tidlige elektriske motorer
Faradays elektromagnetiske eksperimenter, 1821 De første elektriske motorene var enkle elektrostatiske enheter, beskrevet i eksperimenter av den skotske munken Andrew Gordon og den amerikanske eksperimentatoren Benjamin Franklin på 1740-tallet. Det teoretiske prinsippet bak, Coulombs lov, ble oppdaget av Henry Cavendish i 1771, men har ennå ikke blitt publisert. Loven ble oppdaget uavhengig i 1785 av Charles-Augustin de Coulomb, som publiserte den og er nå viden kjent og hans navn. [4] Den elektrokjemiske cellen [5] som ble oppfunnet av Alessandro Volta i 1799 gjorde det mulig å generere en kontinuerlig strøm. Etter oppdagelsen av denne interaksjonen mellom strømmer og magnetiske felt, kjent som den elektromagnetiske interaksjonen av Hans Christianrsted i 1820, ble det snart gjort store fremskritt. Det tok André-Marie Ampère bare noen få uker å utvikle den første formelen for elektromagnetisk interaksjon og å foreslå Ampères kraftlov, som beskriver samspillet mellom elektrisk strøm og magnetfelt. mekanisk kraft. I 1821 demonstrerte Michael Faraday effekten av rotasjonsbevegelse for første gang. En fritthengende ledning ble dyppet i et kvikksølvbad hvor en permanent magnet (PM) ble plassert. Når strøm føres gjennom ledningen, roterer ledningen rundt magneten, noe som indikerer at strømmen skaper et tett sirkulært magnetfelt rundt ledningen. [7] Slike motorer blir vanligvis demonstrert i fysiske eksperimenter, og erstatter saltvann med (giftig) kvikksølv. Barlows hjul var en tidlig forbedring av den Faraday-demonstrasjonen, selv om disse og lignende homopolare motorer ikke var egnet for praktisk bruk før på slutten av århundret.
"Electromagnetic Self-Rotor" av Jedlik, 1827 (Museum of Applied Arts, Budapest). Historiske motorer fungerer fortsatt bra i dag.
James Joule viser Kelvin en elektrisk motor på Hunterian Museum i Glasgow i 1842
I 1827 begynte den ungarske fysikeren nyos Jedlik å eksperimentere med elektromagnetiske spoler. Etter at Jedlik løste det tekniske problemet med kontinuerlig rotasjon med oppfinnelsen av kommutatoren, kalte han sin tidlige enhet en "elektromagnetisk selvrotor." Selv om de bare ble brukt til undervisning, demonstrerte Jedrick i 1828 den første enheten som inneholdt de tre hovedkomponentene i en praktisk likestrømsmotor: statoren, rotoren og kommutatoren. Enheten bruker ikke permanente magneter fordi magnetfeltene til de stasjonære og roterende komponentene kun genereres av strømmen som flyter gjennom viklingene deres.
DC motor
Den britiske forskeren William Sturgeon oppfant den første kommutator-DC-motoren som var i stand til å rotere maskineri i 1832. Etter Sturgeons arbeid bygde den amerikanske oppfinneren Thomas Davenport en DC-motor av kommutator-typen, som han patenterte i 1837. Motoren går med 600 omdreininger i minuttet og gir kraft elektroverktøyet og trykkpressen. På grunn av de høye prisene på primærbatterier ble ikke den elektriske motoren en kommersiell suksess, og Davenport gikk konkurs. Flere oppfinnere fulgte Sturgeon for å utvikle likestrømsmotorer, men de møtte alle det samme batterikostnadsproblemet. Uten noe kraftdistribusjonssystem tilgjengelig på den tiden, var det ikke noe faktisk kommersielt marked for disse motorene.
Etter mange andre mer eller mindre vellykkede forsøk med relativt svake roterende og frem- og tilbakegående innretninger, skapte prøysseren Moritz von Jacobi den første virkelige roterende elektriske motoren i mai 1834. Den gir en ekstraordinær mekanisk effekt. Motorsykkelen hans satte verdensrekord, som Jacobi forbedret fire år senere i september 1838. Hans andre moto var kraftig nok til å kjøre en 14-personbåt på en bred elv. Også i 1839/40 klarte andre utviklere å lage motorer med lignende, da høyere ytelse.
I 1855 bygde Jedlik en enhet som var i stand til å gjøre nyttig arbeid ved å bruke prinsipper som ligner de som ble brukt av hans elektromagnetiske spin-wing. Samme år bygde han en elbilmodell.
Et stort vendepunkt kom i 1864, da Antonio Pacinotti først beskrev det toroidformede ankeret (selv om det opprinnelig ble unnfanget i en likestrømsgenerator (dvs. generator)). Denne funksjonen har symmetrisk grupperte spoler som er lukket for hverandre og koblet til stengene på en kommutator hvis børster gir en nesten ufluktuerende strøm. De første kommersielt vellykkede DC-motorene fulgte utviklingen av Zénobe Gramme, som i 1871 gjenoppfant Pacinottis design og tok i bruk noen av Werner Siemens sine løsninger.
Fordelene til DC-motoren stammer fra reversibiliteten til motoren, som ble annonsert av Siemens i 1867 og oppdaget gjennom Pacinottis observasjoner kom til 1869 da Graham ved et uhell beviste det, på verdensutstillingen i Wien i 1873, da han satte de to. disse DC-enhetene er innenfor 2 km fra hverandre, og bruker den ene som en generator og den andre som en elektrisk motor.
Trommelrotoren ble introdusert i 1872 av Friedrich von Hefner-Alteneck fra Siemens og Halske for å erstatte Pacinottis ringarmatur, og dermed øke maskineffektiviteten. [6] Laminerte rotorer ble introdusert året etter av Siemens & Halske, noe som resulterte i reduserte jerntap og høyere induserte spenninger. I 1880 ga Jonas Wenstrm rotoren med spor for å romme viklingene, noe som forbedret effektiviteten ytterligere.
I 1886 oppfant Frank Julian Sprague den første praktiske DC-motoren, en gnistfri enhet som holdt en relativt konstant hastighet under variabel belastning. Rundt denne tiden forbedret Spragues andre elektriske oppfinnelser kraftdistribusjonsytelsen til nettet (arbeid utført før Thomas Edisons funksjonstid), slik at kraften fra elektriske motorer kunne gå tilbake til nettet, via overliggende ledninger og vognstolper som driver trallene og sørger for kontrollsystem for elektrisk drift. Dette førte til at Sprague oppfant det første elektriske trallesystemet ved bruk av elektriske motorer i Richmond, Virginia i 1887–88, en elektrisk heis og kontrollsystem i 1892, og en elektrisk t-bane med uavhengig drevne sentralstyrte biler. Sistnevnte ble først installert i Chicago i 1892 av South Side Elevated Railroad, hvor den i daglig tale ble kjent som "L". Spragues elektriske motor og dens relaterte oppfinnelser skapte interesse og fant utbredt bruk i industrielle elektriske motorer. Utviklingen av elektriske motorer med akseptabel effektivitet har blitt forsinket i flere tiår på grunn av manglende anerkjennelse av den kritiske betydningen av luftgapet mellom rotoren og statoren. Effektive design har relativt små luftspalter. Av samme grunn er St. Louis-bilen, som lenge har vært brukt i klasserom for å illustrere prinsippene for bevegelse, ekstremt ineffektiv og ser ikke ut som en moderne bil.
Elektriske motorer har revolusjonert industrien. Industrielle prosesser er ikke lenger begrenset av kraftoverføring ved bruk av aksler, belter, trykkluft eller hydraulikk. I stedet kan hver maskin utstyres med sin egen strømkilde, som enkelt kan kontrolleres mens den er i bruk og forbedre kraftoverføringseffektiviteten. Elektriske motorer som brukes i landbruket fjerner muskelkraft fra mennesker og dyr fra oppgaver som å håndtere korn eller pumpe vann. Bruk av elektriske motorer i hjemmet reduserer tungt arbeid i hjemmet og muliggjør høyere standarder for bekvemmelighet, komfort og sikkerhet. I dag bruker elektriske motorer mer enn halvparten av elektrisiteten som produseres i USA.
AC motor
I 1824 foreslo den franske fysikeren Franois Arago eksistensen av et roterende magnetfelt, kjent som Arago-rotasjonen, ved å manuelt åpne og lukke en bryter, som Walter Baily demonstrerte i 1879 som den første primitive induksjonsmotoren. I løpet av 1880-årene forsøkte mange oppfinnere å utvikle levedyktige vekselstrømsmotorer [31], da fordelene med vekselstrømsmotorer i høyspentoverføring over lange avstander ble oppveid av manglende evne til å kjøre på vekselstrømsmotorer.
I 1885 oppfant Galileo Ferraris den første AC-kommutatorløse induksjonsmotoren. Ferraris forbedret sine første design ved å produsere mer avanserte enheter i 1886. I 1888 publiserte Royal Academy of Sciences i Torino Ferraris' detaljerte studie av grunnlaget for driften av elektriske motorer, men konkluderte den gang med at «en enhet basert på Dette prinsippet kan ikke ha noen kommersiell betydning som en elektrisk motor."
Den mulige industrielle utviklingen ble unnfanget av Nikola Tesla, som oppfant sin selvstendige induksjonsmotor i 1887 og patenterte den i mai 1888. Samme år presenterte Tesla sin artikkel om AIEE av et nytt system for AC-motorer og transformatorer som beskrevet i tre patenter av to-fase fire-stator pol motortyper: en med en fire-polet rotor som danner en ikke-selvstartende reluktansmotor, og den andre med Den viklede rotoren utgjør en selvstartende induksjonsmotor, og den tredje typen er en ekte synkronmotor, som henholdsvis gir eksitasjonslikstrøm til rotorviklingene. Imidlertid beskrev et patent innlevert av Tesla i 1887 også en kortslutningsrotorinduksjonsmotor. George Westinghouse hadde kjøpt rettighetene fra Ferraris ($1,000) og kjøpte umiddelbart Teslas patenter ($60,000, pluss $2,50 per solgte hestekrefterbil frem til 1897 betalt i 2010),[32] leide Tesla til å utvikle den elektriske motoren, og ga CF Scott i oppdrag å hjelpe Tesla; Tesla forlot imidlertid andre steder i 1889. [Overdreven referanser] Det ble funnet at AC-induksjonsmotoren med konstant hastighet ikke var egnet for gatebiler,[31] men Westinghouse-ingeniører ettermonterte den for å drive en gruvedrift i Telluride, Colorado i 1891. [ 53][54][55] Westinghouse realiserte sin første praktiske induksjonsmotor i 1892 og utviklet en familie med flerfasede 60 Hz induksjonsmotorer i 1893, men disse tidlige Westinghouse-motorene ble bygget med tofasemotorer med viklede rotorer. BG Lamme utviklet deretter den spinnestangviklede rotoren. [45]
For å fremme utviklingen av trefaset, oppfant Mikhail Dolivo-Dobrovolsky den trefasede induksjonsmotoren i 1889, som er både en ekornrotor og en viklet rotortype med en startvaristor, og i 1890 oppfant trearmstransformatoren. Mellom AEG og Maschinenfabrik Oerlikon utviklet Doliwo-Dobrowolski og Charles Eugene Lancelot Brown større modeller, et 20 hk ekornbur og en 100 hk sårrotor med startvaristor. Dette var de første trefasede asynkronmotorene som var egnet for praktisk drift. Winstrom har utviklet lignende trefasemaskiner siden 1889. På den internasjonale elektrotekniske utstillingen i Frankfurt i 1891 ble det første langdistanse trefasesystemet demonstrert. Den er vurdert til 15 kV og strekker seg 175 km fra Laufen Falls på Neckar. Lauffen kraftstasjon består av en 240 kW 86 V 40 Hz dynamo og en step-up transformator, mens på utstillingen en step-down transformator driver en 100 hk trefase induksjonsmotor som driver en kunstig foss, som representerer den opprinnelige transformatorens overføring. energikilde. ] Tre-fase induksjon brukes nå i de aller fleste kommersielle applikasjoner. Imidlertid hevdet han at Teslas elektriske motorer var upraktiske på grunn av tofasepulsasjoner, noe som fikk ham til å holde seg til trefasearbeidet.
I 1891 begynte GE å utvikle den trefasede asynkronmotoren [45] innen 1896, GE og Westinghouse signerte en krysslisensavtale for utformingen av den stangviklingsrotoren, senere kjent som merdrotoren. Forbedringer av induksjonsmotoren stammet fra disse oppfinnelsene og nyvinningene, slik at 100-hestekrefter induksjonsmotoren nå har de samme installerte dimensjonene som 7.5-hestekreftsmotoren fra 1897.
komponenter
Motorrotor (venstre) og stator (høyre)
Rotor[rediger]
Hovedartikkel: Rotor (elektrisk)
I en elektrisk motor er den bevegelige delen rotoren, som roterer akselen for å overføre mekanisk kraft. Rotoren inneholder vanligvis ledere som fører strømmer som samhandler med statorens magnetfelt for å skape en kraft som roterer akselen. Alternativt har noen rotorer permanentmagneter, mens statorene holder lederne.
peiling
Rotoren er støttet av lagre som lar rotoren rotere rundt sin akse. Lagrene er igjen støttet av motorhuset. Motorakselen strekker seg gjennom lageret til utsiden av motoren, hvor belastningen påføres. Fordi kraften fra lasten påføres utenfor det ytterste lageret, er lasten suspendert. [59]
stator
Hovedartikkel: Stator
Statoren er den faste delen av den elektromagnetiske kretsen til motoren og består vanligvis av viklinger eller permanente magneter. Statorkjernen består av mange tynne metallplater kalt lamineringer. Lamineringer brukes for å redusere energitapene som ville oppstå dersom en solid kjerne ble brukt.
luft mellomrom
Avstanden mellom rotoren og statoren kalles luftgapet. Luftspalter har en betydelig innvirkning og er vanligvis så små som mulig, da store luftspalter kan ha en sterk negativ innvirkning på ytelsen. Det er hovedkilden til lav effektfaktor for motordrift. Eksitasjonsstrømmen øker når luftgapet øker. Derfor bør luftspalten minimeres. I tillegg til støy og tap kan små hull også gi mekaniske problemer.
Fremtredende stangrotor
Winding[rediger]
Hovedartikkel: Vikling
En vikling er en ledning plassert i en spole, vanligvis viklet rundt en laminert myk ferromagnetisk kjerne, for å danne poler når den blir aktivert.
Motorer kommer i to grunnleggende feltpolkonfigurasjoner: fremtredende og ikke-fremspringende. I en maskin med fremtredende poler skapes magnetfeltet til polene av viklinger viklet på polene under polflatene. I ikke-fremspringende pol- eller distribuerte felt- eller sirkulære rotormaskiner er viklingene fordelt i polflatespor. [60] En motor med skyggelagt pol har en kveilet del av en pol som forsinker fasen til magnetfeltet til den polen.
Lederne til noen elektriske motorer består av tykkere metall, for eksempel metallstrimler eller plater, vanligvis kobber eller aluminium. Disse er vanligvis drevet av elektromagnetisk induksjon.
kommutator
Hovedartikkel: Kommutator (elektrisk)
Liten likestrømsmotor for leker og dens kommutator
En kommutator er en mekanisme som brukes til å bytte inngangen til de fleste DC-motorer og noen AC-motorer. Den består av sleperingsegmenter isolert fra hverandre og fra akselen. Motorens ankerstrøm tilføres gjennom stasjonære børster i kontakt med den roterende kommutatoren, noe som forårsaker den nødvendige strømreverseringen og når rotoren roterer fra pol til pol, gir motoren kraft på best mulig måte. [61][62] I fravær av denne strømreverseringen vil motoren bremse til stopp. Eksternt kommuterte induksjons- og permanentmagnetmotorer erstatter elektromekaniske kommuterte motorer, gitt den forbedrede teknologien innen elektroniske kontrollere, sensorløs kontroll, induksjonsmotorer og permanentmagnetmotorer.
Motorforsyning og kontroll
Motor kraft
Som nevnt ovenfor er likestrømsmotorer vanligvis forsynt av sleperingskommutatorer. Kommuteringen av vekselstrømsmotoren kan oppnås ved hjelp av en sleperingskommutator eller ekstern kommutering, og den kan være av en kontrolltype med fast hastighet eller variabel hastighet, og den kan også være en synkron eller asynkron type. Generelle elektriske motorer kan kjøre enten AC eller DC.
Motor kontroll
Ved å justere DC-spenningen på klemmene, kan DC-motorer kjøre med variable hastigheter.
AC-motorer, som vanligvis kjører med fast hastighet, drives enten direkte fra nettet eller gjennom en mykstarter.
Vekselstrømsmotorer som opererer med variabel hastighet drives av forskjellige kraftomformere, frekvensomformere eller elektroniske kommutatorteknologier.
Begrepet elektronisk kommutator er ofte assosiert med selv-kommuterte børsteløs DC-motor og svitsjede reluktansmotorapplikasjoner.
