ranih elektromotora
Faradejevi elektromagnetski eksperimenti, 1821. Prvi električni motori bili su jednostavni elektrostatički uređaji, opisani u eksperimentima škotskog redovnika Andrewa Gordona i američkog eksperimentatora Benjamina Franklina 1740-ih. Teorijski princip iza toga, Coulombov zakon, otkrio je Henry Cavendish 1771. godine, ali još uvijek nije objavljen. Zakon je samostalno otkrio 1785. Charles-Augustin de Coulomb, koji ga je objavio i danas je nadaleko poznato i njegovo ime. [4] Elektrohemijska ćelija [5] koju je izumeo Alessandro Volta 1799. godine omogućila je stvaranje kontinuirane struje. Nakon što je Hans Christianrsted 1820. otkrio ovu interakciju između struja i magnetnih polja, poznatu kao elektromagnetna interakcija, ubrzo je napravljen veliki napredak. André-Marie Ampèreu je trebalo samo nekoliko sedmica da razvije prvu formulu za elektromagnetnu interakciju i predloži Amperov zakon sile, koji opisuje interakciju električne struje i magnetnog polja. mehanička sila. Godine 1821, Michael Faraday je po prvi put demonstrirao efekte rotacionog kretanja. Slobodno viseća žica umočena je u živinu kadu gdje je postavljen permanentni magnet (PM). Kada struja prolazi kroz žicu, žica se rotira oko magneta, što ukazuje da struja stvara čvrsto kružno magnetsko polje oko žice. [7] Takvi motori se obično demonstriraju u fizičkim eksperimentima, zamjenjujući slanu vodu (toksičnom) živom. Barlowovi točkovi bili su rano poboljšanje te Faradejeve demonstracije, iako ovi i slični homopolarni motori nisu bili pogodni za praktičnu upotrebu do kraja veka.
"Elektromagnetski samorotor" Jedlika, 1827. (Muzej primijenjene umjetnosti, Budimpešta). Istorijski motori i danas dobro rade.
James Joule pokazuje Kelvinu električni motor u Hunterian muzeju u Glasgowu 1842
Godine 1827. mađarski fizičar nyos Jedlik počeo je eksperimentirati s elektromagnetnim zavojnicama. Nakon što je Jedlik riješio tehnički problem kontinuirane rotacije izumom komutatora, on je svoj rani uređaj nazvao "elektromagnetnim samorotorom". Iako su se koristili samo za podučavanje, 1828. Jedrick je demonstrirao prvi uređaj koji sadrži tri glavne komponente praktičnog DC motora: stator, rotor i komutator. Uređaj ne koristi trajne magnete jer se magnetna polja stacionarne i rotirajuće komponente stvaraju samo strujom koja teče kroz njihove namote.
DC motor
Britanski naučnik William Sturgeon izumio je prvi komutator DC motor sposoban za rotaciju strojeva 1832. Nakon Sturgeonovog rada, američki izumitelj Thomas Davenport napravio je DC motor komutatorskog tipa, koji je patentirao 1837. Motor radi na 600 okretaja u minuti i snage električni alat i štamparska mašina. Zbog visoke cijene primarnih baterija, elektromotor nije imao komercijalni uspjeh, a Davenport je bankrotirao. Nekoliko pronalazača pratilo je Sturgeona kako bi razvili DC motore, ali su svi naišli na isti problem cijene baterije. Pošto u to vrijeme nije bio dostupan sistem distribucije energije, nije bilo stvarnog komercijalnog tržišta za ove motore.
Nakon mnogih drugih manje ili više uspješnih pokušaja sa relativno slabim rotirajućim i klipnim uređajima, Pruski Moritz von Jacobi je u maju 1834. stvorio prvi pravi rotirajući električni motor. On proizvodi izvanrednu mehaničku snagu. Njegov motocikl postavio je svjetski rekord, koji je Jacobi poboljšao četiri godine kasnije u septembru 1838. Njegov drugi moto bio je dovoljno snažan da vozi 14-čamac na širokoj rijeci. Takođe 1839/40, drugi programeri su uspeli da naprave motore sličnih, tada većih performansi.
Godine 1855. Jedlik je napravio uređaj sposoban da obavlja koristan rad koristeći principe slične onima koje koristi njegovo elektromagnetno okretno krilo. Iste godine napravio je model električnog automobila.
Velika prekretnica nastupila je 1864. godine, kada je Antonio Pacinoti prvi opisao toroidnu armaturu (iako je prvobitno bila zamišljena kao DC generator (tj. generator)). Ova karakteristika ima simetrično grupirane zavojnice koje su međusobno zatvorene i povezane sa šipkama komutatora čije četke daju skoro nepromenljivu struju. Prvi komercijalno uspješni DC motori uslijedili su nakon razvoja Zénobea Grammea, koji je 1871. ponovo izumio Pacinotijev dizajn i usvojio neka od rješenja Werner Siemensa.
Prednosti jednosmjernog motora proizlaze iz reverzibilnosti motora, koju je Siemens najavio 1867. i koju je otkrio Pacinotijeva zapažanja, došla je do 1869. godine kada je Graham to slučajno dokazao, na Svjetskoj izložbi u Beču 1873., kada je stavio dva Svaki od ovi uređaji jednosmjerne struje nalaze se na udaljenosti od 2 km jedan od drugog, koristeći jedan od njih kao generator, a drugi kao električni motor.
Rotor bubnja je uveo Friedrich von Hefner-Alteneck iz Siemens and Halske 1872. godine kako bi zamijenio Pacinotijevu prstenastu armaturu, čime je povećala efikasnost mašine. [6] Laminirane rotore su sledeće godine predstavili Siemens & Halske, što je rezultiralo smanjenim gubicima gvožđa i višim indukovanim naponima. Godine 1880, Jonas Wenstrm je dao rotoru utore za smještaj namotaja, dodatno poboljšavajući efikasnost.
Godine 1886. Frank Julian Sprague izumio je prvi praktičan DC motor, uređaj bez iskri koji je održavao relativno konstantnu brzinu pod promjenjivim opterećenjima. Otprilike u to vrijeme, Spragueovi drugi električni izumi uvelike su poboljšali performanse distribucije energije u mreži (posao obavljen prije Tomasa Edisona), omogućavajući da se energija iz elektromotora vrati u mrežu, preko nadzemnih žica i stupova kolica koji napajaju kolica i obezbjeđuju kontrolni sistem za električni rad. To je navelo Spraguea da izume prva električna kolica koja koriste električne motore u Richmondu, Virginia, 1887-88, električni lift i kontrolni sistem 1892, te električnu podzemnu željeznicu s neovisno napajanim centralno kontroliranim automobilima. Potonji je prvi put instaliran u Čikagu 1892. godine od strane South Side Elevated Railroad, gdje je bio kolokvijalno poznat kao "L". Spragueov električni motor i njegovi srodni izumi izazvali su interesovanje i našli široku upotrebu u industrijskim elektromotorima. Razvoj elektromotora prihvatljive efikasnosti odlagao se decenijama zbog neuviđanja kritične važnosti zračnog raspora između rotora i statora. Efikasni dizajni imaju relativno male zračne otvore. Iz istog razloga, automobil St. Louisa, koji se dugo koristi u učionicama za ilustraciju principa kretanja, izuzetno je neefikasan i ne izgleda kao moderan automobil.
Električni motori su revolucionirali industriju. Industrijski procesi više nisu ograničeni prijenosom snage pomoću osovina, remena, komprimovanog zraka ili hidraulike. Umjesto toga, svaka mašina može biti opremljena vlastitim izvorom energije, koji se može lako kontrolisati dok se koristi i poboljšava efikasnost prijenosa energije. Električni motori koji se koriste u poljoprivredi uklanjaju snagu ljudskih i životinjskih mišića iz zadataka kao što su rukovanje žitom ili pumpanje vode. Upotreba električnih motora u kući smanjuje težak rad u kući i omogućava više standarde udobnosti, udobnosti i sigurnosti. Danas električni motori troše više od polovine električne energije proizvedene u Sjedinjenim Državama.
AC motor
Godine 1824. francuski fizičar Franois Arago predložio je postojanje rotirajućeg magnetnog polja, poznatog kao Arago rotacija, ručnim otvaranjem i zatvaranjem prekidača, što je Walter Baily demonstrirao 1879. kao prvi primitivni indukcijski motor. Tokom 1880-ih, mnogi pronalazači su pokušali razviti održive AC motore [31], jer su prednosti AC motora u visokonaponskom prijenosu na velike udaljenosti bile nadoknađene nemogućnošću rada na AC motorima.
Godine 1885. Galileo Ferraris izumio je prvi indukcioni motor bez komutatora na izmjeničnu struju. Ferraris je poboljšao svoje prve dizajne proizvodeći naprednije jedinice 1886. Godine 1888. Kraljevska akademija nauka u Torinu objavila je Ferrarisovu detaljnu studiju o osnovama rada električnih motora, ali je u to vrijeme zaključila da je "uređaj zasnovan na ovaj princip ne može imati nikakav komercijalni značaj kao električni motor."
Mogući industrijski razvoj zamislio je Nikola Tesla, koji je 1887. izumio svoj samostalni indukcioni motor i patentirao ga u maju 1888. Te iste godine, Tesla je predstavio svoj rad o AIEE novog sistema za AC motore i transformatore kako je opisano u tri patenta tipa dvofaznih četverostatorskih motora: jedan sa četveropolnim rotorom koji formira reluktantni motor koji se ne pokreće, a drugi sa namotanim rotorom čini samopokretajući asinhroni motor, a treći tip je pravi sinhroni motor, koji, respektivno, obezbjeđuje pobudu jednosmjerne struje za namotaje rotora. Međutim, patent koji je Tesla prijavio 1887. također opisuje kratkospojni indukcioni motor rotora. George Westinghouse je stekao prava od Ferrarija ($1,000) i odmah kupio Tesline patente ($60,000, plus 2,50$ po automobilu konjske snage koji je prodat do 1897. plaćen 2010.),[32] je unajmio Teslu da razvio električni motor i naručio CF Scott da pomogne Tesli; međutim, Tesla je otišao negdje drugdje 1889. [Preveliki citati] Utvrđeno je da AC indukcioni motor sa konstantnom brzinom nije prikladan za tramvaje, [31] ali su ga inženjeri Westinghousea uspješno modificirali za pogon rudarstva u Tellurideu, Colorado 1891. [31] 53][54][55] Westinghouse je realizovao svoj prvi praktični indukcioni motor 1892. godine i razvio familiju polifaznih indukcionih motora od 60 Hz 1893. godine, ali ovi rani Westinghouse motori su napravljeni sa dvofaznim motorom sa namotanim rotorima. BG Lamme je kasnije razvio rotor namotane šipke. [45]
Uporno promovišući razvoj trofaznog, Mihail Dolivo-Dobrovolsky je 1889. izumio trofazni indukcioni motor, koji je i rotor sa vjevericama i rotor sa namotanim rotorom sa startnim varistorom, a 1890. izumio je trokraki transformator. Između AEG-a i Maschinenfabrik Oerlikon, Doliwo-Dobrowolski i Charles Eugene Lancelot Brown razvili su veće modele, kavez za vjevericu od 20 KS i rotor od 100 KS sa startnim varistorom. To su bili prvi trofazni asinhroni motori pogodni za praktičan rad. Winstrom razvija slične trofazne mašine od 1889. Na Međunarodnoj elektrotehničkoj izložbi u Frankfurtu 1891. godine, uspešno je demonstriran prvi daljinski trofazni sistem. Nazivan je na 15 kV i proteže se 175 km od vodopada Laufen na Nekaru. Lauffenova elektrana se sastoji od 240 kW 86 V 40 Hz alternatora i step-up transformatora, dok na izložbi opadajući transformator napaja trofazni indukcioni motor od 100 ks koji pokreće umjetni vodopad, koji predstavlja originalni prijenos transformatora. izvor energije. ] Trofazna indukcija se sada koristi u velikoj većini komercijalnih aplikacija. Međutim, tvrdio je da su Teslini elektromotori bili nepraktični zbog dvofaznih pulsacija, što ga je navelo da se drži svog trofaznog rada.
Godine 1891. GE je počeo razvijati trofazni asinhroni motor [45] do 1896. godine, GE i Westinghouse potpisali su ugovor o unakrsnom licenciranju za dizajn rotora sa namotajem šipke, kasnije poznatog kao kavezni rotor. Poboljšanja indukcionog motora su proizašla iz ovih izuma i inovacija, tako da indukcioni motor 100-konja sada ima iste instalirane dimenzije kao motor od 75- konjskih snaga iz 1897. godine.
komponente
Rotor motora (lijevo) i stator (desno)
rotor[uredi]
Glavni članak: Rotor (električni)
U elektromotoru, pokretni dio je rotor, koji rotira osovinu kako bi prenio mehaničku snagu. Rotor obično sadrži provodnike koji nose struje koje stupaju u interakciju s magnetskim poljem statora kako bi stvorili silu koja rotira osovinu. Alternativno, neki rotori nose trajne magnete, dok statori drže provodnike.
ležaj
Rotor je podržan ležajevima koji omogućavaju rotoru da se rotira oko svoje ose. Ležajevi su zauzvrat oslonjeni na kućište motora. Osovina motora se proteže kroz ležaj do vanjske strane motora, gdje se primjenjuje opterećenje. Budući da se sila opterećenja primjenjuje izvan krajnjeg vanjskog ležaja, opterećenje je ovješeno. [59]
stator
Glavni članak: Stator
Stator je fiksni dio elektromagnetnog kola motora i obično se sastoji od namotaja ili trajnih magneta. Jezgro statora sastoji se od mnogih tankih metalnih limova koji se nazivaju laminati. Laminacije se koriste za smanjenje gubitaka energije koji bi nastali kada bi se koristila čvrsta jezgra.
vazdušni jaz
Udaljenost između rotora i statora naziva se zračni raspor. Vazdušni jazovi imaju značajan uticaj i obično su što manji, jer veliki zračni jazovi mogu imati snažan negativan uticaj na performanse. To je glavni izvor niskog faktora snage za rad motora. Struja pobude raste kako se povećava zračni jaz. Stoga zračni jaz treba svesti na minimum. Osim buke i gubitaka, mali zazori mogu uzrokovati i mehaničke probleme.
Rotor sa istaknutim polovima
Navijanje[uredi]
Glavni članak: Navijanje
Namotaj je žica postavljena u zavojnicu, obično omotana oko laminiranog mekog feromagnetnog jezgra, da formira polove kada je pod naponom.
Motori se isporučuju u dvije osnovne konfiguracije polova polja: istaknuti i neupadljivi. U mašini sa istaknutim polovima, magnetsko polje polova stvaraju namotaji namotani na polove ispod lica polova. U mašinama sa nenaglašenim polovima ili mašinama sa raspoređenim poljem ili kružnim rotorom, namotaji su raspoređeni u prorezima na površini pola. [60] Motor sa zasjenjenim polom ima namotani dio pola koji usporava fazu magnetnog polja tog pola.
Provodnici nekih elektromotora sastoje se od debljeg metala, kao što su metalne trake ili limovi, obično bakar ili aluminij. Obično ih pokreće elektromagnetna indukcija.
komutator
Glavni članak: Komutator (električni)
Mali DC motor za igračke i njegov komutator
Komutator je mehanizam koji se koristi za prebacivanje ulaza većine DC motora i nekih AC motora. Sastoji se od segmenata kliznog prstena izolovanih jedan od drugog i od osovine. Struja armature motora se dovodi preko stacionarnih četkica u kontaktu sa rotirajućim komutatorom, što uzrokuje potrebnu promjenu struje i kako rotor rotira od pola do pola napajajte motor na najbolji mogući način. [61][62] U nedostatku ovog strujnog preokreta, motor će kočiti do zaustavljanja. Eksterno komutirani indukcijski motori i motori s permanentnim magnetima zamjenjuju elektromehaničke komutirane motore, s obzirom na poboljšanu tehnologiju u oblastima elektronskih kontrolera, upravljanja bez senzora, asinhronih motora i motora sa trajnim magnetima.
Napajanje i kontrola motora
Snaga motora
Kao što je gore spomenuto, DC motori se obično napajaju komutatorima s kliznim prstenom. Komutacija motora na naizmjeničnu struju može se ostvariti pomoću kliznog prstenastog komutatora ili eksterne komutacije, a može biti tipa regulacije fiksne ili promjenjive brzine, a može biti i sinhrone ili asinhrone. Elektromotori opće namjene mogu raditi na izmjeničnu ili istosmjernu struju.
kontrola motora
Podešavanjem istosmjernog napona primijenjenog na terminale, DC motori mogu raditi promjenjivim brzinama.
Motori na izmjeničnu struju, koji obično rade fiksnom brzinom, napajaju se ili direktno iz mreže ili preko soft startera motora.
Motori na izmjeničnu struju koji rade promjenjivom brzinom napajaju se raznim pretvaračima snage, frekventnim pretvaračima ili tehnologijama elektroničkih komutatora.
Pojam elektronski komutator često se povezuje sa samokomutiranim DC motorom bez četkica i aplikacijama s komutiranim reluktantnim motorima.
