varajased elektrimootorid
Faraday elektromagnetilised katsed, 1821 Esimesed elektrimootorid olid lihtsad elektrostaatilised seadmed, mida kirjeldasid Šoti munk Andrew Gordon ja Ameerika eksperimentaator Benjamin Franklin 1740. aastatel. Selle taga peituva teoreetilise põhimõtte, Coulombi seaduse, avastas Henry Cavendish 1771. aastal, kuid seda pole veel avaldatud. Seaduse avastas iseseisvalt 1785. aastal Charles-Augustin de Coulomb, kes selle avaldas ja on nüüdseks laialt tuntud ja tema nimi. [4] 1799. aastal Alessandro Volta leiutatud elektrokeemiline element [5] võimaldas genereerida pidevat voolu. Pärast voolude ja magnetväljade vahelise interaktsiooni avastamist, mida Hans Christianrsted 1820. aastal tunti elektromagnetilise interaktsioonina, tehti peagi palju edusamme. André-Marie Ampère’il kulus vaid paar nädalat, et töötada välja esimene elektromagnetilise vastastikmõju valem ja välja pakkuda Ampère’i jõuseadus, mis kirjeldab elektrivoolu ja magnetvälja vastastikmõju. mehaaniline jõud. 1821. aastal demonstreeris Michael Faraday esimest korda pöörleva liikumise mõju. Vabalt rippuv traat kasteti elavhõbedavanni, kuhu asetati püsimagnet (PM). Kui vool juhitakse läbi juhtme, pöörleb traat ümber magneti, mis näitab, et vool loob juhtme ümber tiheda ringikujulise magnetvälja. [7] Selliseid mootoreid demonstreeritakse tavaliselt füüsikalistes katsetes, asendades (toksilise) elavhõbeda soolase veega. Barlow rattad olid selle Faraday demonstratsiooni varajane täiustus, kuigi need ja sarnased homopolaarsed mootorid ei sobinud praktiliseks kasutamiseks kuni sajandi lõpuni.
Jedliku "Elektromagnetiline iserootor", 1827 (Tarbekunstimuuseum, Budapest). Ajaloolised mootorid töötavad hästi ka tänapäeval.
James Joule näitab Kelvinile elektrimootorit Glasgow Hunteri muuseumis 1842.
1827. aastal alustas ungari füüsik nyos Jedlik elektromagnetmähistega katsetamist. Pärast seda, kui Jedlik lahendas pideva pöörlemise tehnilise probleemi kommutaatori leiutisega, nimetas ta oma varajast seadet "elektromagnetiliseks iserootoriks". Kuigi neid kasutati ainult õpetamiseks, demonstreeris Jedrick 1828. aastal esimest seadet, mis sisaldas praktilise alalisvoolumootori kolme põhikomponenti: staatorit, rootorit ja kommutaatorit. Püsimagneteid seade ei kasuta, sest statsionaarsete ja pöörlevate komponentide magnetvälju tekitavad ainult nende mähiste kaudu voolav vool.
DC mootor
Briti teadlane William Sturgeon leiutas 1832. aastal esimese kommutaatoriga alalisvoolumootori, mis on võimeline pöörlema masinaid. Pärast Sturgeoni tööd ehitas Ameerika leiutaja Thomas Davenport kommutaatori tüüpi alalisvoolumootori, mille ta patenteeris 1837. aastal. Mootor töötab 600 pööret minutis ja võimsust. elektritööriist ja trükipress. Primaarakude kõrge hinna tõttu ei toonud elektrimootorit äriliselt edu ja Davenport läks pankrotti. Mitmed leiutajad järgisid Sturgeoni alalisvoolumootorite väljatöötamisel, kuid neil kõigil tekkis sama aku kuluprobleem. Kuna tol ajal polnud elektrijaotussüsteemi saadaval, puudus nende mootorite jaoks tegelik turg.
Pärast paljusid teisi enam-vähem edukaid katseid suhteliselt nõrkade pöörlevate ja edasi-tagasi liikuvate seadmetega lõi preislane Moritz von Jacobi mais 1834 esimese tõelise pöörleva elektrimootori. See annab erakordse mehaanilise võimsuse. Tema mootorratas püstitas maailmarekordi, mida Jacobi parandas neli aastat hiljem, septembris 1838. Tema teine moto oli piisavalt võimas, et sõita 14-inimese paadiga laial jõel. Ka aastatel 1839/40 õnnestus teistel arendajatel teha sarnase, siis suurema jõudlusega mootoreid.
1855. aastal ehitas Jedlik seadme, mis on võimeline kasulikku tööd tegema, kasutades põhimõtteid, mis on sarnased tema elektromagnetilise tiivaga. Samal aastal ehitas ta elektriauto mudeli.
Suur pöördepunkt saabus 1864. aastal, kui Antonio Pacinotti kirjeldas esmakordselt toroidaalset armatuuri (kuigi see oli algselt välja töötatud alalisvoolu generaatoris (st generaatoris)). Sellel funktsioonil on sümmeetriliselt rühmitatud mähised, mis on üksteise suhtes suletud ja ühendatud kommutaatori varrastega, mille harjad annavad peaaegu kõikumatu voolu. Esimesed kaubanduslikult edukad alalisvoolumootorid järgnesid Zénobe Gramme'i arendamisele, kes 1871. aastal leiutas uuesti Pacinotti disaini ja võttis kasutusele mõned Werner Siemensi lahendused.
Alalisvoolumootori eelised tulenevad mootori pööratavusest, millest Siemens teatas 1867. aastal ja mille avastas Pacinotti tähelepanekud, jõudis aastani 1869, kui Graham tõestas seda kogemata 1873. aasta Viini maailmanäitusel, kui ta pani kaks need alalisvooluseadmed asuvad üksteisest 2 km raadiuses, kasutades ühte neist generaatorina ja teist elektrimootorina.
Trummelrootori tutvustas 1872. aastal Siemensi ja Halske firma Friedrich von Hefner-Alteneck, et asendada Pacinotti rõngasarmatuur, suurendades sellega masina efektiivsust. [6] Järgmisel aastal tutvustas Siemens & Halske lamineeritud rootoreid, mille tulemusena vähenesid rauakadud ja suurem indutseeritud pinge. 1880. aastal varustas Jonas Wenstrm rootori mähiste mahutamiseks piludega, parandades veelgi tõhusust.
1886. aastal leiutas Frank Julian Sprague esimese praktilise alalisvoolumootori, sädemevaba seadme, mis säilitas muutuva koormuse korral suhteliselt ühtlase kiiruse. Umbes sel ajal parandasid teised Sprague'i elektrileiutised märkimisväärselt võrgu toitejaotuse jõudlust (töö, mis tehti enne Thomas Edisoni ametiaega), võimaldades elektrimootoritelt saadava toite naasmist võrku õhuliinide juhtmete ja kärupostide kaudu, mis toidavad kärusid ja tagavad elektrilise töö juhtimissüsteem. Selle tulemusel leiutas Sprague Virginia osariigis Richmondis aastatel 1887–1888 esimese elektrimootoriga kärusüsteemi, 1892. aastal elektrilifti ja juhtimissüsteemi ning iseseisvalt toitega tsentraalselt juhitavate autodega elektrilise metroo. Viimane paigaldati esmakordselt Chicagos 1892. aastal South Side'i kõrgendatud raudtee poolt, kus see oli kõnekeeles tuntud kui "L". Sprague'i elektrimootor ja sellega seotud leiutised tekitasid huvi ja leidsid laialdast kasutust tööstuslikes elektrimootorites. Vastuvõetava kasuteguriga elektrimootorite väljatöötamine on aastakümneid edasi lükatud, kuna pole teadvustatud rootori ja staatori vahelise õhupilu kriitilist tähtsust. Tõhusatel konstruktsioonidel on suhteliselt väikesed õhuvahed. Samal põhjusel on pikka aega klassiruumides liikumispõhimõtete illustreerimiseks kasutatud St Louisi auto äärmiselt ebaefektiivne ega näe välja nagu tänapäevane auto.
Elektrimootorid on tööstuses revolutsiooni teinud. Tööstuslikke protsesse ei piira enam jõuülekanne võllide, rihmade, suruõhu või hüdraulika abil. Selle asemel saab iga masina varustada oma toiteallikaga, mida saab kasutamise ajal hõlpsasti juhtida ja parandada jõuülekande efektiivsust. Põllumajanduses kasutatavad elektrimootorid eemaldavad inimeste ja loomade lihasjõu sellistest ülesannetest nagu teravilja käitlemine või vee pumpamine. Elektrimootorite kasutamine kodus vähendab rasket tööd kodus ning võimaldab saavutada kõrgemaid mugavuse, mugavuse ja ohutuse standardeid. Tänapäeval tarbivad elektrimootorid üle poole Ameerika Ühendriikides toodetud elektrist.
AC mootor
1824. aastal pakkus prantsuse füüsik Franois Arago välja pöörleva magnetvälja, mida tuntakse Arago pöörlemisena, lüliti käsitsi avamise ja sulgemise teel, mida Walter Baily demonstreeris 1879. aastal kui esimest primitiivset induktsioonmootorit. 1880. aastatel püüdsid paljud leiutajad välja töötada elujõulisi vahelduvvoolumootoreid [31], kuna vahelduvvoolumootorite eelised kõrgepingeülekandes pikkadel vahemaadel kompenseerisid võimetus töötada vahelduvvoolumootoritel.
1885. aastal leiutas Galileo Ferraris esimese vahelduvvoolu kommutaatorita asünkroonmootori. Ferraris täiustas oma esimesi konstruktsioone, valmistades 1886. aastal täiustatud üksusi. 1888. aastal avaldas Torino Kuninglik Teaduste Akadeemia Ferrarisi üksikasjaliku uurimuse elektrimootorite töötamise aluste kohta, kuid jõudis toona järeldusele, et "seade, mis põhineb sellel põhimõttel ei saa olla elektrimootorina kaubanduslikku tähtsust."
Võimalikku tööstuslikku arengut mõtles Nikola Tesla, kes leiutas oma iseseisva asünkroonmootori 1887. aastal ja patenteeris selle mais 1888. Samal aastal esitas Tesla oma artikli AIEE kohta vahelduvvoolumootorite ja trafode uue süsteemi kohta, nagu on kirjeldatud artiklis kolm patenti kahefaasilistele nelja staatori poolusega mootoritüüpidele: üks neljapooluselise rootoriga, mis moodustab mitteisekäivituva reluktantsmootori, ja teine, millel on keritud rootor isekäivitav asünkroonmootor ja kolmas tüüp on tõeline sünkroonmootor, mis annab vastavalt rootori mähistele ergastava alalisvoolu. Tesla poolt 1887. aastal esitatud patent kirjeldas aga ka lühise rootori asünkroonmootorit. George Westinghouse oli omandanud õigused Ferraridelt (1 $,{12}}) ja ostis kohe Tesla patendid (60 $,000 pluss 2,50 dollarit iga 1897. aastani müüdud hobujõulise auto kohta, mis maksti 2010. aastal),[32] palkas Tesla arendada elektrimootorit ja tellida CF Scott Teslat aitama; Tesla lahkus aga 1889. aastal mujale. [Liigsed tsitaadid] Leiti, et konstantse kiirusega vahelduvvoolu asünkroonmootor ei sobinud tänavavagunite jaoks,[31] kuid Westinghouse'i insenerid paigaldasid selle edukalt 1891. aastal Colorados Telluride'is asuva kaevandustegevuse toiteks. 53][54][55] Westinghouse realiseeris oma esimese praktilise asünkroonmootori 1892. aastal ja arendas 1893. aastal välja mitmefaasiliste 60 Hz asünkroonmootorite perekonna, kuid need varajased Westinghouse'i mootorid ehitati kahefaasiliste rootoritega. Seejärel töötas BG Lamme välja pöörleva varda rootori. [45]
Kolmefaasilise arendamise vankumatult edendades leiutas Mihhail Dolivo-Dobrovolsky 1889. aastal kolmefaasilise asünkroonmootori, mis on nii oravarootori kui ka käivitusvaristoriga kerirootori tüüpi, ning 1890. aastal leiutas kolme haruga trafo. AEG ja Maschinenfabrik Oerlikoni vahel töötasid Doliwo-Dobrowolski ja Charles Eugene Lancelot Brown välja suuremad mudelid, 20 hj oravapuuri ja 100 hj keriva rootori koos käivitusvaristoriga. Need olid esimesed praktiliseks tööks sobivad kolmefaasilised asünkroonmootorid. Winstrom on sarnaseid kolmefaasilisi masinaid arendanud aastast 1889. 1891. aastal Frankfurdis toimunud rahvusvahelisel elektrotehnikanäitusel demonstreeriti edukalt esimest pikamaa kolmefaasilist süsteemi. Selle nimipinge on 15 kV ja see ulatub 175 km kaugusele Neckari Laufen Fallsist. Lauffeni elektrijaam koosneb 240 kW 86 V 40 Hz vahelduvvoolugeneraatorist ja astmeline trafo, näitusel aga toidab astmeline trafo 100 hj kolmefaasilist asünkroonmootorit, mis toidab kunstlikku juga. trafo originaalülekanne. energiaallikas. ] Kolmefaasilist induktsiooni kasutatakse nüüd enamikus kommertsrakendustes. Ta väitis aga, et Tesla elektrimootorid olid kahefaasiliste pulsatsioonide tõttu ebapraktilised, mis sunnib teda oma kolmefaasilise töö juurde jääma.
1891. aastal hakkas GE välja töötama kolmefaasilist asünkroonmootorit [45]. 1896. aastaks sõlmisid GE ja Westinghouse ristlitsentsilepingu lattmähisega rootori, hiljem puurootori nime all tuntud konstruktsiooni kohta. Asünkroonmootori täiustused tulenesid nendest leiutistest ja uuendustest, nii et 100-hobujõulisel asünkroonmootoril on nüüd samad paigaldatud mõõtmed kui 1897. aasta 75-hobujõulisel mootoril.
komponendid
Mootori rootor (vasakul) ja staator (paremal)
Rootor[redigeeri]
Peaartikkel: Rootor (elektriline)
Elektrimootoris on liikuvaks osaks rootor, mis mehaanilise jõu edastamiseks pöörab võlli. Rootor sisaldab tavaliselt juhte, mis kannavad voolu, mis interakteerub staatori magnetväljaga, et tekitada võlli pöörav jõud. Teise võimalusena kannavad mõned rootorid püsimagneteid, staatorid aga hoiavad juhte.
laager
Rootorit toetavad laagrid, mis võimaldavad rootoril ümber oma telje pöörata. Laagreid toetab omakorda mootori korpus. Mootori võll ulatub läbi laagri mootori välisküljele, kus rakendatakse koormust. Kuna koormuse jõudu rakendatakse väljaspool välimist laagrit, siis koorem ripub. [59]
staator
Põhiartikkel: Staator
Staator on mootori elektromagnetilise vooluahela fikseeritud osa ja koosneb tavaliselt mähistest või püsimagnetitest. Staatori südamik koosneb paljudest õhukestest metalllehtedest, mida nimetatakse lamineerimiseks. Lamineerimist kasutatakse tahke südamiku kasutamisel tekkivate energiakadude vähendamiseks.
õhuvahe
Rootori ja staatori vahelist kaugust nimetatakse õhupiluks. Õhuvahedel on oluline mõju ja need on tavaliselt võimalikult väikesed, kuna suured õhuvahed võivad jõudlust tugevalt negatiivselt mõjutada. See on mootori töö madala võimsusteguri peamine allikas. Ergastusvool suureneb õhuvahe suurenedes. Seetõttu tuleks õhuvahe minimeerida. Lisaks mürale ja kadudele võivad väikesed vahed põhjustada ka mehaanilisi probleeme.
Silmapaistev poolusrootor
Kerimine[redigeeri]
Põhiartikkel: mähis
Mähis on mähisesse asetatud traat, mis on tavaliselt mähitud ümber lamineeritud pehme ferromagnetilise südamiku, et moodustada pingestatud poolused.
Mootoreid on kahes põhilises väljapooluste konfiguratsioonis: väljapaistvad ja mittesihtkohad. Väljapaistva poolusega masinas luuakse pooluste magnetväli pooluste all olevatele poolustele keritud mähistega. Väljapaistva poolusega või hajutatud väljaga või ümmarguse rootoriga masinates on mähised jaotatud pooluse esipinna piludesse. [60] Varjutatud poolusega mootoril on pooluse mähitud osa, mis aeglustab selle pooluse magnetvälja faasi.
Mõne elektrimootori juhid koosnevad paksemast metallist, näiteks metallribadest või -lehtedest, tavaliselt vasest või alumiiniumist. Neid juhib tavaliselt elektromagnetiline induktsioon.
kommutaator
Põhiartikkel: Kommutaator (elektriline)
Väike alalisvoolumootor mänguasjadele ja selle kommutaator
Kommutaator on mehhanism, mida kasutatakse enamiku alalisvoolumootorite ja mõnede vahelduvvoolumootorite sisendi vahetamiseks. See koosneb üksteisest ja võllist isoleeritud libisemisrõnga segmentidest. Mootori armatuurivool antakse läbi statsionaarsete harjade, mis puutuvad kokku pöörleva kommutaatoriga, mis põhjustab vajaliku voolu ümberpööramise ja kui rootor pöörleb poolusest poolusele, toide mootor parimal võimalikul viisil. [61][62] Selle voolu pööramise puudumisel pidurdab mootor kuni peatumiseni. Arvestades täiustatud tehnoloogiat elektrooniliste kontrollerite, anduriteta juhtimise, asünkroonmootorite ja püsimagnetmootorite valdkonnas, asendavad väliselt kommuteeritud asünkroon- ja püsimagnetmootorid elektromehaanilisi kommuteeritud mootoreid.
Mootori toide ja juhtimine
Mootori võimsus
Nagu eespool mainitud, varustatakse alalisvoolumootoreid tavaliselt libisemisrõnga kommutaatoritega. Vahelduvvoolumootori kommutatsiooni saab saavutada libisemisrõnga kommutaatori või välise kommutaatori abil ning see võib olla fikseeritud või muutuva kiirusega juhtimistüüpi ning see võib olla ka sünkroonne või asünkroonne. Üldotstarbelised elektrimootorid võivad töötada kas vahelduv- või alalisvooluga.
mootori juhtimine
Reguleerides klemmidele rakendatavat alalispinget, saavad alalisvoolumootorid töötada muutuva kiirusega.
Vahelduvvoolumootorid, mis töötavad tavaliselt fikseeritud kiirusel, saavad toite kas otse võrgust või mootori pehmekäiviti kaudu.
Muutuva kiirusega töötavate vahelduvvoolumootorite toiteallikaks on erinevad võimsusmuundurid, muutuva sagedusega ajamid või elektroonilised kommutaatoritehnoloogiad.
Terminit elektrooniline kommutaator seostatakse sageli isekommuteeritavate harjadeta alalisvoolumootori ja lülitatud reluktantsmootori rakendustega.
