erken elektrik motorları
Faraday'ın elektromanyetik deneyleri, 1821 İlk elektrik motorları, 1740'larda İskoç keşiş Andrew Gordon ve Amerikalı deneyci Benjamin Franklin tarafından yapılan deneylerde açıklanan basit elektrostatik cihazlardı. Bunun arkasındaki teorik ilke olan Coulomb yasası, 1771'de Henry Cavendish tarafından keşfedildi, ancak henüz yayınlanmadı. Yasa bağımsız olarak 1785'te Charles-Augustin de Coulomb tarafından keşfedildi, onu yayınlayan ve şimdi yaygın olarak biliniyor ve adı. [4] Alessandro Volta tarafından 1799'da icat edilen elektrokimyasal hücre [5] sürekli bir akım üretmeyi mümkün kıldı. 1820'de Hans Christianrsted tarafından elektromanyetik etkileşim olarak bilinen akımlar ve manyetik alanlar arasındaki bu etkileşimin keşfinden sonra, kısa sürede çok ilerleme kaydedildi. André-Marie Ampère'in elektromanyetik etkileşim için ilk formülü geliştirmesi ve elektrik akımı ile manyetik alanın etkileşimini tanımlayan Ampère'in kuvvet yasasını önermesi sadece birkaç hafta sürdü. mekanik kuvvet. 1821'de Michael Faraday, dönme hareketinin etkilerini ilk kez gösterdi. Serbest asılı bir tel, kalıcı bir mıknatısın (PM) yerleştirildiği bir cıva banyosuna daldırıldı. Telden akım geçtiğinde, tel mıknatısın etrafında döner, bu da akımın telin etrafında sıkı dairesel bir manyetik alan oluşturduğunu gösterir. [7] Bu tür motorlar genellikle (toksik) cıva yerine tuzlu su kullanılarak yapılan fiziksel deneylerde gösterilmiştir. Barlow'un tekerlekleri, bu ve benzeri homopolar motorlar yüzyılın sonuna kadar pratik kullanım için uygun olmasa da, Faraday gösteriminde erken bir gelişmeydi.
"Elektromanyetik Kendinden Rotor", Jedlik, 1827 (Uygulamalı Sanatlar Müzesi, Budapeşte). Tarihi motorlar bugün hala iyi çalışıyor.
James Joule, Kelvin'i Glasgow'daki Hunterian Müzesi'nde 1842'de bir elektrik motorunu gösteriyor.
1827'de Macar fizikçi nyos Jedlik, elektromanyetik bobinlerle deneyler yapmaya başladı. Jedlik, komütatörün icadıyla sürekli dönme teknik problemini çözdükten sonra, ilk cihazına "elektromanyetik kendinden rotorlu" adını verdi. Sadece öğretmek için kullanılsalar da, 1828'de Jedrick, pratik bir DC motorun üç ana bileşenini içeren ilk cihazı gösterdi: stator, rotor ve komütatör. Cihaz, sabit ve dönen bileşenlerin manyetik alanları yalnızca sargılarından geçen akım tarafından üretildiğinden kalıcı mıknatıs kullanmaz.
DC motoru
İngiliz bilim adamı William Sturgeon, 1832'de makineleri döndürebilen ilk komütatör DC motorunu icat etti. Sturgeon'un çalışmasının ardından Amerikalı mucit Thomas Davenport, 1837'de patentini aldığı komütatör tipi bir DC motor yaptı. Motor dakikada 600 devirde çalışır ve güç sağlar. elektrikli alet ve matbaa. Birincil pillerin yüksek maliyeti nedeniyle, elektrik motoru ticari bir başarı elde edemedi ve Davenport iflas etti. Birkaç mucit DC motor geliştirmek için Sturgeon'u takip etti, ancak hepsi aynı pil maliyeti sorunuyla karşılaştı. O zamanlar güç dağıtım sistemi bulunmadığından, bu motorlar için gerçek bir ticari pazar yoktu.
Nispeten zayıf dönen ve ileri geri hareket eden cihazlarla az çok başarılı denemelerden sonra, Prusyalı Moritz von Jacobi, Mayıs 1834'te ilk gerçek dönen elektrik motorunu yarattı. Olağanüstü bir mekanik çıktı üretir. Motosikleti, dört yıl sonra Eylül 1838'de Jacobi'nin geliştirdiği bir dünya rekoru kırdı. İkinci motoru, geniş bir nehirde 14-kişilik bir tekneyi sürmek için yeterince güçlüydü. Ayrıca 1839/40'ta, diğer geliştiriciler benzer motorları, ardından daha yüksek performansları yapmayı başardılar.
1855'te Jedlik, elektromanyetik spin-wing tarafından kullanılanlara benzer prensipleri kullanarak faydalı işler yapabilen bir cihaz yaptı. Aynı yıl bir elektrikli araba modeli yaptı.
Antonio Pacinotti'nin toroidal armatürü (başlangıçta bir DC jeneratöründe (yani jeneratör) tasarlanmış olmasına rağmen) ilk tanımladığı 1864'te önemli bir dönüm noktası geldi. Bu özellik, simetrik olarak gruplandırılmış, birbirine kapalı ve fırçaları hemen hemen dalgalanmasız bir akım sağlayan bir komütatörün çubuklarına bağlı bobinlere sahiptir. İlk ticari olarak başarılı DC motorlar, 1871'de Pacinotti'nin tasarımını yeniden icat eden ve Werner Siemens'in çözümlerinden bazılarını benimseyen Zénobe Gramme'nin gelişimini takip etti.
DC motorun faydaları, Siemens tarafından 1867'de açıklanan ve Pacinotti'nin gözlemleriyle keşfedilen motorun tersinirliğinden kaynaklanmaktadır. Bu DC cihazları, birini jeneratör, diğerini elektrik motoru olarak kullanan, birbirine 2 km uzaklıktadır.
Tambur rotor, 1872'de Siemens ve Halske'den Friedrich von Hefner-Alteneck tarafından Pacinotti'nin halka armatürünün yerini almak üzere tanıtıldı ve böylece makine verimliliği arttı. [6] Ertesi yıl Siemens & Halske tarafından lamine rotorlar tanıtıldı, bu da demir kayıplarının azalmasına ve daha yüksek indüklenen voltajlara neden oldu. 1880'de Jonas Wenstrm rotora sargıları yerleştirmek için yuvalar sağladı ve verimliliği daha da artırdı.
1886'da Frank Julian Sprague, değişken yükler altında nispeten sabit bir hızı koruyan kıvılcım çıkarmayan bir cihaz olan ilk pratik DC motoru icat etti. Bu süre zarfında, Sprague'nin diğer elektrik icatları, şebekenin güç dağıtım performansını büyük ölçüde iyileştirdi (Thomas Edison'un görev süresinden önce yapılan çalışma), elektrik motorlarından gelen gücün havai Teller ve araba direkleri aracılığıyla şebekeye geri dönmesine izin vererek, arabalara güç sağladı ve elektrik çalışması için kontrol sistemi. Bu, Sprague'nin 1887-88'de Richmond, Virginia'da elektrik motorları kullanan ilk elektrikli tramvay sistemini, 1892'de bir elektrikli asansör ve kontrol sistemini ve bağımsız olarak çalışan, merkezi olarak kontrol edilen arabalara sahip bir elektrikli metroyu icat etmesine yol açtı. İkincisi ilk olarak 1892'de Chicago'da, halk arasında "L" olarak bilinen South Side Elevated Railroad tarafından kuruldu. Sprague'nin elektrik motoru ve ilgili buluşları ilgi uyandırdı ve endüstriyel elektrik motorlarında yaygın kullanım buldu. Kabul edilebilir verimliliğe sahip elektrik motorlarının geliştirilmesi, rotor ve stator arasındaki hava boşluğunun kritik öneminin anlaşılmaması nedeniyle onlarca yıldır ertelendi. Verimli tasarımlar nispeten küçük hava boşluklarına sahiptir. Aynı nedenle, sınıflarda uzun süredir hareket ilkelerini göstermek için kullanılan St. Louis arabası son derece verimsizdir ve modern bir arabaya benzemez.
Elektrik motorları endüstride devrim yarattı. Endüstriyel süreçler artık miller, kayışlar, basınçlı hava veya hidrolik kullanan güç aktarımı ile sınırlı değildir. Bunun yerine, her makine, kullanım sırasında kolayca kontrol edilebilen ve güç aktarım verimliliğini artıran kendi güç kaynağıyla donatılabilir. Tarımda kullanılan elektrik motorları, tahıl taşıma veya su pompalama gibi görevlerden insan ve hayvan kas gücünü ortadan kaldırır. Evde elektrik motorlarının kullanılması evdeki ağır işçiliği azaltır ve daha yüksek standartlarda rahatlık, konfor ve güvenlik sağlar. Bugün, elektrik motorları Amerika Birleşik Devletleri'nde üretilen elektriğin yarısından fazlasını tüketiyor.
alternatif akım motoru
1824'te Fransız fizikçi Franois Arago, Walter Baily'nin 1879'da ilk ilkel endüksiyon motoru olarak gösterdiği bir anahtarı manuel olarak açıp kapatarak Arago dönüşü olarak bilinen dönen bir manyetik alanın varlığını önerdi. 1880'lerde, AC motorların uzun mesafelerde yüksek voltaj iletimindeki avantajları, AC motorlarda çalışamama nedeniyle dengelendiğinden, birçok mucit uygulanabilir AC motorlar [31] geliştirmeye çalıştı.
1885 yılında Galileo Ferraris ilk AC komütatörsüz endüksiyon motorunu icat etti. Ferraris, 1886'da daha gelişmiş üniteler üreterek ilk tasarımlarını geliştirdi. 1888'de, Torino'daki Kraliyet Bilimler Akademisi, Ferraris'in elektrik motorlarının işleyişinin temeline ilişkin ayrıntılı çalışmasını yayınladı, ancak o zaman, "bir cihaza dayalı bir cihaz" olduğu sonucuna vardı. bu ilkenin bir elektrik motoru kadar ticari bir önemi olamaz."
Olası endüstriyel gelişme, 1887'de kendi kendine yeten endüksiyon motorunu icat eden ve Mayıs 1888'de patentini alan Nikola Tesla tarafından tasarlandı. Aynı yıl Tesla, AC motorlar ve transformatörler için yeni bir sistemin AIEE'si üzerine makalesini sundu. iki fazlı dört stator kutuplu motor tiplerinin üç patenti: biri kendi kendine çalışmayan bir relüktans motor oluşturan dört kutuplu rotorlu, diğeri ise yara rotorlu, kendiliğinden başlayan bir endüksiyon motoru oluşturur ve üçüncü tip rotor sargılarına sırasıyla uyarma DC gücü sağlayan gerçek bir senkron motor. Bununla birlikte, Tesla tarafından 1887'de alınan bir patent de kısa devre rotorlu bir endüksiyon motorunu tanımladı. George Westinghouse, Ferraris'in haklarını (1$000) satın aldı ve Tesla'nın patentlerini hemen satın aldı ($60,000 ve ayrıca 2010'da ödenen 1897'ye kadar satılan beygir gücündeki araba başına 2,50$),[32] Tesla'yı işe aldı. elektrik motorunu geliştirdi ve Tesla'ya yardım etmesi için CF Scott'ı görevlendirdi; ancak Tesla 1889'da başka bir yerden ayrıldı. [Aşırı alıntılar] Sabit hızlı AC endüksiyon motorunun tramvaylar için uygun olmadığı bulundu,[31] ancak Westinghouse mühendisleri 1891'de Telluride, Colorado'daki bir maden işletmesine güç sağlamak için onu başarılı bir şekilde güçlendirdi. [ 53][54][55] Westinghouse, 1892'de ilk pratik endüksiyon motorunu gerçekleştirdi ve 1893'te çok fazlı 60 Hz endüksiyon motorları ailesini geliştirdi, ancak bu erken Westinghouse motorları, sargılı rotorlu iki fazlı motorla inşa edildi. BG Lamme daha sonra eğirme çubuklu rotoru geliştirdi. [45]
Üç fazın gelişimini kararlı bir şekilde desteklemek için, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky 1889'da hem sincap rotorlu hem de başlangıç varistörüne sahip sargılı rotor tipi olan üç fazlı endüksiyon motorunu icat etti ve 1890'da üç kollu transformatörü icat etti. AEG ve Maschinenfabrik Oerlikon arasında, Doliwo-Dobrowolski ve Charles Eugene Lancelot Brown daha büyük modeller, 20 hp'lik bir sincap kafesi ve başlangıç varistörüne sahip 100 hp'lik sargılı rotor geliştirdi. Bunlar, pratik çalışmaya uygun ilk üç fazlı asenkron motorlardı. Winstrom, 1889'dan beri benzer üç fazlı makineler geliştiriyor. 1891'de Frankfurt'taki Uluslararası Elektroteknik Sergisinde, ilk uzun mesafeli üç fazlı sistem başarıyla gösterildi. 15 kV olarak derecelendirilmiştir ve Neckar'daki Laufen Şelaleleri'nden 175 km uzanır. Lauffen elektrik santrali 240 kW 86 V 40 Hz alternatör ve bir yükseltici transformatörden oluşurken, sergide bir düşürücü transformatör, yapay bir şelaleye güç veren 100 hp üç fazlı endüksiyon motoruna güç sağlar. orijinal transformatörün transferi. enerji kaynağı. ] Üç fazlı indüksiyon artık ticari uygulamaların büyük çoğunluğunda kullanılmaktadır. Ancak, Tesla'nın elektrik motorlarının iki fazlı titreşimler nedeniyle pratik olmadığını ve üç fazlı çalışmasına bağlı kalmasına neden olduğunu iddia etti.
1891'de GE, üç fazlı asenkron motoru [45] geliştirmeye başladı. 1896'da GE ve Westinghouse, daha sonra kafes rotor olarak bilinen çubuk sarma rotorunun tasarımı için bir çapraz lisans anlaşması imzaladı. Asenkron motorda yapılan iyileştirmeler, bu buluşlar ve yeniliklerden kaynaklanmıştır, böylece 100-beygir gücündeki endüksiyon motoru artık 1897'deki 7.5-beygir gücündeki motorla aynı kurulu boyutlara sahiptir.
bileşenler
Motor rotoru (solda) ve stator (sağda)
rotor
Ana madde: Rotor (elektrikli)
Bir elektrik motorunda hareketli kısım, mekanik gücü iletmek için şaftı döndüren rotordur. Rotor tipik olarak, şaftı döndüren bir kuvvet oluşturmak için statorun manyetik alanıyla etkileşime giren akımları taşıyan iletkenler içerir. Alternatif olarak, bazı rotorlar kalıcı mıknatıslar taşırken, statorlar iletkenleri tutar.
rulman
Rotor, rotorun kendi ekseni etrafında dönmesine izin veren yataklarla desteklenir. Rulmanlar sırayla motor gövdesi tarafından desteklenir. Motor mili, yatağın içinden, yükün uygulandığı motorun dışına kadar uzanır. Yükün kuvveti en dıştaki yatağın dışına uygulandığı için yük askıya alınır. [59]
stator
Ana madde: Stator
Stator, motorun elektromanyetik devresinin sabit kısmıdır ve genellikle sargılardan veya kalıcı mıknatıslardan oluşur. Stator çekirdeği, laminasyon adı verilen birçok ince metal levhadan oluşur. Laminasyonlar, katı bir çekirdek kullanılması durumunda ortaya çıkacak olan enerji kayıplarını azaltmak için kullanılır.
hava boşluğu
Rotor ve stator arasındaki mesafeye hava boşluğu denir. Hava boşlukları önemli bir etkiye sahiptir ve genellikle mümkün olduğunca küçüktür, çünkü büyük hava boşlukları performans üzerinde güçlü bir olumsuz etkiye sahip olabilir. Motor çalışması için düşük güç faktörünün ana kaynağıdır. Hava boşluğu arttıkça uyarma akımı artar. Bu nedenle, hava boşluğu en aza indirilmelidir. Gürültü ve kayıplara ek olarak, küçük boşluklar da mekanik sorunlara neden olabilir.
Çıkıntılı kutup rotoru
sarma[değiştir]
Ana madde: Sarma
Sargı, enerji verildiğinde kutuplar oluşturmak için genellikle lamine yumuşak ferromanyetik bir çekirdeğin etrafına sarılmış bir bobin içine yerleştirilmiş bir teldir.
Motorlar iki temel alan direği konfigürasyonunda gelir: çıkıntılı ve çıkıntısız. Çıkıntılı kutuplu bir makinede, kutupların manyetik alanı, kutup yüzlerinin altındaki kutuplara sarılan sargılar tarafından oluşturulur. Çıkıntılı olmayan kutuplu veya dağıtılmış alanlı veya dairesel rotorlu makinelerde, sargılar kutup yüzü yuvalarına dağıtılır. [60] Gölgeli kutuplu bir motor, o kutbun manyetik alanının fazını geciktiren bir kutbun sarmal bir kısmına sahiptir.
Bazı elektrik motorlarının iletkenleri, genellikle bakır veya alüminyum olan metal şeritler veya levhalar gibi daha kalın metallerden oluşur. Bunlar genellikle elektromanyetik indüksiyon ile tahrik edilir.
komütatör
Ana madde: Komütatör (elektrik)
Oyuncaklar ve komütatörü için küçük DC motor
Bir komütatör, çoğu DC motorun ve bazı AC motorların girişini değiştirmek için kullanılan bir mekanizmadır. Birbirinden ve milden izole edilmiş slip ring segmentlerinden oluşur. Motorun armatür akımı, dönen komütatör ile temas halinde olan sabit fırçalar vasıtasıyla sağlanır, bu da gerekli akımın tersine dönmesine neden olur ve rotor kutuptan kutuplara dönerken motora mümkün olan en iyi şekilde güç sağlar. [61][62] Bu ters akımın olmaması durumunda, motor durmak için fren yapar. Elektronik kontrolörler, sensörsüz kontrol, asenkron motorlar ve sabit mıknatıslı motorlar alanlarındaki gelişmiş teknoloji göz önüne alındığında, harici olarak komütasyonlu asenkron ve sabit mıknatıslı motorlar elektromekanik komütasyonlu motorların yerini alıyor.
Motor Besleme ve Kontrol
Motor gücü
Yukarıda bahsedildiği gibi, DC motorlar genellikle kayar halka komütatörleri tarafından sağlanır. AC motorun komütasyonu, bir kayma halkası komütatörü veya harici komütatör kullanılarak elde edilebilir ve sabit hızlı veya değişken hızlı kontrol tipinde olabilir ve ayrıca senkron veya asenkron tipte olabilir. Genel amaçlı elektrik motorları AC veya DC çalışabilir.
motor kontrolü
Terminallere uygulanan DC gerilimi ayarlanarak DC motorlar değişken hızlarda çalışabilir.
Genellikle sabit hızda çalışan AC motorlar, ya doğrudan şebekeden ya da bir motor kontrollü başlatıcı aracılığıyla çalıştırılır.
Değişken hızda çalışan AC motorlar, çeşitli güç inverterleri, değişken frekanslı sürücüler veya elektronik komütatör teknolojileri ile çalıştırılır.
Elektronik komütatör terimi genellikle kendinden komütasyonlu fırçasız DC motor ve anahtarlamalı relüktans motor uygulamaları ile ilişkilendirilir.
