با تاریخچه موتورهای الکتریکی آشنا شوید

موتورهای الکتریکی اولیه

آزمایش‌های الکترومغناطیسی فارادی، 1821 اولین موتورهای الکتریکی دستگاه‌های الکترواستاتیک ساده‌ای بودند که در آزمایش‌هایی توسط راهب اسکاتلندی اندرو گوردون و آزمایش‌گر آمریکایی بنجامین فرانکلین در دهه 1740 توصیف شدند. اصل نظری پشت آن، قانون کولمب، توسط هنری کاوندیش در سال 1771 کشف شد، اما هنوز منتشر نشده است. این قانون به طور مستقل در سال 1785 توسط چارلز آگوستین دو کولن کشف شد که آن را منتشر کرد و اکنون به طور گسترده ای و نام او شناخته شده است. [4] سلول الکتروشیمیایی [5] که توسط الساندرو ولتا در سال 1799 اختراع شد، تولید جریان پیوسته را ممکن کرد. پس از کشف این برهمکنش بین جریان ها و میدان های مغناطیسی، که به عنوان برهم کنش الکترومغناطیسی توسط هانس کریستینرستد در سال 1820 شناخته شد، به زودی پیشرفت های زیادی حاصل شد. آندره ماری آمپر تنها چند هفته طول کشید تا اولین فرمول برای برهمکنش الکترومغناطیسی را بسازد و قانون نیروی آمپر را که برهمکنش جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی را توصیف می‌کند، پیشنهاد کند. نیروی مکانیکی در سال 1821، مایکل فارادی برای اولین بار اثرات حرکت چرخشی را نشان داد. یک سیم آویزان آزاد در حمام جیوه ای که در آن یک آهنربای دائمی (PM) قرار داده شده بود غوطه ور شد. هنگامی که جریان از سیم عبور می کند، سیم به دور آهنربا می چرخد، که نشان می دهد جریان یک میدان مغناطیسی دایره ای محکم در اطراف سیم ایجاد می کند. [7] چنین موتورهایی معمولاً در آزمایش‌های فیزیکی نشان داده می‌شوند که آب نمک را جایگزین جیوه (سمی) می‌کنند. چرخ های بارلو پیشرفت اولیه در آن نمایش فارادی بود، اگرچه این موتورها و موتورهای مشابه هم قطبی تا پایان قرن برای استفاده عملی مناسب نبودند.

"خودروتور الکترومغناطیسی" اثر جدلیک، 1827 (موزه هنرهای کاربردی، بوداپست). موتورهای تاریخی هنوز هم امروز به خوبی کار می کنند.

جیمز ژول در حال نشان دادن یک موتور الکتریکی به کلوین در موزه هانتری در گلاسکو در سال 1842

در سال 1827، فیزیکدان مجارستانی، نیوس جدلیک، شروع به آزمایش با سیم پیچ های الکترومغناطیسی کرد. بعد از اینکه جدلیک با اختراع کموتاتور مشکل فنی چرخش مداوم را حل کرد، دستگاه اولیه خود را «خودروتور الکترومغناطیسی» نامید. اگرچه آنها فقط برای آموزش استفاده می شدند، اما در سال 1828 جدریک اولین وسیله ای را نشان داد که شامل سه جزء اصلی یک موتور DC عملی است: استاتور، روتور و کموتاتور. این دستگاه از آهنرباهای دائمی استفاده نمی کند زیرا میدان های مغناطیسی اجزای ثابت و دوار تنها توسط جریان عبوری از سیم پیچ های آنها ایجاد می شود.

موتور DC

دانشمند بریتانیایی ویلیام استورجن اولین موتور کموتاتور DC با قابلیت چرخش ماشین آلات را در سال 1832 اختراع کرد. به دنبال کار استورجن، مخترع آمریکایی توماس داونپورت یک موتور DC از نوع کموتاتور ساخت که در سال 1837 ثبت اختراع کرد. موتور با سرعت 600 دور در دقیقه و قدرت کار می کند. ابزار برقی و ماشین چاپ به دلیل هزینه بالای باتری های اولیه، موتور الکتریکی موفقیت تجاری نداشت و داونپورت ورشکست شد. مخترعان متعددی استورجن را برای توسعه موتورهای DC دنبال کردند، اما همه آنها با یک مشکل هزینه باتری مواجه شدند. با نبود سیستم توزیع برق در آن زمان، هیچ بازار تجاری واقعی برای این موتورها وجود نداشت.

پس از بسیاری از تلاش‌های کم و بیش موفق دیگر با دستگاه‌های چرخشی و رفت و برگشتی نسبتاً ضعیف، موریتز فون جاکوبی پروسی اولین موتور الکتریکی دوار واقعی را در می 1834 ایجاد کرد. این موتور خروجی مکانیکی خارق‌العاده‌ای تولید می‌کند. موتور سیکلت او یک رکورد جهانی را به نام خود ثبت کرد، که ژاکوبی چهار سال بعد در سپتامبر 1838 آن را بهبود بخشید. موتور دوم او به اندازه کافی قدرتمند بود که یک قایق 14-نفر را بر روی رودخانه وسیعی راند. همچنین در سال 1839/40، توسعه دهندگان دیگر موفق به ساخت موتورهایی با عملکرد مشابه و سپس بالاتر شدند.

در سال 1855، جدلیک دستگاهی ساخت که قادر بود کارهای مفیدی را با استفاده از اصولی مشابه آنچه توسط بال چرخشی الکترومغناطیسی خود استفاده می‌کرد، انجام دهد. در همان سال یک مدل ماشین الکتریکی ساخت.

یک نقطه عطف بزرگ در سال 1864 رخ داد، زمانی که آنتونیو پاچینوتی برای اولین بار آرمیچر حلقوی را توصیف کرد (اگرچه در ابتدا در یک ژنراتور DC (یعنی ژنراتور) تصور شد). این ویژگی دارای سیم پیچ های متقارن گروه بندی شده ای است که به یکدیگر بسته شده و به میله های یک کموتاتور متصل می شوند که برس های آن جریان تقریباً بدون نوسانی را ارائه می دهند. اولین موتورهای DC موفق تجاری به دنبال توسعه Zénobe Gramme بود که در سال 1871 طرح پاچینوتی را دوباره اختراع کرد و برخی از راه حل های ورنر زیمنس را پذیرفت.

مزایای موتور DC از برگشت پذیری موتور ناشی می شود که توسط زیمنس در سال 1867 اعلام شد و از طریق مشاهدات پاچینوتی کشف شد در سال 1869 زمانی که گراهام به طور تصادفی آن را ثابت کرد، در نمایشگاه جهانی وین در سال 1873، زمانی که او این دو را قرار داد. این دستگاه های DC در فاصله 2 کیلومتری از یکدیگر قرار دارند و از یکی به عنوان ژنراتور و دیگری به عنوان موتور الکتریکی استفاده می کنند.

روتور درام در سال 1872 توسط فردریش فون هفنر-آلتنک از زیمنس و هالسکه برای جایگزینی آرمیچر حلقه پاچینوتی معرفی شد و در نتیجه کارایی ماشین را افزایش داد. [6] روتورهای چند لایه در سال بعد توسط زیمنس و هالسکه معرفی شدند که منجر به کاهش تلفات آهن و ولتاژهای القایی بالاتر شد. در سال 1880، Jonas Wenstrm روتور را با شکاف‌هایی برای قرار دادن سیم‌پیچ‌ها فراهم کرد که باعث بهبود بیشتر کارایی شد.

در سال 1886، فرانک جولیان اسپراگ اولین موتور عملی DC را اختراع کرد، یک دستگاه بدون جرقه که سرعت نسبتاً ثابتی را تحت بارهای متغیر حفظ می کرد. تقریباً در این زمان، سایر اختراعات الکتریکی اسپراگ عملکرد توزیع برق شبکه را بسیار بهبود بخشید (کار انجام شده قبل از تصدی توماس ادیسون)، به برق موتورهای الکتریکی اجازه بازگشت به شبکه، از طریق سیم های بالای سر و تیرهای چرخ دستی، چرخ دستی ها را تامین می کند. سیستم کنترل برای عملیات الکتریکی این امر باعث شد که اسپراگ اولین سیستم واگن برقی را با استفاده از موتورهای الکتریکی در ریچموند، ویرجینیا در سال‌های 1887-1888، یک آسانسور برقی و سیستم کنترل در سال 1892 و یک متروی برقی با ماشین‌های کنترل مرکزی مستقل و مستقل اختراع کند. دومی برای اولین بار در شیکاگو در سال 1892 توسط راه‌آهن مرتفع ساوث ساید نصب شد، جایی که در محاوره‌ای به عنوان "L" شناخته می‌شد. موتور الکتریکی اسپراگ و اختراعات مربوط به آن مورد توجه قرار گرفت و کاربرد گسترده ای در موتورهای الکتریکی صنعتی پیدا کرد. توسعه موتورهای الکتریکی با راندمان قابل قبول به دلیل عدم درک اهمیت حیاتی شکاف هوا بین روتور و استاتور برای چندین دهه به تعویق افتاده است. طرح های کارآمد دارای شکاف های هوایی نسبتاً کوچکی هستند. به همین دلیل، ماشین سنت لوئیس که مدت‌ها در کلاس‌های درس برای نشان دادن اصول حرکت استفاده می‌شد، بسیار ناکارآمد است و شبیه خودروهای مدرن به نظر نمی‌رسد.

موتورهای الکتریکی صنعت را متحول کرده است. فرآیندهای صنعتی دیگر با انتقال نیرو با استفاده از شفت، تسمه، هوای فشرده یا هیدرولیک محدود نمی شوند. در عوض، هر دستگاه را می توان به منبع انرژی خود مجهز کرد که می تواند به راحتی در حین استفاده کنترل شود و کارایی انتقال نیرو را بهبود بخشد. موتورهای الکتریکی مورد استفاده در کشاورزی قدرت ماهیچه های انسان و حیوان را از کارهایی مانند حمل غلات یا پمپاژ آب حذف می کنند. استفاده از موتورهای الکتریکی در خانه کار سنگین را در خانه کاهش می دهد و استانداردهای بالاتری از راحتی، راحتی و ایمنی را ممکن می سازد. امروزه موتورهای الکتریکی بیش از نیمی از برق تولید شده در ایالات متحده را مصرف می کنند.

موتور AC

در سال 1824، فیزیکدان فرانسوی، فرانوا آراگو، وجود یک میدان مغناطیسی دوار به نام چرخش آراگو را با باز و بسته کردن دستی یک کلید پیشنهاد کرد که والتر بیلی در سال 1879 به عنوان اولین موتور القایی اولیه نشان داد. در طول دهه 1880، بسیاری از مخترعان تلاش کردند تا موتورهای AC قابل دوام را توسعه دهند [31]، زیرا مزایای موتورهای AC در انتقال ولتاژ بالا در فواصل طولانی با ناتوانی در کارکردن با موتورهای AC جبران شد.

در سال 1885، گالیله فراریس اولین موتور القایی بدون کموتاتور AC را اختراع کرد. فراریس اولین طرح های خود را با تولید واحدهای پیشرفته تر در سال 1886 بهبود بخشید. در سال 1888، آکادمی سلطنتی علوم در تورین مطالعه دقیق فراریس را در مورد اساس کار موتورهای الکتریکی منتشر کرد، اما در آن زمان به این نتیجه رسید که "دستگاهی بر اساس این اصل نمی تواند به عنوان یک موتور الکتریکی اهمیت تجاری داشته باشد.

توسعه صنعتی ممکن توسط نیکولا تسلا تصور شد، که موتور القایی خود را در سال 1887 اختراع کرد و آن را در ماه مه 1888 ثبت کرد. در همان سال، تسلا مقاله خود را در مورد AIEE یک سیستم جدید برای موتورهای AC و ترانسفورماتورها ارائه کرد. سه اختراع از انواع موتورهای چهار قطبی دو فاز: یکی با روتور چهار قطبی که یک موتور رلوکتانسی غیر خود راه انداز را تشکیل می دهد و دیگری با روتور زخمی یک موتور القایی خود راه انداز را تشکیل می دهد و نوع سوم یک موتور سنکرون واقعی، که به ترتیب توان DC تحریک را برای سیم پیچ های روتور فراهم می کند. با این حال، اختراعی که توسط تسلا در سال 1887 ثبت شد، موتور القایی روتور اتصال کوتاه را نیز توصیف کرد. جورج وستینگهاوس حقوق را از فراری (1 دلار،000) به دست آورده بود و بلافاصله اختراعات تسلا (60 دلار،{14}}، به اضافه 2.50 دلار به ازای هر ماشین اسب بخار فروخته شده تا سال 1897 که در سال 2010 پرداخت شد) را خریداری کرد،[32] تسلا را استخدام کرد تا موتور الکتریکی را توسعه داد و سی اف اسکات را برای کمک به تسلا مأمور کرد. با این حال، تسلا در سال 1889 جای دیگری را ترک کرد. [استنادات بیش از حد] مشخص شد که موتور القایی AC با سرعت ثابت برای ترامواها مناسب نیست، [31] اما مهندسان وستینگهاوس با موفقیت آن را برای نیرو بخشیدن به یک عملیات معدنی در تلوراید، کلرادو در سال 1891 بازسازی کردند. 53][54][55] وستینگهاوس اولین موتور القایی عملی خود را در سال 1892 کشف کرد و خانواده ای از موتورهای القایی 60 هرتز چند فازی را در سال 1893 توسعه داد، اما این موتورهای اولیه وستینگهاوس با روتورهای دوفاز زخمی ساخته شدند. BG Lamme متعاقباً روتور زخمی میله نخ ریسی را توسعه داد. [45]

میخائیل دولیوو-دوبروولسکی در سال 1889 موتور القایی سه فاز را اختراع کرد که هم از نوع روتور سنجابی و هم از نوع روتور زخمی با وریستور راه اندازی است و در سال 1890 ترانسفورماتور سه بازویی را اختراع کرد. بین AEG و Maschinenfabrik Oerlikon، Doliwo-Dobrowolski و Charles Eugene Lancelot Brown مدل های بزرگتر، قفس سنجاب 20 اسب بخار و روتور زخمی 100 اسب بخار با وریستور راه اندازی را توسعه دادند. اینها اولین موتورهای سه فاز ناهمزمان مناسب برای عملکرد عملی بودند. Winstrom از سال 1889 ماشین های سه فاز مشابهی را توسعه داده است. در نمایشگاه بین المللی الکتروتکنیک در فرانکفورت در سال 1891، اولین سیستم سه فاز مسافت طولانی با موفقیت نشان داده شد. این ولتاژ 15 کیلو ولت است و 175 کیلومتر از آبشار لاوفن در نکار امتداد دارد. نیروگاه لاوفن شامل یک دینام 240 کیلووات 86 ولتاژ 40 هرتز و یک ترانسفورماتور افزایش دهنده است، در حالی که در نمایشگاه یک ترانسفورماتور کاهنده به یک موتور القایی سه فاز 100 اسب بخار نیرو می دهد که یک آبشار مصنوعی را به نمایش می گذارد. انتقال ترانسفورماتور اصلی منبع انرژی. القایی سه فاز اکنون در اکثر برنامه های تجاری استفاده می شود. با این حال، او ادعا کرد که موتورهای الکتریکی تسلا به دلیل ضربان‌های دو فاز غیرعملی هستند و او را وادار کرد تا به کار سه فاز خود پایبند بماند.

در سال 1891، GE شروع به توسعه موتور سه فاز ناهمزمان کرد [45] تا سال 1896، GE و Westinghouse یک قرارداد مجوز متقابل برای طراحی روتور سیم پیچ میله امضا کردند که بعدها به عنوان روتور قفس شناخته شد. بهبود موتور القایی از این اختراعات و ابداعات ناشی می شود، به طوری که 100-موتور القایی اسب بخار اکنون همان ابعاد نصب شده موتور 7.{8}} اسب بخاری 1897 را دارد.

اجزاء

روتور موتور (چپ) و استاتور (راست)

روتور[ویرایش]

نوشتار اصلی: روتور (الکتریکی)

در موتور الکتریکی، قسمت متحرک روتور است که شفت را برای انتقال نیروی مکانیکی می چرخاند. روتور معمولاً حاوی هادی هایی است که جریان هایی را حمل می کنند که با میدان مغناطیسی استاتور تعامل می کنند و نیرویی ایجاد می کنند که شفت را می چرخاند. روش دیگر، برخی از روتورها دارای آهنرباهای دائمی هستند، در حالی که استاتورها هادی ها را نگه می دارند.

یاتاقان

روتور توسط یاتاقان هایی پشتیبانی می شود که به روتور اجازه می دهد حول محور خود بچرخد. یاتاقان ها به نوبه خود توسط محفظه موتور پشتیبانی می شوند. شفت موتور از طریق یاتاقان به سمت خارج موتور، جایی که بار اعمال می شود، گسترش می یابد. از آنجایی که نیروی بار خارج از بیرونی ترین یاتاقان اعمال می شود، بار معلق می شود. [59]

استاتور

نوشتار اصلی: استاتور

استاتور قسمت ثابت مدار الکترومغناطیسی موتور است و معمولاً از سیم پیچی یا آهنرباهای دائمی تشکیل شده است. هسته استاتور از بسیاری از ورقه های فلزی نازک به نام ورقه ورقه تشکیل شده است. لمینیت ها برای کاهش تلفات انرژی که در صورت استفاده از یک هسته جامد ایجاد می شود، استفاده می شود.

فاصله هوا

فاصله بین روتور و استاتور را شکاف هوا می گویند. شکاف های هوایی تأثیر قابل توجهی دارند و معمولاً تا حد امکان کوچک هستند، زیرا شکاف های هوای بزرگ می توانند تأثیر منفی شدیدی بر عملکرد داشته باشند. این منبع اصلی ضریب توان کم برای عملکرد موتور است. با افزایش شکاف هوا، جریان تحریک افزایش می یابد. بنابراین، شکاف هوا باید به حداقل برسد. علاوه بر صدا و تلفات، شکاف های کوچک نیز می تواند باعث مشکلات مکانیکی شود.

روتور قطب برجسته

سیم پیچ[ویرایش]

نوشتار اصلی: سیم پیچی

سیم پیچ سیمی است که در یک سیم پیچ قرار می گیرد و معمولاً به دور یک هسته فرومغناطیسی نرم چند لایه پیچیده می شود تا در هنگام برق انداختن قطب ها تشکیل شود.

موتورها در دو پیکربندی پایه میدان اصلی وجود دارند: برجسته و غیر برجسته. در ماشین‌های قطب برجسته، میدان مغناطیسی قطب‌ها توسط سیم‌پیچ‌هایی که روی قطب‌های زیر سطح قطب‌ها پیچیده شده‌اند، ایجاد می‌شود. در ماشین‌های غیر برجسته قطب یا میدان توزیع شده یا روتور دایره‌ای، سیم‌پیچ‌ها در شکاف‌های صورت قطب توزیع می‌شوند. [60] یک موتور قطب سایه دار دارای بخش سیم پیچی از یک قطب است که فاز میدان مغناطیسی آن قطب را به تاخیر می اندازد.

رسانای برخی از موتورهای الکتریکی از فلز ضخیم تری مانند نوارها یا ورق های فلزی، معمولاً مس یا آلومینیوم تشکیل شده است. اینها معمولاً توسط القای الکترومغناطیسی هدایت می شوند.

کموتاتور

نوشتار اصلی: کموتاتور (برق)

موتور DC کوچک برای اسباب بازی ها و کموتاتور آن

کموتاتور مکانیزمی است که برای تعویض ورودی اکثر موتورهای DC و برخی از موتورهای AC استفاده می شود. این شامل بخش های حلقه لغزنده است که از یکدیگر و از شفت عایق شده اند. جریان آرمیچر موتور از طریق برس های ثابت در تماس با کموتاتور چرخان تامین می شود که باعث برگشت جریان مورد نیاز می شود و با چرخش روتور از قطب به قطب دیگر موتور را به بهترین شکل ممکن نیرو می دهد. [61] [62] در غیاب این معکوس جریان، موتور تا توقف ترمز می کند. موتورهای القایی و مغناطیس دائم با کموتاسیون خارجی با توجه به فناوری بهبود یافته در زمینه کنترل‌کننده‌های الکترونیکی، کنترل بدون سنسور، موتورهای القایی و موتورهای آهنربای دائم جایگزین موتورهای کموتاسیون الکترومکانیکی می‌شوند.

تامین و کنترل موتور

قدرت موتور

همانطور که در بالا ذکر شد، موتورهای DC معمولاً توسط کموتاتورهای حلقه لغزشی عرضه می شوند. کموتاسیون موتور AC را می توان با استفاده از کموتاتور حلقه لغزنده یا کموتاسیون خارجی به دست آورد و می تواند از نوع کنترل سرعت ثابت یا با سرعت متغیر باشد و همچنین می تواند از نوع سنکرون یا ناهمزمان باشد. موتورهای الکتریکی عمومی می توانند AC یا DC کار کنند.

کنترل موتور

با تنظیم ولتاژ DC اعمال شده به پایانه ها، موتورهای DC می توانند با سرعت های متغیر کار کنند.

موتورهای AC که معمولاً با سرعت ثابت کار می کنند، مستقیماً از شبکه یا از طریق استارت نرم موتور تغذیه می شوند.

موتورهای AC که با سرعت متغیر کار می کنند توسط اینورترهای مختلف قدرت، درایوهای فرکانس متغیر یا فناوری های کموتاتور الکترونیکی تغذیه می شوند.

اصطلاح کموتاتور الکترونیکی اغلب با موتورهای DC بدون جاروبک خودکار و کاربردهای موتور رلوکتانس سوئیچ شده مرتبط است.