато постави двата всеки от тези устройства с постоянен ток са в рамките на 2 км едно от друго, използвайки едното от тях като генератор, а другото като електрически двигател.
Барабанният ротор е въведен през 1872 г. от Фридрих фон Хефнер-Алтенек от Сименс и Халске, за да замени пръстеновидната арматура на Пачиноти, като по този начин повишава ефективността на машината. [6] Ламинираните ротори бяха представени на следващата година от Siemens & Halske, което доведе до намалени загуби на желязо и по-високи индуцирани напрежения. През 1880 г. Jonas Wenstrm снабдил ротора със слотове за поставяне на намотките, което допълнително подобрява ефективността.
През 1886 г. Франк Джулиан Спраг изобретява първия практичен постояннотоков двигател, устройство без искри, което поддържа относително постоянна скорост при променливи натоварвания. Приблизително по това време другите електрически изобретения на Спраг значително подобриха разпределителната производителност на мрежата (работа, извършена преди управлението на Томас Едисон), позволявайки на захранването от електрически двигатели да се върне към мрежата, чрез надземни проводници и тролейни стълбове захранват количките и осигуряват система за управление на електрическата работа. Това накара Sprague да изобрети първата електрическа тролейбусна система, използваща електрически двигатели в Ричмънд, Вирджиния през 1887-88 г., електрически асансьор и система за управление през 1892 г. и електрическо метро с независимо захранвани централно управлявани автомобили. Последният е инсталиран за първи път в Чикаго през 1892 г. от South Side Elevated Railroad, където е бил разговорно известен като "L". Електрическият мотор на Sprague и свързаните с него изобретения предизвикаха интерес и намериха широко приложение в индустриалните електродвигатели. Разработването на електродвигатели с приемлива ефективност е забавено с десетилетия поради невъзможност да се разпознае критичното значение на въздушната междина между ротора и статора. Ефективните конструкции имат относително малки въздушни междини. По същата причина колата Сейнт Луис, отдавна използвана в класните стаи за илюстриране на принципите на движение, е изключително неефективна и не изглежда като модерна кола.
Електрическите двигатели направиха революция в индустрията. Индустриалните процеси вече не са ограничени от предаване на енергия с помощта на валове, ремъци, сгъстен въздух или хидравлика. Вместо това всяка машина може да бъде оборудвана със собствен източник на захранване, който може лесно да се контролира, докато се използва, и да подобри ефективността на пренос на енергия. Електрическите двигатели, използвани в селското стопанство, отнемат мускулната сила на хора и животни от задачи като обработка на зърно или изпомпване на вода. Използването на електрически двигатели в дома намалява тежкия труд в дома и позволява по-високи стандарти на удобство, комфорт и безопасност. Днес електрическите двигатели консумират повече от половината от електроенергията, произведена в Съединените щати.
AC мотор
През 1824 г. френският физик Франоа Араго предложи съществуването на въртящо се магнитно поле, известно като въртенето на Араго, чрез ръчно отваряне и затваряне на превключвател, което Уолтър Бейли демонстрира през 1879 г. като първия примитивен индукционен двигател. През 1880-те много изобретатели се опитват да разработят жизнеспособни променливотокови двигатели [31], тъй като предимствата на променливотоковите двигатели при предаване на високо напрежение на дълги разстояния се компенсират от невъзможността да работят с променливотокови двигатели.
През 1885 г. Галилео Ферарис изобретява първия променливотоков асинхронен двигател без комутатор. Ferraris подобрява първите си проекти, като произвежда по-усъвършенствани единици през 1886 г. През 1888 г. Кралската академия на науките в Торино публикува подробно проучване на Ferraris за основата за работата на електрическите двигатели, но по това време заключава, че „устройство, базирано на този принцип не може да има търговско значение като електрически двигател."
Възможното промишлено развитие е замислено от Никола Тесла, който изобретява своя самостоятелен индукционен двигател през 1887 г. и го патентова през май 1888 г. Същата година Тесла представя своята статия за AIEE на нова система за AC двигатели и трансформатори, както е описано в три патента на двуфазни четиристаторни полюсни типове двигатели: единият с четириполюсен ротор, образуващ несамостоятелен реактивен двигател, а другият с Навитият ротор представлява самостартиращ асинхронен двигател, а третият тип е истински синхронен двигател, който съответно осигурява възбуждаща постоянна мощност към намотките на ротора. Въпреки това, патент, подаден от Тесла през 1887 г., също описва асинхронен двигател с ротор с късо съединение. Джордж Уестингхаус беше придобил правата от Ferraris ($1,000) и незабавно купи патентите на Tesla ($60,000, плюс $2,50 на автомобил с конски сили, продаден до 1897 г., платен през 2010 г.), [32] нае Тесла да разработи електрическия мотор и възложи на CF Scott да помогне на Tesla; Въпреки това, Тесла напуска другаде през 1889 г. [Прекомерно цитиране] Установено е, че асинхронният двигател с постоянна скорост на променлив ток не е подходящ за трамваи, [31] но инженерите на Уестингхаус успешно го преоборудват, за да захранва минна дейност в Телурайд, Колорадо през 1891 г. [ 53][54][55] Уестингхаус реализира първия си практичен асинхронен двигател през 1892 г. и разработи семейство от полифазни 60 Hz индукционни двигатели през 1893 г., но тези ранни двигатели на Уестингхаус са изградени с двуфазен двигател с навити ротори. Впоследствие BG Lamme разработи ротора с навит въртящ се прът. [45]
Упорито насърчавайки развитието на трифазното захранване, Михаил Доливо-Доброволски изобретява трифазния асинхронен двигател през 1889 г., който е както ротор на катерица, така и тип навит ротор с начален варистор, а през 1890 г. изобретява трансформатора с три рамене. Между AEG и Maschinenfabrik Oerlikon, Doliwo-Dobrowolski и Charles Eugene Lancelot Brown разработиха по-големи модели, клетка с катерица с мощност 20 к.с. и навит ротор със стартов варистор с мощност 100 к.с. Това бяха първите трифазни асинхронни двигатели, подходящи за практическа работа. Winstrom разработва подобни трифазни машини от 1889 г. На Международното електротехническо изложение във Франкфурт през 1891 г. е успешно демонстрирана първата трифазна система за дълги разстояния. Той е оценен на 15 kV и се простира на 175 km от Laufen Falls на Neckar. Електрическата станция Lauffen се състои от алтернатор с мощност 240 kW 86 V 40 Hz и повишаващ трансформатор, докато на изложението понижаващ трансформатор захранва трифазен индукционен двигател със 100 к.с., който захранва изкуствен водопад, представляващ оригиналния трансфер на трансформатора. източник на енергия. ] Трифазна индукция сега се използва в по-голямата част от търговските приложения. Той обаче твърди, че електрическите двигатели на Тесла са непрактични поради двуфазни пулсации, което го подтиква да се придържа към трифазната си работа.
През 1891 г. GE започва да разработва трифазния асинхронен двигател [45] до 1896 г. GE и Westinghouse подписват споразумение за кръстосано лицензиране за дизайна на ротора с навиване на пръти, по-късно известен като ротор с клетка. Подобренията на асинхронния двигател произтичат от тези изобретения и нововъведения, така че 100-асинхронният двигател с мощност сега има същите инсталирани размери като двигателя с мощност 7.{8}}конски сили от 1897 г.
компоненти
Ротор на двигателя (вляво) и статор (вдясно)
Ротор[редактиране]
Основна статия: Ротор (електрически)
В електрическия двигател движещата се част е роторът, който върти вала, за да предаде механична мощност. Роторът обикновено съдържа проводници, които пренасят токове, които взаимодействат с магнитното поле на статора, за да създадат сила, която върти вала. Като алтернатива някои ротори носят постоянни магнити, докато статорите държат проводниците.
лагер
Роторът се поддържа от лагери, които позволяват на ротора да се върти около оста си. Лагерите от своя страна се поддържат от корпуса на двигателя. Валът на двигателя се простира през лагера към външната страна на двигателя, където се прилага натоварването. Тъй като силата на товара се прилага извън най-външния лагер, товарът е окачен. [59]
статор
Основна статия: Статор
Статорът е неподвижната част от електромагнитната верига на двигателя и обикновено се състои от намотки или постоянни магнити. Сърцевината на статора се състои от много тънки метални листове, наречени ламинации. Ламинациите се използват за намаляване на загубите на енергия, които биха се получили, ако се използва твърдо ядро.
въздушна междина
Разстоянието между ротора и статора се нарича въздушна междина. Въздушните междини имат значително влияние и обикновено са възможно най-малки, тъй като големите въздушни междини могат да имат силно отрицателно въздействие върху производителността. Това е основният източник на нисък фактор на мощността за работа на двигателя. Токът на възбуждане се увеличава с увеличаване на въздушната междина. Следователно въздушната междина трябва да бъде сведена до минимум. В допълнение към шума и загубите, малките пролуки могат да причинят и механични проблеми.
Ротор с изпъкнал полюс
навиване[редактиране]
Основна статия: Навиване
Намотката е жица, поставена в намотка, обикновено увита около ламинирана мека феромагнитна сърцевина, за да образува полюси, когато е под напрежение.
Двигателите се предлагат в две основни конфигурации на полеви полюси: изпъкнали и неизпъкнали. В машина с изпъкнал полюс магнитното поле на полюсите се създава от намотки, навити на полюсите под челата на полюсите. При машини с неизпъкнал полюс или с разпределено поле или с кръгъл ротор, намотките са разпределени в прорези с лице на полюса. [60] Двигателят със засенчен полюс има навита част от полюс, която забавя фазата на магнитното поле на този полюс.
Проводниците на някои електродвигатели се състоят от по-дебел метал, като метални ленти или листове, обикновено мед или алуминий. Те обикновено се задвижват от електромагнитна индукция.
комутатор
Основна статия: Комутатор (електрически)
Малък DC мотор за играчки и неговия комутатор
Комутаторът е механизъм, използван за превключване на входа на повечето двигатели с постоянен ток и някои двигатели с променлив ток. Състои се от сегменти с контактни пръстени, изолирани един от друг и от вала. Токът на котвата на двигателя се подава чрез неподвижни четки в контакт с въртящия се комутатор, което предизвиква необходимото обръщане на тока и докато роторът се върти от полюс на полюс, захранвайте двигателя по възможно най-добрия начин. [61][62] При липса на това обръщане на тока, моторът ще спре до спиране. Външно комутирани индукционни и постоянни магнитни двигатели заменят електромеханичните комутирани двигатели, като се има предвид подобрената технология в областта на електронните контролери, безсензорното управление, индукционните двигатели и двигателите с постоянен магнит.
Моторно захранване и управление
Мощност на двигателя
Както бе споменато по-горе, постояннотоковите двигатели обикновено се захранват от комутатори с контактни пръстени. Комутацията на AC двигателя може да бъде постигната с помощта на комутатор с контактен пръстен или външна комутация и може да бъде от тип управление с фиксирана или променлива скорост, а също така може да бъде от синхронен или асинхронен тип. Електрическите двигатели с общо предназначение могат да работят с AC или DC.
моторен контрол
Чрез регулиране на DC напрежението, приложено към клемите, DC двигателите могат да работят с променливи скорости.
Променливотоковите двигатели, обикновено работещи с фиксирана скорост, се захранват или директно от мрежата, или чрез софтстартер на двигателя.
AC двигателите, работещи с променлива скорост, се захранват от различни инвертори на мощността, задвижвания с променлива честота или електронни комутационни технологии.
Терминът електронен комутатор често се свързва със самокомутиращи се безчеткови двигатели с постоянен ток и приложения с реактивен двигател.
