snemma rafmótorar
Rafsegultilraunir Faraday, 1821 Fyrstu rafmótorarnir voru einföld rafstöðueiginleikatæki, sem lýst var í tilraunum skoska munksins Andrew Gordon og bandaríska tilraunamannsins Benjamin Franklin á fjórða áratug síðustu aldar. Fræðilega meginreglan á bak við það, lögmál Coulombs, var uppgötvað af Henry Cavendish árið 1771, en hefur ekki enn verið birt. Lögin voru uppgötvað sjálfstætt árið 1785 af Charles-Augustin de Coulomb, sem gaf þau út og er nú víða þekkt og nafn hans. [4] Rafefnafruman [5] sem Alessandro Volta fann upp árið 1799 gerði það mögulegt að mynda samfelldan straum. Eftir uppgötvun þessarar víxlverkunar strauma og segulsviða, þekkt sem rafsegulvíxlverkun eftir Hans Christianrsted árið 1820, urðu miklar framfarir fljótlega. Það tók André-Marie Ampère aðeins nokkrar vikur að þróa fyrstu formúluna fyrir rafsegulsamskipti og leggja fram kraftalögmál Ampère sem lýsir samspili rafstraums og segulsviðs. vélrænni kraftur. Árið 1821 sýndi Michael Faraday áhrif snúningshreyfingar í fyrsta skipti. Fríhangandi vír var dýft í kvikasilfursbað þar sem varanlegur segull (PM) var settur. Þegar straumur fer í gegnum vírinn snýst vírinn um segullinn, sem gefur til kynna að straumurinn skapi þétt hringlaga segulsvið í kringum vírinn. [7] Slíkir mótorar eru venjulega sýndir í eðlisfræðilegum tilraunum þar sem saltvatn kemur í staðinn fyrir (eitrað) kvikasilfur. Hjólin hans Barlows voru snemma framför á þeirri Faraday sýningu, þó að þessir og svipaðir homopolar mótorar hafi ekki hentað til hagnýtrar notkunar fyrr en í lok aldarinnar.
„Rafsegulsnúningur“ eftir Jedlik, 1827 (Museum of Applied Arts, Búdapest). Sögulegir mótorar virka enn vel í dag.
James Joule sýnir Kelvin rafmótor í Hunterian Museum í Glasgow árið 1842
Árið 1827 hóf ungverski eðlisfræðingurinn nyos Jedlik tilraunir með rafsegulspólur. Eftir að Jedlik leysti tæknilega vandamálið með stöðugum snúningi með uppfinningu commutatorsins, kallaði hann snemma tækið sitt „rafsegulsnúning“. Þrátt fyrir að þeir hafi aðeins verið notaðir til kennslu, sýndi Jedrick árið 1828 fyrsta tækið sem innihélt þrjá meginhluta hagnýts DC mótor: stator, snúning og commutator. Tækið notar ekki varanlega segla vegna þess að segulsvið kyrrstæðra og snúnings íhluta myndast aðeins af straumnum sem flæðir í gegnum vafningar þeirra.
DC mótor
Breski vísindamaðurinn William Sturgeon fann upp fyrsta commutator DC mótorinn sem var fær um að snúa vélum árið 1832. Í kjölfar vinnu Sturgeon byggði bandaríski uppfinningamaðurinn Thomas Davenport DC mótor af commutator gerð sem hann fékk einkaleyfi árið 1837. Mótorinn gengur á 600 snúningum á mínútu og afl rafmagnsverkfæri og prentvél. Vegna mikils kostnaðar við frumrafhlöður varð rafmótorinn ekki viðskiptalegur árangur og Davenport varð gjaldþrota. Nokkrir uppfinningamenn fylgdu Sturgeon til að þróa DC mótora, en þeir lentu allir í sama rafhlöðukostnaði. Þar sem ekkert orkudreifingarkerfi var tiltækt á þeim tíma var enginn raunverulegur viðskiptamarkaður fyrir þessa mótora.
Eftir margar aðrar meira og minna árangursríkar tilraunir með tiltölulega veikburða snúnings- og gagnkvæma búnað bjó Prússinn Moritz von Jacobi til fyrsta alvöru snúnings rafmótorinn í maí 1834. Hann framleiðir óvenjulega vélrænni afköst. Mótorhjólið hans setti heimsmet, sem Jacobi bætti fjórum árum síðar í september 1838. Annað mótó hans var nógu öflugt til að keyra 14-mannabát á breiðri á. Einnig árið 1839/40 tókst öðrum verktaki að búa til mótora af svipuðum, þá meiri afköstum.
Árið 1855 smíðaði Jedlik tæki sem var fær um að vinna gagnlegt verk með því að nota meginreglur svipaðar þeim sem rafsegulsnúningur hans notaði. Sama ár smíðaði hann rafbílagerð.
Mikil þáttaskil urðu árið 1864, þegar Antonio Pacinotti lýsti fyrst hringlaga armaturenu (þó hann hafi upphaflega verið hugsaður í DC rafal (þ.e. rafal)). Þessi eiginleiki hefur samhverft flokkaðar spólur sem eru lokaðar hver við aðra og tengdar við stangirnar á commutator þar sem burstar gefa næstum ósveiflukenndan straum. Fyrstu jafnstraumsmótorarnir sem heppnuðust í atvinnuskyni fylgdu þróun Zénobe Gramme, sem árið 1871 fann upp hönnun Pacinotti á ný og tók upp nokkrar af lausnum Werner Siemens.
Ávinningurinn af DC mótornum stafar af afturkræfni mótorsins, sem Siemens tilkynnti árið 1867 og uppgötvaði með athugunum Pacinotti kom til 1869 þegar Graham sannaði það óvart, á heimssýningunni í Vínarborg árið 1873, þegar hann setti tvær. þessi jafnstraumstæki eru í innan við 2 km fjarlægð frá hvort öðru og nota annað þeirra sem rafal og hitt sem rafmótor.
Trommuhringurinn var kynntur árið 1872 af Friedrich von Hefner-Alteneck hjá Siemens og Halske til að koma í stað hringabúnaðar Pacinotti og auka þannig skilvirkni vélarinnar. [6] Lagskiptir snúningar voru kynntir árið eftir af Siemens & Halske, sem leiddi til minnkaðs járntaps og hærri framkallaðrar spennu. Árið 1880 útvegaði Jonas Wenstrm snúningnum raufar til að koma fyrir vafningunum, sem bætti enn frekar skilvirkni.
Árið 1886 fann Frank Julian Sprague upp fyrsta hagnýta DC mótorinn, neistalausan búnað sem hélt tiltölulega jöfnum hraða við breytilegt álag. Um þetta leyti bættu aðrar rafmagnsuppfinningar Sprague afköst dreifingarkerfisins til muna (vinna áður en Thomas Edison tók við), sem gerði rafmagni frá rafmótorum kleift að fara aftur á netið, í gegnum loftvíra og kerrustangir knýja vagnana og veita stýrikerfi fyrir rafmagnsrekstur. Þetta varð til þess að Sprague fann upp fyrsta rafknúna kerrukerfið sem notaði rafmótora í Richmond, Virginíu 1887–88, rafmagnslyftu og stjórnkerfi árið 1892 og rafknúna neðanjarðarlest með sjálfstýrðum miðstýrðum bílum. Hið síðarnefnda var fyrst sett upp í Chicago árið 1892 af South Side Elevated Railroad, þar sem það var í daglegu tali þekkt sem "L". Rafmótor Sprague og tengdar uppfinningar hans vöktu áhuga og fann útbreidda notkun í iðnaðar rafmótorum. Þróun rafmótora með viðunandi skilvirkni hefur tafist í áratugi vegna þess að ekki tókst að viðurkenna mikilvægi loftbilsins milli snúnings og stator. Skilvirk hönnun hefur tiltölulega litla loftbil. Af sömu ástæðu er St. Louis bíllinn, sem lengi hefur verið notaður í kennslustofum til að sýna meginreglur hreyfingar, afar óhagkvæmur og lítur ekki út eins og nútímabíll.
Rafmótorar hafa gjörbylt iðnaðinum. Iðnaðarferli takmarkast ekki lengur af kraftflutningi með öxlum, beltum, þrýstilofti eða vökvakerfi. Þess í stað er hægt að útbúa hverja vél með eigin aflgjafa, sem auðvelt er að stjórna meðan á notkun stendur og bæta skilvirkni aflflutnings. Rafmótorar sem notaðir eru í landbúnaði fjarlægja vöðvaafl manna og dýra frá verkefnum eins og að meðhöndla korn eða dæla vatni. Notkun rafmótora á heimilinu dregur úr miklu vinnuafli á heimilinu og gerir meiri kröfur um þægindi, þægindi og öryggi. Í dag nota rafmótorar meira en helming þess rafmagns sem framleitt er í Bandaríkjunum.
AC mótor
Árið 1824 lagði franski eðlisfræðingurinn Franois Arago til tilvist snúnings segulsviðs, þekktur sem Arago snúningur, með því að handvirkt opna og loka rofa, sem Walter Baily sýndi árið 1879 sem fyrsta frumstæða innleiðslumótorinn. Á níunda áratugnum reyndu margir uppfinningamenn að þróa raunhæfa riðstraumsmótora [31], þar sem kostir riðstraumsmótora í háspennuflutningi yfir langar vegalengdir voru á móti vanhæfni til að keyra á riðstraumsmótorum.
Árið 1885 fann Galileo Ferraris upp fyrsta AC commutatorless örvunarmótorinn. Ferraris bætti fyrstu hönnun sína með því að framleiða fullkomnari einingar árið 1886. Árið 1888 birti Konunglega vísindaakademían í Tórínó ítarlega rannsókn Ferraris á grundvelli reksturs rafmótora, en á þeim tíma komst hún að þeirri niðurstöðu að „tæki byggt á þessi regla getur ekki haft neina viðskiptalega þýðingu sem rafmótor.“
Hugsanleg iðnaðarþróun var hugsuð af Nikola Tesla, sem fann upp sjálfstætt virkjunarmótor sinn árið 1887 og fékk einkaleyfi á honum í maí 1888. Sama ár kynnti Tesla ritgerð sína um AIEE nýs kerfis fyrir AC mótora og spenni eins og lýst er í þrjú einkaleyfi á tveggja fasa gerðum fjögurra stator póla mótora: einn með fjögurra póla snúningi sem myndar ósjálfgangandi tregðumótor og hinn með sára snúðinn er sjálfræsandi örvunarmótor, og þriðja gerðin er sannur samstilltur mótor, sem í sömu röð veitir örvunarjafnstraumafl til snúningsvindanna. Einkaleyfi sem Tesla lagði fram árið 1887 lýsti hins vegar einnig skammhlaupshreyfli. George Westinghouse hafði eignast réttindin frá Ferraris ($1,000) og keypti strax einkaleyfi Tesla ($60,000, auk $2,50 á hvern seldan hestafla bíl þar til 1897 greiddur árið 2010),[32] réð Tesla til að þróa rafmótorinn og fól CF Scott að hjálpa Tesla; Tesla fór hins vegar annars staðar árið 1889. [Óþarfa tilvitnanir] Það kom í ljós að stöðugur hraða AC innleiðslumótor hentaði ekki fyrir strætisvagna,[31] en Westinghouse verkfræðingum tókst að endurnýja hann til að knýja námuvinnslu í Telluride, Colorado árið 1891. [ 53] [54] [55] Westinghouse gerði sér grein fyrir fyrsta hagnýta innleiðslumótornum sínum árið 1892 og þróaði fjölskyldu fjölfasa 60 Hz innleiðslumótora árið 1893, en þessir fyrstu Westinghouse mótorar voru smíðaðir með tvífasa mótorum með vafningum. BG Lamme þróaði í kjölfarið spunastöngina sem var vafið. [45]
Mikhail Dolivo-Dobrovolsky fann upp þriggja fasa örvunarmótorinn árið 1889, sem er bæði íkorna og sára snúningur með ræsibreyti, og árið 1890 fann upp þriggja arma spennirinn. Milli AEG og Maschinenfabrik Oerlikon þróuðu Doliwo-Dobrowolski og Charles Eugene Lancelot Brown stærri gerðir, 20 hestafla íkornabúr og 100 hestafla sára snúð með ræsivari. Þetta voru fyrstu þriggja fasa ósamstilltu mótorarnir sem henta til hagnýtrar notkunar. Winstrom hefur verið að þróa svipaðar þriggja fasa vélar síðan 1889. Á alþjóðlegu raftæknisýningunni í Frankfurt árið 1891 tókst að sýna fyrsta þriggja fasa langlínukerfið. Hann er metinn á 15 kV og nær 175 km frá Laufenfossunum við Neckar. Lauffen rafstöðin samanstendur af 240 kW 86 V 40 Hz rafalli og straumbreyti, en á sýningunni knýr niður spennir 100 hestafla þriggja fasa örvunarmótor sem knýr gervifoss, sem táknar flutning upprunalega spennisins. orkugjafa. ] Þriggja fasa örvun er nú notuð í langflestum viðskiptalegum forritum. Hins vegar hélt hann því fram að rafmótorar Tesla væru óhagkvæmir vegna tveggja fasa púls, sem varð til þess að hann hélt sig við þriggja fasa vinnu sína.
Árið 1891 byrjaði GE að þróa þriggja fasa ósamstillta mótorinn [45] árið 1896, GE og Westinghouse skrifuðu undir krossleyfissamning um hönnun stangarvinda snúningsins, síðar þekktur sem búrsnúinn. Endurbætur á innrennslismótornum komu frá þessum uppfinningum og nýjungum, þannig að 100-hestafla innblástursmótorinn hefur nú sömu uppsettu stærðir og 7.5-hestafla mótorinn frá 1897.
íhlutir
Mótor snúningur (vinstri) og stator (hægri)
Rotor[breyta]
Aðalgrein: Rotor (rafmagn)
Í rafmótor er hreyfanlegur hlutinn snúningurinn, sem snýr bolnum til að senda vélrænan kraft. Hringurinn inniheldur venjulega leiðara sem bera strauma sem hafa samskipti við segulsvið statorsins til að búa til kraft sem snýr skaftinu. Að öðrum kosti bera sumir snúningar varanlega seglum, en statorarnir halda leiðarunum.
fas
Snúinn er studdur af legum sem gera snúningnum kleift að snúast um ás sinn. Legurnar eru aftur á móti studdar af mótorhúsinu. Mótorskaftið nær í gegnum leguna að utan á mótornum, þar sem álagið er beitt. Vegna þess að kraftur álagsins er beitt fyrir utan ystu leguna er álagið hengt upp. [59]
stator
Aðalgrein: Stator
Statorinn er fasti hluti rafsegulrásar mótorsins og samanstendur venjulega af vafningum eða varanlegum seglum. Statorkjarninn samanstendur af mörgum þunnum málmplötum sem kallast laminations. Laminations eru notaðar til að draga úr orkutapi sem myndi hljótast ef notaður væri fastur kjarni.
loftbil
Fjarlægðin milli snúnings og stator er kölluð loftbil. Loftbil hafa veruleg áhrif og eru yfirleitt eins lítil og hægt er, þar sem stór loftbil geta haft mikil neikvæð áhrif á frammistöðu. Það er aðal uppspretta lágs aflsstuðs fyrir mótorrekstur. Örvunarstraumurinn eykst eftir því sem loftbilið eykst. Þess vegna ætti að lágmarka loftbilið. Auk hávaða og taps geta lítil bil einnig valdið vélrænni vandamálum.
Áberandi stöng snúningur
Vinda[breyta]
Aðalgrein: Vinda
Vafningur er vír sem er settur í spólu, venjulega vafið utan um lagskiptan mjúkan járnsegulkjarna, til að mynda póla þegar hann er spenntur.
Mótorar koma í tveimur grunnstillingum sviðsstanga: áberandi og ekki áberandi. Í áberandi pólavél myndast segulsvið pólanna með vafningum sem eru vafðir á pólunum fyrir neðan pólhliðarnar. Í vélum með stöngum sem ekki eru áberandi eða með dreifðum sviðum eða hringlaga snúningsvélum er vafningunum dreift í raufar á stöngum. [60] Mótor með skyggða skaut er með spóluhluta póls sem dregur úr fasa segulsviðs þess póls.
Leiðarar sumra rafmótora samanstanda af þykkari málmi, svo sem málmræmum eða blöðum, venjulega kopar eða áli. Þetta eru venjulega knúin áfram af rafsegulörvun.
commutator
Aðalgrein: Commutator (rafmagn)
Lítill DC mótor fyrir leikföng og commutator hans
Kommutator er vélbúnaður sem notaður er til að skipta um inntak flestra DC mótora og sumra AC mótora. Það samanstendur af rennihringhlutum sem eru einangraðir hver frá öðrum og frá skaftinu. Armature straumur mótorsins er veittur í gegnum kyrrstæða bursta sem eru í snertingu við snúnings kommutatorinn, sem veldur nauðsynlegum straumsnúningi og þegar snúningurinn snýst frá stöng til póls Kveiktu á mótornum á besta mögulega hátt. [61] [62] Ef þessi straumsnúningur er ekki til staðar mun mótorinn hemla til að stöðvast. Ytri breytir örvunar- og varanlegir segulmótorar koma í stað rafvélrænna skipta mótora, í ljósi bættrar tækni á sviði rafeindastýringa, skynjaralausrar stjórnunar, virkjunarmótora og varanlegra segulmótora.
Mótorframboð og eftirlit
Mótorafl
Eins og getið er hér að ofan eru jafnstraumsmótorar venjulega útvegaðir af rennihringum. Hægt er að ná skiptum AC mótorsins með því að nota sleppahringa commutator eða ytri commutation, og það getur verið af föstum hraða eða breytilegum hraðastýringu gerð, og það getur líka verið samstillt eða ósamstilltur gerð. Rafmótorar til almennra nota geta keyrt annað hvort AC eða DC.
mótorstýringu
Með því að stilla DC spennuna sem beitt er á skautanna geta DC mótorar keyrt á breytilegum hraða.
AC mótorar, sem venjulega keyra á föstum hraða, eru knúnir annaðhvort beint frá neti eða í gegnum mjúkræsi mótor.
AC mótorar sem starfa á breytilegum hraða eru knúnir af ýmsum aflspennum, drifum með breytilegum tíðni eða rafrænum commutator tækni.
Hugtakið rafræn commutator er oft tengt við sjálfskipaðan burstalausan DC mótor og kveikt tregðu mótor forrit.
