rané elektromotory
Faradayovy elektromagnetické experimenty, 1821 První elektrické motory byly jednoduché elektrostatické zařízení, popsané v experimentech skotského mnicha Andrewa Gordona a amerického experimentátora Benjamina Franklina ve 40. letech 18. století. Teoretický princip, který za tím stojí, Coulombův zákon, objevil Henry Cavendish v roce 1771, ale dosud nebyl publikován. Zákon objevil nezávisle v roce 1785 Charles-Augustin de Coulomb, který jej zveřejnil a nyní je široce známý a jeho jméno. [4] Elektrochemický článek [5] vynalezený Alessandrem Voltou v roce 1799 umožnil generovat trvalý proud. Po objevu této interakce mezi proudy a magnetickými poli, známé jako elektromagnetická interakce Hansem Christianrstedem v roce 1820, došlo brzy k velkému pokroku. André-Marie Ampèreovi trvalo jen několik týdnů, než vyvinul první vzorec pro elektromagnetickou interakci a navrhl Ampérův silový zákon, který popisuje interakci elektrického proudu a magnetického pole. mechanická síla. V roce 1821 Michael Faraday poprvé prokázal účinky rotačního pohybu. Volně visící drát byl ponořen do rtuťové lázně, kde byl umístěn permanentní magnet (PM). Když drátem prochází proud, drát se otáčí kolem magnetu, což naznačuje, že proud vytváří kolem drátu těsné kruhové magnetické pole. [7] Takové motory jsou obvykle demonstrovány ve fyzikálních experimentech, kde se (toxická) rtuť nahrazuje slanou vodou. Barlowova kola byla raným vylepšením této Faradayovy demonstrace, ačkoli tyto a podobné homopolární motory nebyly vhodné pro praktické použití až do konce století.
"Elektromagnetický samorotor" od Jedlika, 1827 (Muzeum užitého umění, Budapešť). Historické motory fungují dobře i dnes.
James Joule ukazuje Kelvinovi elektrický motor v Hunterian Museum v Glasgow v roce 1842
V roce 1827 začal maďarský fyzik nyos Jedlik experimentovat s elektromagnetickými cívkami. Poté, co Jedlik vyřešil technický problém kontinuální rotace s vynálezem komutátoru, nazval své rané zařízení „elektromagnetický samorotor“. Přestože byly používány pouze pro výuku, v roce 1828 Jedrick předvedl první zařízení obsahující tři hlavní součásti praktického stejnosměrného motoru: stator, rotor a komutátor. Zařízení nepoužívá permanentní magnety, protože magnetická pole stacionárních a rotujících součástí jsou generována pouze proudem procházejícím jejich vinutím.
DC motor
Britský vědec William Sturgeon vynalezl v roce 1832 první komutátorový stejnosměrný motor schopný otáčet strojní zařízení. Po Sturgeonově práci postavil americký vynálezce Thomas Davenport stejnosměrný motor komutátorového typu, který si nechal patentovat v roce 1837. Motor běží rychlostí 600 otáček za minutu a pohání elektrické nářadí a tiskařský lis. Kvůli vysokým nákladům na primární baterie neměl elektromotor komerční úspěch a Davenport zkrachoval. Několik vynálezců následovalo Sturgeona při vývoji stejnosměrných motorů, ale všichni narazili na stejný problém s cenou baterie. Vzhledem k tomu, že v té době nebyl k dispozici žádný systém distribuce energie, neexistoval pro tyto motory žádný skutečný komerční trh.
Po mnoha dalších více či méně úspěšných pokusech s relativně slabými rotačními a vratnými zařízeními vytvořil pruský Moritz von Jacobi v květnu 1834 první skutečný rotační elektromotor. Produkuje mimořádný mechanický výkon. Jeho motocykl vytvořil světový rekord, který Jacobi vylepšil o čtyři roky později v září 1838. Jeho druhá motorka byla dostatečně silná, aby řídila 14-osobní člun na široké řece. Také v letech 1839/40 se dalším vývojářům podařilo vyrobit motory podobného, tehdy vyššího výkonu.
V roce 1855 Jedlik sestrojil zařízení schopné vykonávat užitečnou práci na principech podobných těm, které používal jeho elektromagnetický spin-wing. Téhož roku postavil model elektromobilu.
Zásadní zlom nastal v roce 1864, kdy Antonio Pacinotti poprvé popsal toroidní armaturu (ačkoli byla původně koncipována v stejnosměrném generátoru (tj. generátoru)). Tento prvek má symetricky seskupené cívky, které jsou vzájemně uzavřené a připojené k tyčím komutátoru, jehož kartáče poskytují téměř nekolísavý proud. První komerčně úspěšné stejnosměrné motory navázaly na vývoj Zénobe Gramma, který v roce 1871 znovu objevil Pacinottiho design a přijal některá řešení Wernera Siemense.
Výhody stejnosměrného motoru vyplývají z reverzibility motoru, která byla oznámena společností Siemens v roce 1867 a která byla objevena prostřednictvím Pacinottiho pozorování v roce 1869, kdy to Graham náhodně dokázal na Světové výstavě ve Vídni v roce 1873, když umístil dva tato stejnosměrná zařízení jsou od sebe vzdálena do 2 km, přičemž jedno z nich používá jako generátor a druhé jako elektromotor.
Bubnový rotor byl představen v roce 1872 Friedrichem von Hefner-Alteneckem ze Siemens a Halske, aby nahradil Pacinottiho prstencovou armaturu, čímž se zvýšila efektivita stroje. [6] Vrstvené rotory byly představeny následující rok společností Siemens & Halske, což vedlo ke snížení ztrát železa a vyššímu indukovanému napětí. V roce 1880 Jonas Wenstrm opatřil rotor štěrbinami pro umístění vinutí, což dále zlepšilo účinnost.
V roce 1886 vynalezl Frank Julian Sprague první praktický stejnosměrný motor, bezjiskrové zařízení, které udržovalo relativně konstantní rychlost při proměnlivém zatížení. Přibližně v této době další elektrické vynálezy společnosti Sprague výrazně zlepšily výkon rozvodu energie v rozvodné síti (práce provedená před nástupem Thomase Edisona), což umožnilo, aby se energie z elektromotorů vracela do rozvodné sítě, přes nadzemní dráty a trolejové sloupy napájejí troleje a poskytují řídicí systém pro elektrický provoz. To vedlo Sprague k vynalezení prvního elektrického trolejového systému využívajícího elektromotory v Richmondu ve Virginii v letech 1887–88, elektrického výtahu a řídicího systému v roce 1892 a elektrického metra s nezávisle poháněnými centrálně řízenými vozy. Ten byl poprvé instalován v Chicagu v roce 1892 South Side Elevated Railroad, kde byl hovorově známý jako „L“. Spragueův elektrický motor a jeho příbuzné vynálezy vyvolaly zájem a našly široké použití v průmyslových elektrických motorech. Vývoj elektromotorů s přijatelnou účinností byl zpožděn o desítky let kvůli neschopnosti rozpoznat kritický význam vzduchové mezery mezi rotorem a statorem. Efektivní konstrukce mají relativně malé vzduchové mezery. Ze stejného důvodu je auto St. Louis, dlouho používané ve třídách k ilustraci principů pohybu, extrémně neefektivní a nevypadá jako moderní auto.
Elektromotory způsobily revoluci v oboru. Průmyslové procesy již nejsou omezeny přenosem síly pomocí hřídelí, řemenů, stlačeného vzduchu nebo hydrauliky. Místo toho může být každý stroj vybaven vlastním zdrojem energie, který lze během provozu snadno ovládat a zlepšit účinnost přenosu energie. Elektromotory používané v zemědělství odstraňují lidskou a zvířecí svalovou sílu z úkolů, jako je manipulace s obilím nebo čerpání vody. Použití elektromotorů v domácnosti snižuje náročnou práci v domácnosti a umožňuje vyšší standardy pohodlí, komfortu a bezpečnosti. Elektromotory dnes spotřebují více než polovinu elektřiny vyrobené ve Spojených státech.
AC motor
V roce 1824 navrhl francouzský fyzik Franois Arago existenci rotujícího magnetického pole, známého jako Arago rotace, ručním otevíráním a zavíráním spínače, což Walter Baily předvedl v roce 1879 jako první primitivní indukční motor. Během 80. let 19. století se mnoho vynálezců pokusilo vyvinout životaschopné střídavé motory [31], protože výhody střídavých motorů při přenosu vysokého napětí na dlouhé vzdálenosti byly kompenzovány nemožností provozu na střídavé motory.
V roce 1885 vynalezl Galileo Ferraris první bezkomutátorový indukční motor na střídavý proud. Ferraris vylepšil své první návrhy výrobou pokročilejších jednotek v roce 1886. V roce 1888 Královská akademie věd v Turíně zveřejnila Ferrarisovu podrobnou studii základů pro fungování elektromotorů, ale tehdy došlo k závěru, že „zařízení založené na tento princip nemůže mít žádný komerční význam jako elektromotor."
Možný průmyslový rozvoj vymyslel Nikola Tesla, který vynalezl svůj samostatný indukční motor v roce 1887 a patentoval jej v květnu 1888. Téhož roku Tesla představil svůj článek o AIEE nového systému pro střídavé motory a transformátory, jak je popsáno v tři patenty typů dvoufázových čtyřstatorových pólových motorů: jeden se čtyřpólovým rotorem tvořícím reluktanční motor bez samočinného rozběhu a druhý s vinutým rotorem tvoří samospouštěcí indukční motor a třetí typ je skutečný synchronní motor, který poskytuje buzení stejnosměrným proudem do vinutí rotoru. Patent podaný Teslou v roce 1887 však také popisoval indukční motor s rotorem nakrátko. George Westinghouse získal práva od Ferraris (1 $,000) a okamžitě koupil Teslovy patenty (60 $,000 plus 2,50 $ za prodaný vůz s výkonem do roku 1897, zaplaceno v roce 2010),[32] najal Teslu, aby vyvinout elektrický motor a pověřil CF Scotta, aby pomohl Tesle; nicméně Tesla odešel jinam v roce 1889. [Nadměrné citace] Bylo zjištěno, že indukční motor na střídavý proud s konstantní rychlostí není vhodný pro tramvaje,[31] ale inženýři Westinghouse jej úspěšně dovybavili, aby poháněl důlní provoz v Telluride, Colorado v roce 1891. [ 53][54][55] Westinghouse realizoval svůj první praktický indukční motor v roce 1892 a v roce 1893 vyvinul řadu vícefázových 60 Hz indukčních motorů, ale tyto rané motory Westinghouse byly vyrobeny s dvoufázovým motorem s vinutými rotory. BG Lamme následně vyvinul rotor s navinutým přadlenem. [45]
Michail Dolivo-Dobrovolskij, který vytrvale podporoval vývoj třífázového proudu, vynalezl v roce 1889 třífázový indukční motor, který je typu veverkového i vinutého rotoru se spouštěcím varistorem, a v roce 1890 vynalezl tříramenný transformátor. Mezi AEG a Maschinenfabrik Oerlikon vyvinuli Doliwo-Dobrowolski a Charles Eugene Lancelot Brown větší modely, klec na veverku o výkonu 20 k a vinutý rotor o výkonu 100 k se startovacím varistorem. Jednalo se o první třífázové asynchronní motory vhodné pro praktický provoz. Winstrom vyvíjí podobné třífázové stroje již od roku 1889. Na Mezinárodní elektrotechnické výstavě ve Frankfurtu v roce 1891 byl úspěšně předveden první dálkový třífázový systém. Je dimenzován na 15 kV a táhne se 175 km od vodopádů Laufen na Neckaru. Elektrárna Lauffen se skládá z alternátoru 240 kW 86 V 40 Hz a zvyšovacího transformátoru, zatímco na výstavě klesající transformátor napájí třífázový indukční motor o výkonu 100 hp, který pohání umělý vodopád, představující převod původního transformátoru. Zdroj energie. ] Třífázová indukce se nyní používá v naprosté většině komerčních aplikací. Nicméně tvrdil, že Teslovy elektromotory byly nepraktické kvůli dvoufázovým pulzacím, což ho přimělo držet se své třífázové práce.
V roce 1891 začala GE vyvíjet třífázový asynchronní motor [45], do roku 1896 GE a Westinghouse podepsaly křížovou licenční smlouvu na konstrukci rotoru s tyčovým vinutím, později známého jako klecový rotor. Z těchto vynálezů a inovací vyplynula vylepšení indukčního motoru, takže 100-indukční motor o výkonu má nyní stejné instalované rozměry jako motor o výkonu 7{8}}koň z roku 1897.
komponenty
Rotor motoru (vlevo) a stator (vpravo)
rotor[editovat]
Hlavní článek: Rotor (elektrický)
V elektromotoru je pohyblivou částí rotor, který otáčí hřídelí pro přenos mechanické síly. Rotor obvykle obsahuje vodiče, které přenášejí proudy, které interagují s magnetickým polem statoru a vytvářejí sílu, která otáčí hřídelem. Alternativně některé rotory nesou permanentní magnety, zatímco statory drží vodiče.
ložisko
Rotor je podepřen ložisky, která umožňují rotaci rotoru kolem své osy. Ložiska jsou zase nesena skříní motoru. Hřídel motoru prochází ložiskem na vnější stranu motoru, kde působí zatížení. Protože síla břemene působí mimo vnější ložisko, břemeno je zavěšeno. [59]
stator
Hlavní článek: Stator
Stator je pevnou součástí elektromagnetického obvodu motoru a obvykle se skládá z vinutí nebo permanentních magnetů. Jádro statoru se skládá z mnoha tenkých plechů nazývaných lamely. Laminace se používají ke snížení energetických ztrát, které by vznikly při použití pevného jádra.
vzduchová mezera
Vzdálenost mezi rotorem a statorem se nazývá vzduchová mezera. Vzduchové mezery mají významný vliv a jsou obvykle co nejmenší, protože velké vzduchové mezery mohou mít silný negativní dopad na výkon. Je hlavním zdrojem nízkého účiníku pro provoz motoru. Budicí proud se zvyšuje s rostoucí vzduchovou mezerou. Vzduchová mezera by proto měla být minimalizována. Malé mezery mohou kromě hluku a ztrát způsobovat i mechanické problémy.
Výrazný pólový rotor
Navíjení[upravit]
Hlavní článek: Navíjení
Vinutí je drát umístěný v cívce, obvykle ovinutý kolem laminovaného měkkého feromagnetického jádra, aby vytvořil póly, když je pod napětím.
Motory se dodávají ve dvou základních konfiguracích polních pólů: vyčnívající a nevyčnívající. Ve stroji s vyčnívajícími póly je magnetické pole pólů vytvářeno vinutími navinutými na pólech pod čely pólů. U strojů s nevyčnívajícím pólem nebo s rozloženým polem nebo s kruhovým rotorem jsou vinutí rozmístěna ve štěrbinách na čelní straně pólů. [60] Motor se stínovaným pólem má stočenou část pólu, která zpomaluje fázi magnetického pole tohoto pólu.
Vodiče některých elektromotorů se skládají ze silnějšího kovu, jako jsou kovové pásy nebo plechy, obvykle měď nebo hliník. Ty jsou obvykle poháněny elektromagnetickou indukcí.
komutátor
Hlavní článek: komutátor (elektrický)
Malý stejnosměrný motor na hračky a jeho komutátor
Komutátor je mechanismus používaný ke spínání vstupu většiny stejnosměrných motorů a některých střídavých motorů. Skládá se ze segmentů sběracích kroužků izolovaných od sebe a od hřídele. Proud kotvy motoru je přiváděn přes stacionární kartáče v kontaktu s rotujícím komutátorem, což způsobí požadovanou reverzaci proudu a při otáčení rotoru od pólu k pólu Pohání motor tím nejlepším možným způsobem. [61][62] Při absenci této reverzace proudu se motor zabrzdí až do zastavení. Externě komutované indukční motory a motory s permanentními magnety nahrazují elektromechanické komutované motory, vzhledem k vylepšené technologii v oblasti elektronických regulátorů, bezsenzorového řízení, indukčních motorů a motorů s permanentními magnety.
Napájení a ovládání motoru
Výkon motoru
Jak bylo uvedeno výše, stejnosměrné motory jsou obvykle napájeny komutátory se sběracími kroužky. Komutace střídavého motoru může být dosažena pomocí sběracího kroužkového komutátoru nebo externí komutace, a to může být typu regulace s pevnou rychlostí nebo s proměnnou rychlostí a může být také synchronního nebo asynchronního typu. Elektromotory pro všeobecné použití mohou běžet na střídavý nebo stejnosměrný proud.
ovládání motoru
Úpravou stejnosměrného napětí přivedeného na svorky mohou stejnosměrné motory běžet proměnlivou rychlostí.
Střídavé motory, obvykle běžící pevnou rychlostí, jsou napájeny buď přímo ze sítě nebo přes softstartér motoru.
Střídavé motory pracující s proměnnými otáčkami jsou poháněny různými výkonovými měniči, frekvenčními měniči nebo technologiemi elektronických komutátorů.
Termín elektronický komutátor je často spojován s aplikacemi samokomutovaných bezkomutátorových stejnosměrných motorů a spínaných reluktančních motorů.
