Изобретение электродвигателя: История создания электродвигателя

История создания электродвигателя

Электромеханика является относительно молодой, по историческим меркам, отраслью науки и техники.

1800, Вольта

Итальянский физик, химик и физиолог, Алессандро Вольта, первый в мире создал химический источник тока.

1820, Эрстед

Датский ученый, физик, Ханс Кристиан Эрстед, обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку.

1821, Фарадей

Первый электродвигатель Фарадея, 1821 г.

Британский физик-экспериментатор и химик, Майкл Фарадей, опубликовал трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», где описал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. Эта конструкция впервые реализовала непрерывное преобразование электрической энергии в механическую. Принято считать ее первым электродвигателем в истории.

1822, Ампер

Французский физик, Андре Мари Ампер, открыл магнитный эффект соленоида (катушки с током), откуда следовала идея эквивалентности соленоида постоянному магниту. Среди прочего Ампер предложил использовать железный сердечник, помещенный внутрь соленоида, для усиления магнитного поля. В 1820 году им был открыт закон Ампера.

1822, Барлоу

Английский физик и математик, Питер Барлоу, изобрел колесо Барлоу, по сути, униполярный электродвигатель.

1825, Араго

Французский физик и астроном, Доминик Франсуа Жан Араго, опубликовал опыт показывающий, что вращающийся медный диск заставляет вращаться магнитную стрелку, подвешенную над ним.

1825, Стёрджен

Британский физик, электротехник и изобретатель, Уильям Стёрджен, в 1825 изготовил первый электромагнит, который представлял из себя согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки.

Вращающееся устройство Йедлика, 1827/28 гг.

1827, Йедлик

Венгерский физик и электротехник, Аньош Иштван Йедлик, изобрел первую в мире динамо-машину (генератор постоянного тока), однако практически не объявлял о своем изобретении до конца 1850-х годов.

1831, Фарадей

Английский физик, Майкл Фарадей, открыл электромагнитную индукцию, то есть явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Формулировка закона электромагнитной индукции.

1831, Генри

Американский физик, Джозеф Генри, независимо от Фарадея обнаружил взаимоиндукцию, но Фарадей раньше опубликовал свои результаты.

1832, Пикси

Генератор постоянного тока Пикси

Француз, Ипполит Пикси, сконструировал первый генератор переменного тока. Устройство состояло из двух катушек индуктивности с железным сердечником напротив которых располагался вращающийся магнит подковообразной формы, который приводился в движение вращением рычага. Позже для получения постоянного пульсирующего тока к этому устройству был добавлен коммутатор.

Электродвигатель Стёрджена
Strurgejn’s Annals of Electricity, 1836/37, vol. 1

1833, Стёрджен

Британский физик, Уильям Стёрджен, публично продемонстрировал электродвигатель на постоянном токе в Марте 1833 года в Аделаидской галерее практической науки в Лондоне. Данное изобретение считается первым электродвигателем, который можно было использовать.

1833, Ленц

В начале в электромеханике разграничивали магнито-электрические машины (электрические генераторы) и электро-магнитные машины (электрические двигатели). Российский физик (немецкого происхождения), Эмилий Христианович Ленц, опубликовал статью о законе взаимности магнито-электрических явлений, то есть о взаимозаменяемости электрического двигателя и генератора.

Май 1834, Якоби

Первый вращающийся электродвигатель. Якоби, 1834

Немецкий и русский физик, академик Императорской Санкт-Петербургской Академии Наук, Борис Семенович (Мориц Герман фон) Якоби, изобрел первый в мире электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала. Мощность двигателя составляла около 15 Вт, частота вращения ротора 80-120 оборотов в минуту. До этого изобретения существовали только устройства с возвратно-поступательным или качательным движением якоря.

1836 — 1837, Дэвенпорт

Проводя эксперименты с магнитами, американский кузнец и изобретатель, Томас Дэвенпорт, создает свой первый электромотор в июле 1834 года. В декабре этого же года он впервые продемонстрировал свое изобретение. В 1837 году Дэвенпорт получил первый патент (патент США №132) на электрическую машину.

1839, Якоби

Используя электродвигатель питающийся от 69 гальванических элементов Грове и развивающий 1 лошадиную силу, в 1839 г. Якоби построил лодку способную двигаться с 14 пассажирами по Неве против течения. Это было первое практическое применение электродвигателя.

1837 — 1842, Дэвидсон

Шотландский изобретатель, Роберт Дэвидсон, занимался разработкой электродвигателя с 1837 года. Он сделал несколько приводов для токарного станка и моделей транспортного средства. Дэвидсон изобрел первый электрический локомотив.

1856, Сименс

Немецкий инженер, изобретатель, ученый, промышленник, основатель фирмы Siemens, Вернер фон Сименс изобрел электрический генератор с двойным T-образным якорем. Он первый разместил обмотки в пазах.

1861-1864, Максвелл

Британский физик, математик и механик, Джеймс Клерк Максвелл, обобщил знания об электромагнетизме в четырех фундаментальных уравнениях. Вместе с выражением для силы Лоренца уравнения Максвелла образуют полную систему уравнений классической электродинамики.

1871-1873, Грамм

Бельгийский изобретатель, Зеноб Теофил Грамм, устранил недостаток электрических машин с двух-Т-образным якорем Сименса, который заключался в сильных пульсациях вырабатываемого тока и быстром перегреве. Грамм предложил конструкцию генератора с самовозбуждением, который имел кольцевой якорь.

1885, Феррарис

Итальянский физик и инженер, Галилео Феррарис, изобрел первый двухфазный асинхронный электродвигатель. Однако Феррарис думал, что такой двигатель не сможет иметь КПД выше 50%, поэтому он потерял интерес и не продолжал улучшать асинхронный электродвигатель. Считается, что Феррарис первым объяснил явление вращающегося магнитного поля.

1887, Тесла

Американец сербского происхождения, изобретатель, Никола Тесла, работая независимо от Феррариса, изобрел и запатентовал двухфазный асинхронный электродвигатель с явно выраженными полюсами статора (сосредоточенными обмотками). Тесла ошибачно считал что двухфазная система токов оптимальна с экономической точки зрения среди всех многофазных систем.

1889-1891, Доливо-Добровольский

Русский электротехник польского происхождения, Михаил Осипович Доливо-Добровольский, прочитав доклад Феррариса о вращающемся магнитном поле изобрел ротор в виде «беличьей клетки». Дальнейшая работа в этом направлении привела к разработке трехфазной системы переменных токов и трехфазного асинхронного электродвигателя, получившего широкое применение в промышленности и практически не изменившегося до нашего времени.

Широкое внедрение электромеханических устройств в России начинается после Октябрьской революции 1917 г., когда электрификация всей страны стала основой технической политики нового государства. Можно сказать, что XX век стал веком становления и широкого распространения электромеханики.

Выбор между двухфазной и трехфазной системой

Доливо-Добровольский справедливо считал, что увеличение числа фаз в двигателе улучшает распределение намагничивающей силы по окружности статора. Переход к трехфазной системы от двухфазной уже дает большой выигрыш в этом отношении. Дальнейшее увеличение числа фаз нецелесообразно, так как приводит к значительному увеличению расходов металла на провода.

Для Теслы же казалось очевидным, что чем меньше число фаз, тем меньше требуется проводов, и следовательно тем дешевле устройство электропередачи. При этом двухфазная система передачи требовала применения четырех проводов, что представлялось не желательным в сравнении с двух проводными системами постоянного или однофазного переменного токов. Поэтому Тесла предлагал применять трех проводную линию для двухфазной системы, делая один провод общим. Но это не сильно уменьшало количество затрачиваемого на систему металла, так как общий провод должен был быть большего сечения.

Таким образом трехфазная система токов предложенная Доливо-Добровольским была оптимальной для передачи энергии. Она практически сразу нашла широкое применение в промышленности и до наших дней является основной системой передачи электрической энергии во всем мире.

Сервис Северные Стрелы —

Величайшим техническим достижением конца XIX века стало изобретение промышленного электродвигателя. Этот компактный, экономичный, удобный мотор вскоре сделался одним из важнейших элементов производства, вытеснив другие виды двигателей отовсюду, куда только можно было доставить электрический ток. Электрические двигатели появились еще во второй четверти XIX столетия, но прошло несколько десятилетий, прежде чем создались благоприятные условия для их повсеместного внедрения в производство.

Один из первых совершенных электродвигателей, работавших от батареи постоянного тока, создал в 1834 году русский электротехник Якоби. Этот двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна группа располагалась на неподвижной раме. Их полюсные наконечники были устроены асимметрично — удлинены в одну сторону. Вал двигателя представлял собой два параллельных латунных диска, соединенных четырьмя электромагнитами, поставленными на равном расстоянии один от другого. При вращении вала подвижные электромагниты проходили против полюсов неподвижных. У последних полярности шли попеременно: то положительная, то отрицательная. К электромагнитам вращающегося диска отходили проводники, укрепленные на валу машины. На вал двигателя был насажен коммутатор, который менял направление тока в движущихся электромагнитах в течение каждой четверти оборота вала. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно и обтекались током батареи в одном направлении. Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них изменялось восемь раз за один оборот вала. Следовательно, полярность этих электромагнитов также менялась восемь раз за один оборот вала, и эти электромагниты поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.

Двигатель Якоби для своего времени был самым совершенным электротехническим устройством. В том же 1834 году подробное сообщение о принципах его работы было представлено Парижской Академии наук.

В 1838 году Якоби усовершенствовал свой электромотор и, установив его на гребном боте, с десятью спутниками совершил небольшое плавание по Неве со скоростью 4,5 км/ч. Источником тока ему служила мощная батарея гальванических элементов.

До тех пор, пока не был изобретен и внедрен в производство совершенный электрический генератор, электродвигатели не могли найти широкого применения, так как питать их от батареи было слишком дорого и невыгодно. Кроме того, в силу разных причин двигатели постоянного тока получили лишь ограниченное применение. Гораздо более важную роль играют в производстве электромоторы, работающие на переменном токе, к рассмотрению которых мы теперь переходим.

Для переменного тока необходима особая конструкция двигателя. Изобретатели не сразу смогли найти ее. Прежде всего была разработана модель так называемого синхронного двигателя переменного тока. Один из первых таких двигателей построил в 1841 году Чарльз Уитстон.

Его система обладала большими недостатками: кроме того, что синхронный двигатель требовал для своего запуска дополнительный разгонный двигатель, он имел и другой изъян — при перегрузке синхронность его хода нарушалась, магниты начинали тормозить вращение вала, и двигатель останавливался. Поэтому синхронные двигатели не получили широкого распространения. Подлинная революция в электротехнике произошла только после изобретения асинхронного двигателя. Подобное устройство в 1879 году изобрел Бейли.

 В 1888 г. итальянский физик Феррарис и югославский изобретатель Тесла (работавший в США) открыли явление вращающегося электромагнитного поля.

Изобретение Теслы знаменовало собой начало новой эры в электротехнике и вызвало к себе живейший интерес во всем мире. Уже в июне 1888 году фирма «Вестингауз Электрик Компани» купила у него за миллион долларов все патенты на двухфазную систему и предложила организовать на своих заводах выпуск асинхронных двигателей.

Вскоре индукционный двигатель Теслы был значительно переработан и усовершенствован русским электротехником Доливо-Добровольским. Первым важным новшеством, которое внес Доливо-Добровольский в асинхронный двигатель, было создание ротора с обмоткой «в виде беличьей клетки». Во всех ранних моделях асинхронных двигателей роторы были очень неудачными, и поэтому КПД этих моторов был ниже, чем у других типов электрических двигателей. Большое значение играл здесь материал, из которого изготавливался ротор, поскольку тот должен был удовлетворять сразу двум условиям: иметь малое электрическое сопротивление и иметь хорошую магнитную проницаемость. С точки зрения уменьшения электрического сопротивления лучшим конструктивным решением мог бы стать ротор в виде медного цилиндра. Но медь плохой проводник для магнитного потока статора и, КПД такого двигателя был очень низким. Если медный цилиндр заменяли стальным, то магнитный поток резко возрастал, но, поскольку электрическая проводимость стали меньше, чем меди, КПД опять был невысоким.

Доливо-Добровольский нашел выход из этого противоречия: он выполнил ротор в виде стального цилиндра, а в просверленные по периферии последнего каналы стал закладывать медные стержни. На лобовых частях ротора эти стержни электрически соединялись друг с другом. Решение Доливо-Добровольского оказалось наилучшим. После того как он получил в 1889 году патент на свой ротор, его устройство принципиально не менялось вплоть до настоящего времени.

Вслед за тем Доливо-Добровольский стал думать над конструкцией статора — неподвижной части двигателя. Доливо-Добровольский видел перед собой две задачи: повысить КПД двигателя и добиться большей равномерности его работы.

Свой первый трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольский построил зимой 1889 года. В качестве статора в нем был использован кольцевой якорь машины постоянного тока с 24-мя полузакрытыми пазами.

Учитывая ошибки Теслы, Доливо-Добровольский рассредоточил обмотки в пазах по всей окружности статора, что делало более благоприятным распределение магнитного поля. Ротор был цилиндрическим с обмотками «в виде беличьей клетки». Воздушный зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм, что по тем временам было смелым решением, так как обычно зазор делали больше. Стержни «беличьей клетки» не имели никакой изоляции. В качестве источника трехфазного тока был использован стандартный генератор постоянного тока, перестроенный в трехфазный генератор так, как это было описано выше.

Впечатление, произведенное первым запуском двигателя на руководство АЭГ, было огромным. Для многих стало очевидно, что долгий тернистый путь создания промышленного электродвигателя наконец пройден до конца. По своим техническим показателям двигатели Доливо-Добровольского превосходили все существовавшие тогда электромоторы — обладая очень высоким КПД, они безотказно работали в любых режимах, были надежны и просты в обращении. Поэтому они сразу получили широкое распространение по всему миру. С этого времени началось быстрое внедрение электродвигателей во все сферы производства и повсеместная электрификация промышленности.

История изобретения электродвигателя | Великие открытия человечества

Давайте подвесим между полюсами неподвижного магнита проволочную петлю, через которую пропустим электрический ток. Мы увидим, что петля начнет отклоняться в сторону, чтобы выйти из магнитного поля. Именно это явление положено в основу всех электродвигателей. Главными частями электродвигателя являются: ротор и статор. Статор является неподвижной частью электродвигателя, служит магнитопроводом, в котором образуется магнитное поле. Подвижной вращающейся частью электродвигателя является ротор, на нем помещены витки провода, по которому пропускают электрический ток.

Майкл Фарадей

Двигатели, работающие от сети постоянного тока, являются двигателями постоянного тока. Двигатели, работающие от источника переменного тока, называются двигателями переменного тока. В результате проведенных экспериментов выдающийся английский физик Майкл Фарадей доказал, что при перемещении проводника в магнитном поле, можно создавать электрический ток индукционным методом. Так, в 1831 году было открыто явление электромагнитной индукции. Сразу же ученые и изобретатели нескольких стран взялись за разработку электродвигателя, пригодного для практики.

Первый электродвигатель постоянного тока Б.С. Якоби

Первыми были созданы электродвигатели постоянного тока, так как источники постоянного тока (батарея и гальванические элементы) были изобретены раньше. В 1834 году русским ученым Б. С. Якоби был создан первый электродвигатель, который состоял из двух частей — неподвижной и вращающейся. Благодаря изобретению был открыт принцип непрерывного вращательного движения. Мощность электродвигателя равнялась 15 Вт, источником тока были гальванические батареи. Однако практического применения электродвигатель не имел. В 1838 году Б. С. Якоби создал первый электродвигатель постоянного тока пригодный для практических целей. Мощность была увеличена за счет соединенных на одной плоскости 40 двигателей. Двигатель использовали для привода гребного вала лодки. 13 сентября 1838 года двигатель был установлен на лодке, в которой находилось 12 пассажиров. Испытания прошли весьма успешно. За 7 часов лодка проделала путь в 7 км со скоростью 2 км/ч. В сентябре 1839 года на катер с 14 пассажирами был установлен двигатель усовершенствованной конструкции, большей мощности, скорость которого составляла 4 км/ч. Двигатель Якоби стал самым надежным и мощным из всех конструкций, созданных на тот момент. К 70-м годам XIX столетия электродвигатель был полностью усовершенствован и сохранился в таком виде до наших дней.

Со временем в электродвигателях стали использовать электромагниты вместо постоянных магнитов, что позволило существенно увеличить мощность. Принцип работы электродвигателя постоянного тока заключается в следующем: к обмотке электромагнита подводят электрический ток, в результате между его полюсами возникает магнитное поле. Виток провода размещен на роторе. Когда к витку провода через коллектор подводится электрический ток, он начинает вращаться вместе с ротором. Особенностью таких электродвигателей является возможность регулировать частоту вращения ротора. Микроэлектродвигатели используют в электробритвах, системах автоматического регулирования, кофемолках и других приборах быта. Мощные электродвигатели используют для привода подъемных кранов, прокатных станков, на электрофицированном транспорте.

Трехфазный асинхронный электродвигатель

В 1889 году замечательный русский инженер-электротехник М. О. Доливо-Добровольский создал систему трехфазного тока и создал первый трехфазный двигатель переменного тока. Основными частями двигателя переменного тока также являются ротор и статор. В отличие от двигателей постоянного тока они не имеют коллектора, ток на обмотки ротора поступает через контактные кольца. В некоторых двигателях отсутствуют выводы на обмотках для подключения к току, а замкнуты между собой. Внешне ротор был похож на колесо в беличьей клетке и получил название беличьего колеса. Конструкция такого ротора дала возможность уменьшить магнитное и электрическое сопротивление и повысить эффективность работы, без принципиальных изменений она сохранилась до сегодняшних дней. Двигатели переменного тока существуют синхронные и асинхронные. У синхронного двигателя частота вращения магнитного поля, производимая обмотками статора, синхронна с частотой вращения ротора. В асинхронных двигателях частота вращения ротора отстает от частоты вращения магнитного поля статора. Наиболее просты и надежны асинхронные двигатели. Они получили широкое распространение.

9.1. Первые электродвигатели — Энергетика: история, настоящее и будущее

9.1. Первые электродвигатели

Нам уже известны способы преобразования механической энергии в электрическую. Но и энергию электрического тока можно преобразовать в энергию движения. Динамомашину, вырабатывающую электрический ток, называют первичной машиной, или генератором, а устройство, принимающее электрический ток и преобразующее его в механическую энергию, называют вторичной электрической машиной, или электродвигателем. При этом преобразование электрической энергии в механическую, как и обратное, происходит не непосредственно, а за счет явления электромагнетизма.

Уже опыты М. Фарадея, проведенные им ещё в 1821 году, можно считать наглядной иллюстрацией принципиальной возможности построения электродвигателя. Исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, он показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или вращение магнита вокруг проводника с током.

В 1833 г. английский ученый У. Риччи создал прибор, в котором магнитное поле образовывалось постоянным неподвижным магнитом. Между его полюсами на вертикальной оси помещался электромагнит. Взаимодействие полюсов постоянного магнита и электромагнита приводило к вращению электромагнита вокруг оси. Направление тока периодически изменялось коммутатором. Вследствие своей примитивной конструкции и незначительной мощности электродвигатель Риччи не мог получить практического применения.

Рис. 9.1. Автоматический прерыватель

Первые устройства для преобразования электрической энергии в механическую применялись главным образом для получения переменно-возвратного движения в так называемых электрических прерывателях. Основным элементом их является вибрирующий якорь, притягиваемый электромагнитом под действием электрического тока и возвращаемый назад за счет сжатия пружины при разрыве электрической цепи (рис. 9.1). Такие устройства получили достаточно широкое распространение в виде, например, электрических звонков. Но значительно более интересно было преобразовать электрическую энергию во вращательную. Наиболее просто этого можно достичь, прикрепив к вибрирующему якорю шатун, действующий на кривошип вала и производящий при помощи качаний вращательное движение. Примером такой простейшей конструкции может служить электродвигатель Грюэля (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Электрический двигатель Грюэля

Увеличивая количество электромагнитов, можно получить значительно более плавное вращательное движение. Две системы электромагнитов первым применил русский ученый Б.С. Якоби, создавший в мае 1834 г. электрический двигатель (рис. 9.3) с вращательным движением якоря, который действовал на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами. В качестве источника питания электромагнитов использовалась батарея гальванических элементов, а для изменения полярности подвижных электромагнитов – коммутатор.

В ноябре 1834 года Якоби представил Парижской академии наук сообщение об этом устройстве. Известие об изобретении Якоби очень быстро распространилось. Сам автор широко демонстрировал свой электродвигатель и подвергал его опробованию для приведения во вращение различных механизмов. Он исходил из законов и представлений Ампера и Фарадея, дополненных собственными исследованиями, проведенными совместно с академиком Э. Ленцем в конце 1830-х годов. В процессе совершенствования двигателя Якоби объединил несколько электродвигателей в один агрегат, расположив неподвижные и вращающиеся магниты в одной плоскости, то есть пошел по пути механического соединения определенного числа элементарных машин. При этом увеличились размеры электродвигателя в вертикальном направлении, а это было удобно для создания опытной судовой установки. В 1838 году Якоби построил первый магнитоэлектрический двигатель, приводящий в движение на реке Неве против течения лодку с четырнадцатью человеками на борту.

Рис. 9.3. Электрический двигатель Якоби

Одна из петербургских газет 1839 года писала об испытаниях «электрического бота»: «… катер с двенадцатью человеками, движимый электромеханической силой (в 3/4 лошади), ходил несколько часов противу течения, при сильном противном ветре… Что бы ни было впоследствии, важный шаг уже сделан, и России принадлежит слава первого применения теории к практике». Испытания электродвигателя Якоби показали возможность практического применения электродвигателей, но в то же время обнаружили, что при питании их током от гальванических батарей (на боте Якоби вначале было установлено 320 гальванических элементов) механическая энергия получается очень дорогой. Произведенные опыты и теоретическое исследование привели Б.С. Якоби к очень важному выводу: применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электроэнергии, то есть от создания генератора, более экономичного, чем гальванические батареи.

Все электрические двигатели постоянного тока, созданные позднее, были по существу лишь усовершенствованием электродвигателя Якоби.

В конце XIX – начале XX века изобретатели во многих странах пытались совершенствовать систему получения, передачи, превращения электричества в механическую работу и приспособить его для перемещения и поднятия грузов, освещения улиц и прочее. В Европе и Америке наибольшее распространение получили электродвигатели малой и средней мощности, используемые в основном для городского электротранспорта и легкой (например швейной и текстильной) промышленности.

Рис. 9.4. Отделение электродвигателей постоянного тока на заводе Шуккерта в Нюрнберге

Рис. 9.5. Электродвигатель постоянного тока производства «Немецких электрических заводов» в Ахене

Рис. 9.6. Мощный электродвигатель постоянного тока швейцарской фирмы «Эрликон»

На рис. 9.4 представлен общий вид цеха по производству электродвигателей постоянного тока на заводе Шуккерта в Нюрнберге. Такие электродвигатели в конце XIX века с развитием центральных электрических станций массово устанавливались на крупных заводах Европы и полностью вытеснили дорогой и ненадежный ременной или цепной привод. Лидером по производству электродвигателей постоянного тока в Германии были «Немецкие электрические заводы» в Ахене. Благодаря своей надежности и компактности эти электродвигатели получили большое распространение (рис. 9.5).

В сравнении с другими типами двигателей электродвигатель обладал столь важными преимуществами, что очень быстро стал устанавливаться везде, где только была возможна доставка электрического тока. Прежде всего он отличался легкостью установки, простотой ухода и относительной компактностью в сравнении с другими типами двигателей (например газомоторами) аналогичной мощности. Электродвигатели малой и средней мощности не требовали мощных фундаментов и могли устанавливаться прямо на полу или даже на стенных кронштейнах. Кроме того, при квалифицированном обслуживании эксплуатация их была практически безопасна.

В конце XIX века в Швейцарии серия электродвигателей средней и большой мощности производилась на фирме «Эрликон». При этом на электродвигателях мощностью до 100 л.с. применялся якорь Грамма, а на мощных – до 250 л.с. и более – многополюсный якорь (рис. 9.6). В Америке большое распространение получили электродвигатели небольшой мощности, например двигатели конструкции Франка Спрага (рис. 9.7).

Необходимо отметить, что в начале ХХ века история практического использования электрических двигателей не достигла еще и 15-летнего возраста, но темпы и массовость их применения были очень значительными. Этому способствовали интенсивное строительство центральных городских электрических станций и широко разветвленных распределительных электрических сетей, а также несомненные преимущества электродвигателей в сравнении с паровыми машинами и газомоторами равной мощности. Что касается ухода, то он ограничивался только смазкой подшипников и правильной установкой щеток. Кроме того, с развитием массового применения электрических двигателей центральные городские электрические станции, работавшие в основном в темное время суток для целей электрического освещения, получили возможность значительно более рационально использовать мощности своих генераторов, производя электрическую энергию в дневное время для питания многочисленных электродвигателей. Например, Берлинская центральная электростанция, первоначально созданная в 1884 г. для обеспечения электрического освещения, к концу 1892 г. снабжала электрической энергией 156 электродвигателей постоянного тока общей мощностью в 525 л.с. В следующем году станция снабжала электроэнергией уже 311 электродвигателей мощностью в 1070 л.с., а к 1898 г. общая мощность двигательной нагрузки составила уже 15400 л.с., или 11400 кВт, к которым нужно прибавить еще 2100 кВт двигательной нагрузки электрических железных дорог.

Рис. 9.7. Американский электродвигатель средней мощности конструкции Спрага

 Рис. 9.8. Типографский печатный станок с электрическим приводом

Рис. 9.9. Электродвигатели в машинном зале завода

 Рис. 9.10. Сушильная центрифуга с электрическим приводом

Рис. 9.11. Электрический центробежный насос с двигателем Кертинга

Рис. 9.12. Токарный станок с электроприводом

Приход ХХ века ознаменовался массовым использованием электропривода постоянного тока в различных отраслях промышленности. На рис. 9.8 показан типографский печатный станок с электрическим приводом, а на рис. 9.9 – общий вид машинного зала завода с установленными электрическими двигателями.

Одно из несомненных преимуществ использования электрических двигателей заключается в возможности повышения коэффициента полезного действия механизма при отказе от неэффективных и ненадежных ременных и цепных передач и переходе на прямой электрический привод.

Рис. 9.13. Электрический ворот

Рис. 9.14. Электрический лифт

Особенно значительным это преимущество становится при необходимости использования высокооборотного привода. На рис. 9.10 показана сушильная центрифуга с электрическим приводом производства «Немецких заводов» в Ахене, а на рис. 9.11 – электрический центробежный насос с двигателем Кертинга. Такая конструкция нашла широкое применение при разработке промышленных и пожарных помп, т.е. систем для перекачивания воды.

В промышленных и жилых зданиях широко использовались вентиляторы с электрическим приводом. Применение электроприводу нашлось и при производстве различных станков, машин и подъемных механизмов. На рис. 9.12 показан токарный станок с электроприводом, а на рис. 9.13 – электрический ворот, использовавшийся в различных подъемных приспособлениях, например в лифтах (рис. 9.14), или при устройстве транспортировочных механизмов (рис. 9.15). На рис. 9.16 показан общий вид портового крана грузоподъемностью 150 тонн с электроприводом.

Рис. 9.15. Загрузка корабля с помощью электрического транспортера

Рис. 9.16. Портовый кран грузоподъемностью 150 тонн с электроприводом

Из области домашнего применения можно отметить электроприводные швейную, сверлильную и даже зубоврачебную машины.

Появление электродвигателей переменного тока — Control Engineering Russia

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

В предыдущих статьях [1, 2] описывались первые электрические двигатели с питанием от гальванических батарей. Однако во второй половине XIX века в связи с развитием электрического освещения и дальней передачи электроэнергии появились сети однофазного переменного тока [3]. Это и дало толчок к изобретению электродвигателей переменного тока.

Рис. 1. Двигатель Уитстона

Первый однофазный двигатель был предложен в 1841 г. английским физиком Чарльзом Уитстоном (Charles Wheatstone), известным также своими изобретениями в области электрогенераторов и измерительной техники. Такой двигатель подключается к источнику переменного тока и содержит (рис. 1) статор с шестью электромагнитами (1) и ротор (2) в виде медного диска с тремя подково­образными магнитами (3) полярностью N и S.

Все электромагниты включены последовательно так, что при любой полярности питающего напряжения в промежутках между ними формируются магнитные потоки или полюса чередующейся полярности n и s, показанные на рис. 1 в начальный момент времени t₁ для положительного полупериода питающего напряжения. Предположим, что ротор вращается против часовой стрелки, и рассмотрим силы, действующие на верхний магнит ротора (аналогично работают и остальные магниты). Поскольку разноименные полюса магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются, вращающий момент ротора будет направлен против часовой стрелки, поддерживая его вращение. Если ротор двигателя успеет за полупериод напряжения повернуться на 60°, то в следующий полупериод все полюса статора поменяют полярность и ротор повернется еще на 60°. Таким образом, ротор будет поворачиваться синхронно с частотой перемагничивания электромагнитов (частотой сети), отчего подобные двигатели по предложению Чарльза Штейнмеца и получили название синхронных.

Рис. 2. Векторная диаграмма двигателя

Магнитное поле статора такого двигателя можно изобразить в виде вектора (рис. 2), где Ф₁, Ф₂,… Ф₆ — магнитные потоки статора, взаимодействующие с ротором в последовательные моменты времени t₁, t₂, … t₆, когда питающее напряжение меняет свой знак. Получается, что вектор магнитного потока статора шагает по окружности синхронно с ротором, поэтому такое магнитное поле можно назвать шагающим.

При реальных частотах сети 50–60 Гц такой двигатель, конечно, запуститься не сможет, но если его ротор раскрутить, например, вручную или другим двигателем до синхронной скорости, то он будет устойчиво работать с частотой вращения, пропорциональной частоте сети. При электрификации Лондона посредством однофазного напряжения в 1889 г. в качестве такого «раскруточного» двигателя применили так называемый универсальный двигатель (рис. 3) с обмотками якоря (1) и возбуждения (2). Его конструкция была разработана в 1884–85 гг. независимо друг от друга Вернером Сименсом и соавторами трансформатора, венгерскими инженерами Микша Дери и Отто Блати [4–6].

Рис. 3. Универсальный двигатель

Универсальные двигатели до сих пор широко применяются при мощности до нескольких киловатт, особенно в бытовой технике. Они привлекают производителей легкостью изменения скорости с помощью регулирования напряжения, как в обычном двигателе постоянного тока. Однако для мощных приводов такое регулирование было в то время затруднительным. Поэтому для электрической тяги на железных дорогах и в лифтах с питанием от сети переменного тока стали применять так называемый репульсионный двигатель, изобретенный в 1885 г. знаменитым американским электротехником Илайю Томсоном (Elihu Thomson) и усовершенствованный позднее Микша Дери [3, 5, 6].

Рис. 4. Репульсионный двигатель

Илайю Томсон (1853–1937), родом из Англии, соединял в себе таланты блестящего университетского профессора, крупного инженера, плодовитого изобретателя (696 патентов) и успешного предпринимателя [7]. Он разработал различные системы электрического освещения, высокочастотные генератор и трансформатор, самопишущий ваттметр, один из способов электросварки, а также, например, улучшил рентгеновские трубки. Томсон основал электротехнические компании в Англии, Франции и США. В 1892 г. его компания Thomson–Houston слилась с компанией Эдисона, образовав крупнейшую электротехническую компанию мира — General Electric.

По конструкции репульсионный двигатель, схема которого показана на рис. 4, похож на универсальный двигатель с якорем (1) и возбуждением в виде электромагнита (2). Отличие состоит в том, что щетки двигателя (3) закорочены и могут вручную поворачиваться [8]. При питании переменным напряжением в закороченной обмотке якоря наводится ЭДС и идет ток, направление которого, в соответствии с законом Ленца, таково, что создаваемый им поток противодействует магнитному потоку статора.

Тогда, если в некоторый полупериод питающего напряжения электромагнит (2) имеет полюс N внизу, то якорь (1) — такой же полюс наверху, как показано на рис. 4, что приведет к их взаимному отталкиванию и вращению ротора по часовой стрелке. Это и объясняет название двигателя, которое в дословном переводе означает «отталкивающийся». При этом величина наводимой ЭДС, а значит, и вращающего момента определяются положением щеток. Когда они горизонтальны, ЭДС и момент максимальны (режим пуска). Далее при повороте щеток против часовой стрелки момент будет падать, а скорость нарастать. Таким образом, пуск и скорость репульсионного двигателя легко регулируются разворотом щеток без изменения напряжения питания.

Тем не менее проблемы всех коллекторных двигателей, связанные с искрением, помехами и быстрым износом, были решены лишь после создания асинхронного двигателя. По своему устройству он гораздо проще любого двигателя постоянного тока, поэтому удивительно, что он был изобретен почти на полстолетия позже, несмотря на то, что, как отмечал Илайю Томсон: «Трудно составить такую комбинацию из магнитов переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению» [5].

Рис. 5. Галилео Феррарис (1847–1897)

Асинхронный двигатель базируется на концепции вращающегося магнитного поля, выдвинутой практически одновременно в середине 1880-х гг. двумя выдающимися учеными — Николой Теслой [3] и итальянским профессором физики Галилео Феррарисом (Galileo Ferraris) (рис. 5). Последний родился на севере Италии в семье фармацевта и после окончания Туринского университета стал профессором Музея индустрии, где изучал трансформаторы, многофазные цепи, линии передачи переменного тока, а также оптические приборы. Он прожил короткую жизнь, но успел заслужить в Европе звание «отца трехфазного тока» [5, 9, 10].

Если вернуться к концепции, то во вращающемся магнитном поле вектор магнитного потока статора постоянен по величине, но, в отличие от шагающего поля (рис. 2), непрерывно (равномерно) вращается с синхронной скоростью. Тогда очевидно, что ротор в виде магнита, помещенный внутри такого поля, будет вовлекаться им в синхронное вращение, что и происходит в рассмотренном выше двигателе Уитстона. Однако выяснилось, что аналогично будет вращаться и немагнитный ротор из любого проводящего металла. Еще в 1824 г. известный французский физик академик Доминик Араго (Dominique Arago) продемонстрировал опыт, названный им «магнетизмом вращения» [5] и показанный на рис. 6.

Рис. 6. Опыт Араго

Диск (1) из меди или стали на стеклянной пластине (2) вращался в том же направлении, что и вращающийся магнит (3). Объяснение этому загадочному явлению нашел Майкл Фарадей в 1831 г. после открытия закона электромагнитной индукции (закона Фарадея). Согласно ему, вращающееся магнитное поле магнита индуцирует в диске вихревые токи, создающие собственное магнитное поле, взаимодействующее с вращающимся.

Рис. 7. Опыт Бейли

Этот принцип и лежит в основе современных асинхронных двигателей (в английской литературе — индукционных), имеющих металлический ротор и отличающихся только тем, что в них вращающееся магнитное поле образуется неподвижной обмоткой статора. Первый шаг к созданию такого двигателя был сделан английским физиком Уолтером Бейли (Walter Bailey) в 1879 г., заменившим в опыте Араго вращающийся магнит на четыре электромагнита (2–5), токи в которых переключались последовательно вручную (рис. 7) [5, 10]. Но такое устройство создавало шагающее через 90^o магнитное поле. А как получить непрерывно (равномерно) вращающееся магнитное поле?

На этот вопрос ответил вышеупомянутый Феррарис в 1888 г. в докладе Туринской академии наук, математически сформулировав два условия [5, 10]:

1. Обмотка двигателя должна содержать две независимые части (называемые теперь фазами), магнитные потоки которых геометрически взаимно перпендикулярны.
2. Фазы должны быть запитаны двумя гармоническими напряжениями, сдвинутыми на четверть периода (синус и косинус).

Позднее Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил называть такую систему токов Drehstrom, что в дословном переводе с немецкого означает «вращательный ток» [6].

Рис. 8. Двухфазный двигатель Феррариса

Свою теорию Феррарис блестяще подтвердил макетом двигателя мощностью 3 Вт (рис. 8), имеющего ротор (1) в виде полого медного стаканчика и статор (2) с фазами A и B. Фазы разделены на две секции с разным числом витков, намотанных проводом разного диаметра так, чтобы создавать индуктивный сдвиг фаз токов в 90° при питании от однофазной сети.

В 1890 г. французские инженеры Морис Хитин (Maurice Hutin) и Морис Леблан (Maurice Leblanc) предложили использовать для сдвига фаз токов конденсатор [6]. В таком виде двухфазный двигатель дожил до наших дней под названием конденсаторного двигателя. При этом габариты конденсатора соизмеримы с размерами самого двигателя, поэтому данное техническое решение пригодно только для маломощных двигателей.

Сам Феррарис также заявлял, что «…аппарат, основанный на исследованном нами принципе, не может иметь никакого промышленного значения как двигатель» [10]. Поэтому он его не запатентовал (как, впрочем, и остальные свои открытия) и отклонил, в отличие от Теслы, предложение Вестингауза о сотрудничестве. Тем не менее его работы дали впоследствии повод оспаривать патенты Теслы в некоторых из 25 судебных процессов компании Вестингауза [5, 9]. Пессимистический вывод о перспективах своего двигателя Феррарис сделал, оценив величину его КПД в точке максимума мощности на валу — ниже 50%. Однако в данной точке это справедливо и для двигателей постоянного тока. Поэтому в дальнейшем рабочие точки стали выбирать ближе к скорости холостого хода, где в идеале КПД любого электродвигателя стремится к 100%.

Рис. 9. Двигатель Теслы

Совершенно по другому пути пошел Тесла, предложив в 1887 г. многофазные системы, где сдвинутые напряжения питания фаз вырабатывались питающим генератором, как показано, например, на рис. 9, где: 1 — генератор, 2 — двухфазный двигатель, 3 — контактные кольца генератора, 4 — обмотка ротора (кольца двигателя не показаны) [5, 10].

При положении переключателя ON ротор запитывается постоянным напряжением, и это двухфазный синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением. В положении OFF обмотка ротора закорачивается, и получается асинхронный двигатель, названный Теслой индукционным. Эксперт патентного ведомства поначалу не поверил в работоспособность такого странного двигателя, пока Тесла не продемонстрировал ему действующий макет (рис. 10).

Рис. 10. Макет двигателя Теслы

Двигатели Теслы и Феррариса легко запускались от питающей сети, однако с увеличением нагрузки их скорость падала, что подтверждается принципиальным отличием асинхронного двигателя от синхронного. Действительно, асинхронный двигатель развивает вращающий момент лишь при наличии тока, а следовательно, и ЭДС, индуцируемой в роторе. А, по закону Фарадея, это возможно лишь тогда, когда ротор пересекает силовые линии поля статора, т. е. когда скорости их вращения не одинаковы (не синхронны).

Как описано в статье [3], Тесла вместе с Вестингаузом начали активно внедрять асинхронные двигатели в жизнь, однако они были доведены до совершенства и приняли современный вид лишь благодаря трудам нашего соотечественника Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, которые будут рассмотрены в следующих статьях.

Что касается многофазных синхронных двигателей, то они нашли широкое применение там, где требуется стабильная скорость вращения, например в компрессорах, приводах генераторов и т. д. Синхронные двигатели с постоянными магнитами входят в состав современных вентильных двигателей, создающих все большую конкуренцию пока еще наиболее распространенным электродвигателям постоянного тока.

• Потребность в двигателях переменного тока возникла при внедрении однофазных осветительных сетей. Первым стал синхронный двигатель Уитстона с постоянными магнитами (1841 г.).

• Однако такие двигатели не имели пускового момента, поэтому на практике применялись универсальные двигатели Сименса и репульсионные двигатели Томсона (1884-5 гг).

• Достаточно мощные двигатели для промышленности были созданы только в середине 1880-х гг., после того как концепция вращающегося магнитного поля была математически сформулирована Феррарисом и реализована в многофазных синхронных и асинхронных двигателях Теслы, запущенных в производство на заводах Вестингауза.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

История создания первого электродвигателя — Экологические автомобили Экологические автомобили

Из истории электромобиля мы знаем, что первый электродвигатель появился раньше двигателя внутреннего сгорания. Как это было… Работы Андре-Мари Ампера, объединившие два разобщенных ранее явления — магнетизм и электричество, вдохновили другого гениального ученого — Майкла Фарадея. Открытия Ампера, Эрстеда и Араго побудили английского физика заняться вопросом о превращении магнитной и электрической энергии в механическую. В 1821 году поставленная задача была решена с помощью специального прибора, в котором было продемонстрировано явление непрерывного электромагнитного вращения.

После удачного эксперимента Фарадей поставил себе новую задачу о превращении магнетизма в электричество. Явление, составляющее основу современной электроэнергетики, было открыто английским ученым лишь через десять лет. Оно было названо электромагнитной индукцией. Спустя 3 года русский физик Эмилий Ленц, обобщив проделанные Фарадеем опыты, сформулировал новый фундаментальный закон, дававший возможность безошибочно определить направление индуцированного тока.

Так называемый принцип обратимости был доказан Ленцем не только теоретически, но и экспериментально: катушка, при ее вращении между полюсами магнита, генерировала электрический ток, обратная реакция заключалась в том, что катушка начинала вращаться, если в нее посылали ток. Исследование английского физика и опыты русского академика сыграли решающую роль в истории электродвигателя и развитии всего электромашиностроения в целом.

Первые попытки создания электродвигателя

Разработки теоретических предпосылок моментально дали толчок для создания первых электродвигателей и генераторов электрического тока. В 1824 году английский физик и математик Питер Барлоу с помощью прибора наглядно продемонстрировал возможность превращения электрической энергии в механическую. Колесо Барлоу представляло собой два горизонтально расположенных П-образных постоянных магнита, под которыми на одной оси размещены два медных зубчатых колеса. Когда через колеса проходил ток, они начинали вращаться в одном направлении.

При этом ученый заметил, что смена полярности контактов и полюсов магнитов изменяла и направлении вращения колес. По сути, Барлоу изобрел первый униполярный электродвигатель. Его опыт дал пищу для размышления другим изобретателям, и уже в 1831 году была представлена еще одна модель электродвигателя. На этот раз Д. Генри сделал попытку использовать для получения качательного движения отталкивание одноименных и притяжения разноименных магнитных полюсов.

Первый электродвигатель с возможностью практического применения

Модели, созданные Барлоу и Генри, представляли собой электрические устройства с качательными или возвратно-поступательными движениями малой удельной мощности, посему не имели практического применения, а о серийном производстве электромобилей даже и речи не могло быть. Первый электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала был создан в 1834 году физиком и академиком Борисом Якоби. Но стоит отметить, что впервые идею о создании более современного электродвигателя с вращательным движением высказал английский ученый В. Риччи еще в 1833 году. Был ли знаком Якоби с работой Риччи, неизвестно.

Двигатель Якоби состоял из двух групп электромагнитов. Попеременное изменение полярностей подвижных электромагнитов происходило путем специального коммутатора. Принцип этого устройства используется в некоторых современных электродвигателях. Мощность двигателя составляла всего 15 Вт, при частоте вращения ротора 80-120 об/мин.

В 1837 году Якоби обратился к Министру народного просвещения графу С. Уварову с предложением о практическом применении своего электродвигателя. О предложении русского академика было доложено Николаю I. Император дал добро на создание «Комиссии для производства опытов относительно приспособления электромагнитной силы к движению машин по способу Якоби».

Первый электродвигатель был далеко не совершенным и, конечно же, очень слабым. Так считал и сам академик, поэтому все средства выделенные комиссии были потрачены на усовершенствование электрической схемы. В 1838 году по Неве шел катер с 12 пассажирами, среди которых были физик Ленц, адмирал Крузенштерн и сам Якоби. Шлюпка крайне удивила гуляющих в тот день по набережной — никто из ее пассажиров не греб веслами.

Заменил гребцов электродвигатель мощностью 0.6 кВт, питаемый от 320 гальванических элементов. Испытания прошли весьма удачно, и сенсационная новость о первом практическом применении электродвигателя разлетелась по всему миру.

Видео: создание простейшего электродвигателя

История появления электродвигателя — Двигатели автомобилей

В 21-ом веке электродвигатели имеют особое место в нашей жизни. Они находятся почти во всех технических агрегатах, которые мы видим каждый день, будь то пылесос, стиральная машина, система вентиляции. Это безусловно очень важное достижения прогресса, которое появилось в середине 19-го века, и было предвестником индустриальной эры.

Электродвигатель был создан в 1834 году Борисом Якоби, русским пионером электротехники, и после некоторых усовершенствований в 1838 году был установлен на лодке, которая могла с его помощью перемещаться по реке со скоростью около 4 км\ч. Но несмотря на это изобретение, электродвигатели не могли найти массового применения, до того момента, пока не был создан электрический генератор, поскольку осуществлять их питание от батареи было крайне неудобно. Первый двигатель переменного тока был сконструирован и создан Чарльзом Уитстоном в 1841 году. Началом применения переменного тока для электродвигателей принято считать 1889 год, когда инженер Доливо- Добровольский сконструировал первый трехфазный асинхронный двигатель. Первая линия трехфазного переменного тока была создана в 1891 году.  Результаты использования этой линии доказали физическую возможность применения трехфазного тока, для передачи больших объемов электроэнергии с высокими показателями КПД. К началу 20-го века появились прототипы основных электромашин.

Именно с того времени началось быстрое развитие электрификации промышленных предприятий и транспорта. Одновременно с этим появляются первые турбогенераторы. Это дает толчок к увеличению мощности генераторов. Для сравнения в 1900 году пиковая мощность генератора составляла 5кВт, а в 1920 году эта величина составляла 60 тысяч кВт. Создание водного охлаждения позволило создать турбогенераторы мощностью около 550 тысяч кВт.

На данный момент электродвигатели имеют следующие характеристики. Максимальная мощность. Она как принято в физике измеряется в Ваттах. Этот параметр зависит от конструкции, материала изготовления,  и технологии создания. Несколько двигателей имеющие одинаковую массу и размер могут иметь различную мощность исключительно из-за технологии производства. Как правило, именно этот параметр задает ценовую категорию для двигателя. Далее рассматривают номинальное напряжение и ток, а так же сопротивление обмотки, как вы знаете, эти параметры неизменно влияют друг на друга. При более низком сопротивлении, возрастает максимальное значение ампер. Третьей характеристикой являются номинальные обороты в минуту. Конструкция современного двигателя направлена на получение более высоких оборотов, или же наивысшего момента на валу. Следовательно, двигатель с большим диаметром имеет увеличенный высокий момент и уменьшенные обороты.

Большинство двигателей формируют два магнитных поля, переменное и неподвижное, при этом неподвижное производят постоянные магниты, в то время как переменное создается обмоткой. Неподвижное поле работает по базовым определениям механики, магнит имеет два полюса, северный и как положено южный, противоположные полюса имеют притяжение, одинаковые притягиваются и вследствие этого создается сила взаимодействия. Но для того, чтоб двигатель начал свое вращение требуется менять эти направления. Соответственно, в реальности вращение происходит из-за изменения этих параметров, полюс притягивается, полюс отталкивается. Таков основной принцип действия электродвигателя.

Когда был изобретен электродвигатель? Краткая история электродвигателей

С годами электродвигатель претерпел значительные изменения и продолжает играть ключевую (и растущую) роль в современном обществе.

Компания Parvalux, как ведущий производитель и поставщик электродвигателей на протяжении более 70 лет, восхищена ростом популярности электродвигателей.

Когда был изобретен электродвигатель?

1740-е — Начало изобретений

Ранние воплощения электродвигателя впервые появились в 1740-х годах благодаря работам шотландского бенедиктинского монаха и ученого Эндрю Гордона.Другие ученые, такие как Майкл Фарадей и Джозеф Генри, продолжали разрабатывать первые электродвигатели, экспериментируя с электромагнитными полями и открывая способы преобразования электрической энергии в механическую.

1834 — Изготовлен первый электродвигатель

История была сделана, когда Томас Давенпорт из Вермонта изобрел первый официальный электродвигатель с батарейным питанием в 1834 году. Это был первый электродвигатель, у которого было достаточно мощности для выполнения задачи, и его изобретение было использовано для привода малой типографии.

1886 — Изобретение двигателя постоянного тока

Уильям Стерджен изобрел первый двигатель постоянного тока, который мог обеспечить мощность, достаточную для привода механизмов, но только в 1886 году был выпущен первый практический двигатель постоянного тока, который мог работать с постоянной скоростью при переменном весе. Фрэнк Джулиан Спраг был его изобретателем, и именно этот двигатель послужил катализатором для более широкого внедрения электродвигателей в промышленных приложениях.

Конец 1880-х — двигатели используются в коммерческих целях

Несмотря на великое открытие Давенпорта, сделанное много лет назад, электродвигатели не получили широкого коммерческого использования в течение следующих 50 лет.Ученые и инженеры продолжали разрабатывать различные типы электродвигателей с целью сделать их пригодными для использования в коммерческих целях. Вскоре электродвигатели начали использоваться в промышленности, на фабриках и в домашних условиях.

1888 — Асинхронный двигатель переменного тока запатентован

В 1887 году Никола Тесла изобрел асинхронный двигатель переменного тока, который он успешно запатентовал год спустя. Он не подходил для дорожных транспортных средств, но позже был адаптирован инженерами Westinghouse.В 1892 году был разработан первый практический асинхронный двигатель, за которым последовал ротор обмотки с вращающимся стержнем, что сделало его пригодным для использования в автомобилях.

1891 — Разработка трехфазных двигателей

В этом году General Electric приступила к разработке трехфазных асинхронных двигателей. Чтобы использовать конструкцию ротора со стержневой намоткой, GE и Westinghouse подписали в 1896 году соглашение о перекрестном лицензировании.

2000-е — Использование двигателей сегодня

В XXI веке, ^и годах, электродвигатели переменного и постоянного тока широко используются в промышленности по всему миру и являются неотъемлемой частью многих приложений.Двигатели Parvalux — от инвалидных колясок и лестничных подъемников до промышленной автоматизации, транспорта и солнечных батарей — занимают лидирующие позиции в области разработки и производства эффективных приводных решений для широкого круга сложных задач. Без электромотора мир был бы совсем другим!

Узнайте больше об электродвигателях Parvalux, связавшись с нашей дружной командой экспертов: позвоните нам по телефону +44 (0) 1202 512575 или напишите по электронной почте [email protected]

Институт — История — Изобретение электродвигателя 1800-1854

Univ.-Проф. Д-р инж. Мартин Доппельбауэр

Сводка

С изобретением батареи (Алессандро Вольта, 1800 г.), генерации магнитного поля из электрического тока (Ганс Кристиан Эрстед, 1820 г.) и электромагнита (Уильям Стерджен, 1825 г.) был заложен фундамент для создания электродвигателей. В то время еще оставалось открытым вопрос, должны ли электродвигатели быть вращающимися или возвратно-поступательными машинами, то есть имитировать шток плунжера паровой машины.

Во всем мире многие изобретатели работали параллельно над этой задачей — это была проблема «моды».Новые явления открывались почти ежедневно. Изобретения в области электротехники и ее приложений витали в воздухе.

Часто изобретатели ничего не знали друг о друге и самостоятельно разрабатывали подобные решения. Национальная история формируется соответствующим образом до наших дней. Ниже приводится попытка дать исчерпывающую и нейтральную картину.

Первое вращающееся устройство, приводимое в движение электромагнетизмом, было построено англичанином Питером Барлоу в 1822 году (Колесо Барлоу).

После многих других более или менее успешных попыток с относительно слабым вращающимся и возвратно-поступательным устройством немецкоязычный прусский Мориц Якоби в мае 1834 года создал первый настоящий вращающийся электродвигатель, который действительно развил выдающуюся механическую выходную мощность. Его мотор установил мировой рекорд, который был улучшен только четыре года спустя, в сентябре 1838 года, самим Якоби. Его второй двигатель был достаточно мощным, чтобы переправить лодку с 14 людьми через широкую реку. Только в 1839/40 году другим разработчикам во всем мире удалось создать двигатели с аналогичными, а затем и с более высокими характеристиками.

Уже в 1833 году немец Генрих Фридрих Эмиль Ленц опубликовал статью о законе взаимности магнитоэлектрических и электромагнитных явлений, т. Е. Обратимости электрогенератора и двигателя. В 1838 году он дал подробное описание своих экспериментов с генератором Pixii, который он использовал в качестве двигателя.

В 1835 году двое голландцев Сибрандус Стратинг и Кристофер Беккер построили электродвигатель, который приводил в движение небольшую модель автомобиля.Это первое известное практическое применение электродвигателя. В феврале 1837 года первый патент на электродвигатель был выдан американцу Томасу Дэвенпорту.

Однако все ранние разработки Якоби, Стратинга, Давенпорта и других в конечном итоге не привели к электродвигателям, которые мы знаем сегодня.

Двигатель постоянного тока был создан не на основе этих двигателей, а в результате разработки генераторов энергии (динамометров). Основы были заложены Уильямом Ричи и Ипполитом Пикси в 1832 году с изобретением коммутатора и, что наиболее важно, Вернером Сименсом в 1856 году с двойным Т-образным якорем и его главным инженером Фридрихом Хефнер-Альтенеком в 1872 году с барабанная арматура.Двигатели постоянного тока по-прежнему занимают доминирующее положение на рынке в диапазоне малой мощности (ниже 1 кВт) и низкого напряжения (ниже 60 В).

В период с 1885 по 1889 год была изобретена трехфазная система электроснабжения, которая является основой для современной передачи электроэнергии и современных электродвигателей. Единого изобретателя трехфазной системы питания назвать нельзя. Есть несколько более или менее известных имен, которые принимали активное участие в изобретениях (Брэдли, Доливо-Добровольский, Феррарис, Хазельвандер, Тесла и Венстрём).Сегодня трехфазный синхронный двигатель используется в основном в высокодинамичных приложениях (например, в роботах) и в электромобилях. Впервые он был разработан Фридрихом Августом Хазельвандером в 1887 году.

Очень успешный асинхронный двигатель с трехфазным сепаратором был впервые построен Михаилом Доливо-Добровольским в 1889 году. Сегодня это наиболее часто производимая машина в диапазоне мощности от 1 кВт и выше.

Расписание 1800 — 1834: Первые эксперименты с электромагнитными устройствами

Расписание 1834 — 1837: Первые настоящие электродвигатели

Томас Дэвенпорт — Изобретатель электродвигателя?

Есть несколько текстов пафоса в американо-американской литературе, в которых Томас Дэвенпорт прославляется как изобретатель электродвигателя.Это утверждение основано на том, что бесспорном Davenport был первым американцем, который создал годный к употреблению электрического двигателя, а также первому, чтобы получить патент на такое устройство в начале 1837.

Однако

Davenport был далеко не первым, кто построил электродвигатель. В Европе (особенно в Англии, Италии и Пруссии) технологии были уже значительно продвинуты. Уже летом 1834 года, за три года до патента, Мориц Якоби представил двигатель, который был в три раза мощнее усовершенствованной машины, которую Давенпорт разработал через несколько месяцев после подачи заявки на патент.Вдобавок мотор Давенпорта работал быстрее, чем у Якоби. Таким образом, выходной крутящий момент двигателя Давенпорта, решающий фактор при сравнении электрических машин, составлял лишь около одной десятой от конструкции Якоби, разработанной тремя годами ранее.

В 1835 году, вскоре после появления двигателя Якоби, двое голландцев Стрейтинг и Беккер уже представили первое практическое применение, управляя небольшой электромобилем.

За годы, прошедшие после патента Давенпорта, продвижение Якоби практически не уменьшилось.В то же время, когда Якоби продемонстрировал свою следующую машину осенью 1838 года, двигатель, который имел выходную мощность 300 Вт и мог вести лодку с 14 людьми через широкую реку, Давенпорт показал крошечную модель поезда.

Мотор

Давенпорта не примечателен в историческом контексте. Его конструкция не является существенным улучшением других современных конструкций.

За прошедшие годы компания Davenport произвела большое количество машин.Но в отличие от Вернера Сименса, Джорджа Вестингауза и Томаса Эдисона он не был основателем важной компании. И в отличие от Николы Теслы, например, Томас Давенпорт никогда не мог продать или лицензировать свой патент.

Давенпорт не получил патент на электродвигатель как таковой, а только на его особые конструктивные особенности. В период с 1837 по 1866 год только в Англии другим изобретателям было выдано около 100 патентов на электродвигатели. После того, как Давенпорт модернизировал свой двигатель уже в 1837 году, его патент стал практически бесполезным.

Davenport — это честь быть первым из тысяч инженеров, получивших патент на электродвигатель. Но он не является их изобретателем, и его разработки не оказали сколько-нибудь значительного влияния на дальнейшее развитие электродвигателей.

Расписание 1838 — 1854 гг .: более мощные двигатели, новые применения

В последующие годы начинается поток патентов на электромагнитные машины — около 100 в одной только Англии с 1837 по 1866 год.

Среди изобретателей, имеющих дело с электродвигателями: Джеймс Джоул (англ., 1838 г.), Уильям Тейлор (англ., 1838 г.), Урайа Кларк (1840 г.), Томас Райт (1840 г.), Уитстон (англ., 1841 г.) , де Гарлем (около 1841 г.), П. Элиас (американец, около 1842 г.), Г. Фромент (французский, около 1844 г.), Мозес Г. Фармер (американец, проживавший в 1846 г.), Г.К. Колтон (американец. ab 1847), Hjorth (ab 1849), Thomas Hall (американец ab 1850), TC Avery (ab 1851), Sören Hjorth (датчанин, ab 1851), Du Moncel (французы, ab 1851), Marié Davy (франц. , ab 1855), Пачинотти (Italien, ab 1861)
и другие.

Изначально идет соревнование между колебательными (возвратно-поступательными) и вращательными машинами. Позже колебательные машины полностью исчезают из поля зрения.

Основная проблема первых электродвигателей заключалась в том, что электрический ток от гальванических элементов (цинковых батарей) был слишком дорогим, чтобы конкурировать с паровыми двигателями. Р. Хант сообщил в 1850 году в Британском философском журнале, что электроэнергия даже в самых лучших условиях в 25 раз дороже, чем паровая машина.Только с продолжающейся разработкой электрогенератора (динамо-машины) ситуация начинает меняться.

… подробнее в части 2.

ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ: ПУТЕШЕСТВИЕ ВО ВРЕМЯ

С момента зарождения технологий темпы инноваций продолжали ускоряться.Новые изобретения и технологии облегчают нашу жизнь, но удивительно то, что технологии часто приводят к новым новаторским идеям и открытиям, облегчая проектирование и создание даже более новых технологий. Этот постоянно ускоряющийся цикл инноваций продолжает видоизменять и обновлять мир, в котором мы живем, и это причина, по которой вы можете потягивать старомодный и наблюдать за Сайнфельдом, пока вы упакованы в металлическую трубу, мчащуюся по небу на высоте 30 000 футов Атлантический океан.

История технологии электродвигателей не стала исключением, следуя этой тенденции инноваций на протяжении последних 200 лет.Оглядываясь назад на изобретение первого электродвигателя в 1832 году, трудно представить, какое влияние электродвигатели уже оказали на нашу жизнь и другие технологии, и еще труднее представить себе следующие 200 лет инноваций. Пересказывая историю электродвигателя, мы станем свидетелями ускоряющегося цикла инноваций в реальных условиях и лучше поймем, что нас ждет в будущем.

Изобретение электродвигателя

Ганс Христиан Эрстед экспериментировал с электричеством в 1820 году, когда он заметил, что компас отклоняется, когда он подносит к нему наэлектризованный стержень.Он только что открыл электромагнетизм, и хотя он, несомненно, не осознавал влияния своего открытия, он просто привел в движение мяч для инноваций в технологии электродвигателей.

Вскоре ученые всего мира начали искать применение электромагнетизма для выработки электроэнергии. Уильяму Стерджену, английскому физику, приписывают изобретение первого электродвигателя постоянного тока в 1832 году. Его конструкция была первым электродвигателем, способным приводить в движение механизмы, однако он все еще был сильно ограничен своей низкой выходной мощностью.

Несколько лет спустя в США Томас Дэвенпорт и его жена Эмили Дэвенпорт получили первый патент на электродвигатель постоянного тока в 1837 году. Их конструкция была частичной адаптацией первого двигателя Sturgeon. К сожалению, несмотря на годы экспериментов, конструкция двигателя Давенпорта по-прежнему страдала от тех же проблем с мощностью и эффективностью, с которыми сталкивалась оригинальная конструкция Sturgeon.

Запатентованный двигатель Томаса и Эмили Давенпорт

Тем не менее, самый впечатляющий ранний двигатель был построен русским по имени Мориц фон Якоби, чей электродвигатель установил мировой рекорд по выходной механической мощности в 1834 году, включая двигатель Давенпорта.Якоби тоже не терял времени, внося свои усовершенствования, и только год спустя, в 1835 году, он продемонстрировал увеличенную мощность своей новой конструкции, переправив через реку 14 человек на лодке, приводимой в движение его мотором.

Первый практический двигатель постоянного тока

После первых демонстраций возможностей электродвигателей резко возрос интерес к технологии электродвигателей, вдохновив на создание сотен новых изобретений и открытий. И все же первое поколение электродвигателей прославили пресс-папье.Они были ужасно непрактичными, имели потери напряжения на обмотках, нестабильный ток питания и обычное искрение. В течение следующих 50 лет инженеры и физики работали над решением этих проблем путем оптимизации и изменения основных компонентов электродвигателя.

В период с 1835 по 1886 год в конструкцию ротора и якоря был внесен ряд улучшений в целях разработки первого «практичного» двигателя, при этом заметный вклад внесли итальянский физик Антонио Пачинотти и бельгийский инженер-электрик Зенобе Грамм.Однако только американскому изобретателю Фрэнку Джулиану Спрэгу приписывают изобретение первого «практичного» двигателя в 1886 году.

«Практичный» мотор Фрэнка Джулиана Спрага

Электродвигатель

Sprague устраняет искрение, потерю напряжения на обмотках и может подавать мощность с постоянной скоростью, что делает его первым «практичным» электродвигателем постоянного тока, позволяющим более широко применять электродвигатели. Конструкции двигателей Sprague были практически надежными и довольно мощными, но эффективность этих конструкций оставляла желать лучшего.Спраг будет использовать свои двигатели для разработки первой системы электрических тележек в следующем году в Ричмонде, штат Вирджиния, в 1887 году.

Первые генераторы и электрификация

В Европе, развивая свои ранние открытия и открытия других, Зеноб Грамм в 1871 году разработал свою машину Грамма. Его машина могла преобразовывать механическую энергию в непрерывный ток электрической энергии. Представляя свое изобретение на Всемирной выставке 1873 года в Вене, Грамм случайно обнаружил обратимость электродвигателей, когда он соединил два устройства постоянного тока на расстоянии 2 км друг от друга, одно из которых функционировало как двигатель, а другое — как генератор.

Открытие обратимости электродвигателя постоянного тока доказало, что электродвигатели могут использоваться в качестве генераторов, преобразуя механическую работу в электрическую энергию, а также возвращая неиспользованную энергию обратно источнику, что способствовало развитию первых электрических сетей.

К 1920-м годам страны всего мира начали разработку электрических сетей. Вскоре электричество начало проникать в повседневную жизнь: газовые фонари были заменены электрическими уличными фонарями, кондиционеры теперь охлаждали офисы и дома, а улицы крупных городов были заполнены системами электрических тележек.Электроэнергетика началась, и практичность электрических технологий ускорилась.

Передовая технология двигателей — воздушные зазоры, магниты и многое другое

В 1921 году для электродвигателей была представлена ​​революционная новая концепция конструкции, которая еще больше повысила их надежность и эффективность. Несмотря на то, что группа обслуживания двигателей в США была введена для предотвращения повреждений, вызванных трением между компонентами, было обнаружено, что небольшой воздушный зазор между ротором и статором также способствует прохождению электромагнитного потока в машинах постоянного тока, дополнительно повышая их эффективность.

PCB Stator BLDC Двигатель с воздушным зазором, маркировка

Износ щеточных двигателей постоянного тока будет оставаться проблемой даже после обнаружения воздушного зазора. В щеточных двигателях постоянного тока щетки должны контактировать с коммутаторами для передачи электрических сигналов; эрозия из-за этого постоянного трения приведет к их износу, иногда к перегреву при высоких нагрузках. Их надежность и проблемы с управлением температурой не позволили широко использовать щеточные электродвигатели постоянного тока в мощных устройствах, таких как HVAC и электромобили.

Все изменилось с изобретением бесщеточного коммутатора. Хотя бесщеточные двигатели с постоянными магнитами были открыты в 1962 году, они стали широко использоваться только в 1982 году, когда стали доступны редкоземельные металлы. С помощью постоянных магнитов бесщеточные двигатели постоянного тока могут быть более мощными и эффективными, чем любой щеточный двигатель, при этом обеспечивая превосходное качество движения.

Конечно, открытие бесщеточного двигателя постоянного тока не остановило инноваций, и в конце 80-х пара ученых Джерри Генко и Норман Смит запатентовали двигатель со статором на печатной плате.Их конструкция электрически и механически соединяла статор с печатной платой, чтобы снизить производственные и материальные затраты, связанные с двигателями BLDC с постоянными магнитами.

Современные моторные технологии

Бесщеточные двигатели постоянного тока сегодня на световые годы опережают старые троллейные двигатели 19 века, но их конструкция далека от совершенства. Обычные двигатели BLDC, подобные тем, которые были разработаны в 80-х годах, являются наиболее популярными типами двигателей на рынке сегодня, и их популярность продолжает расти вместе со спросом на углеродно-нейтральные продукты и доступные системы кондиционирования воздуха.Потребность в решениях с еще более высокой выходной мощностью в меньшем корпусе, меньшим воздействием на окружающую среду и жизнеспособным процессом массового производства будет продолжать расти.

Создавая на основе 200-летних открытий, команда ECM пересмотрела идею Дженко и Смита, подойдя к ней с точки зрения 21 века. За счет встраивания протравленных медью проводников в многослойную печатную плату для формирования статора, который работает вместе с постоянными магнитами, запатентованная технология ECM устраняет необходимость в обмотке проводов и слоях железа, используемых в обычных двигателях и генераторах.

Запатентованная печатная плата статора и двигателя ЭСУД

Использование

ECM статора на печатной плате в конструкции постоянного магнита с постоянным магнитом позволяет им разрабатывать невероятно тонкие и легкие двигатели, которые используют до 80% меньше сырья. Кроме того, используя свой революционно новый дизайн, команда ECM создала программное обеспечение для проектирования, PrintStator, чтобы автоматически создавать уникальные конструкции статоров печатных плат и включать все запатентованные конструктивные особенности ECM. PrintStator оптимизирует геометрию и толщину меди в статорах печатных плат, чтобы создать машину с превосходной плотностью крутящего момента и энергоэффективностью.

Изображение запатентованной конструкции электродвигателя статора на печатной плате контроллера ЭСУД в разобранном виде

В 2015 году был запущен PrintStator, который использовался в качестве прототипа среднего привода для электрического велосипеда. На основе дискретных входов PrintStator автоматически сгенерировал уникальный дизайн статора печатной платы вместе со связанным файлом Gerber, указав подробные характеристики сборки, повсеместно используемые производителями печатных плат для печати проекта. К концу 2019 года компания ECM собрала 10 патентов, касающихся конструкции и программного обеспечения PCB Stator BLDC.PrintStator был использован для успешной интеграции платформы PCB Stator в электромобильность, HVACR, робототехнику, военную, морскую и медицинскую промышленность.

Конструкция двигателя статора печатной платы

ECM решает многие проблемы, с которыми сталкивались электродвигатели с момента их изобретения в 1832 году, значительно улучшая надежность, эффективность и удельную мощность двигателя, но также решая проблемы современных технологий, включая устойчивость, технологичность, размер и вес. Использование статоров на печатной плате в двигателях BLDC, безусловно, является следующим этапом эволюции технологии электродвигателей, но, как мы видим из прошлого, оно не будет последним.

________________

Приложение

[1] https://edisontechcenter.org/electricmotors.html#:~:text=History%20and%20Inventors%3A,motion%20devices%20 using%20electromagnetic%20fields. — Ранняя история электродвигателей и изобретатели
[2] https://shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/50968/4/chapter%201.pdf — Первые бесщеточные двигатели постоянного тока
[3] https: // patents.justia.com/inventor/robert-e-lordo (Патенты на двигатели BLDC) — Патенты на двигатели BLDC с постоянными магнитами
[4] https: // www.eti.kit.edu/english/1382.php (источник изображения и информации о первых двигателях Jacobi)
[5] http://www.bera.org/articles/sprague.html (изображение двигателя Sprague)
[6] https : //www.hemmings.com/stories/2020/01/31/why-thomas-and-emily-davenport-shouldnt-get-credit-for-inventing-the-electric-vehicle (Изображение двигателя Davenport)

Электромагнитный ротационный аппарат Майкла Фарадея (двигатель)

Этот простой на вид объект был создан Майклом Фарадеем в 1822 году. Его простота скрывает его истинное значение как первого сохранившегося электродвигателя.

В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед объявил о своем открытии, согласно которому электрический ток, протекающий по проводу, создает вокруг него магнитное поле. Андре-Мари Ампер продолжил и показал, что магнитная сила, по-видимому, была круговой, создавая, по сути, цилиндр магнетизма вокруг провода. Такой круговой силы раньше не наблюдалось.

Британский ученый-самоучка Майкл Фарадей (1791–1867) первым понял, что означают эти открытия.Если магнитный полюс можно изолировать, он должен постоянно перемещаться по кругу вокруг токоведущего провода.

В 1821 году Фарадей попытался понять работу Эрстеда и Ампера, разработав свой собственный эксперимент с использованием небольшой ртутной ванны. Это устройство, преобразовывающее электрическую энергию в механическую, было первым электродвигателем.

Этот аппарат — единственный сохранившийся оригинальный образец, сделанный Фарадеем на следующий год после его открытия в 1822 году.

Двигатель оснащен жестким проводом, который свешивается в стеклянный сосуд, на дне которого закреплен стержневой магнит.Тогда стеклянный сосуд будет частично заполнен ртутью (металл, который является жидким при комнатной температуре и является отличным проводником). Фарадей подключил свой аппарат к батарее, которая пропускала электричество по проводу, создавая вокруг него магнитное поле. Это поле взаимодействовало с полем вокруг магнита и заставляло проволоку вращаться по часовой стрелке.

Это открытие привело Фарадея к размышлениям о природе электричества. В отличие от своих современников, он не был убежден, что электричество — это материальная жидкость, которая течет по проводам, как вода по трубе.Вместо этого он думал об этом как о вибрации или силе, которые каким-то образом передаются в результате напряжений, созданных в проводнике.

Важность изобретения электродвигателя Майклом Фарадеем

За время своей жизни с 1791 по 1867 год английский изобретатель и химик Майкл Фарадей добился огромных успехов в области электромагнетизма и электрохимии. Хотя он также отвечал за создание ключевых терминов, таких как «электрод», «катод» и «ион», изобретение электродвигателя Фарадеем знаменует его самый почитаемый вклад в историю, и его важность для технологической структуры мира продолжает оставаться в этом свете. день.

Кристаллизующие принципы

Во времена Майкла Фарадея электричество было хорошо известно в научном сообществе, но его место в технологическом мире было не более чем любопытством. Открыв и применив два ключевых принципа — электромагнитное вращение и электромагнитную индукцию в 1821 и 1831 годах, соответственно — Фарадей смог применить электричество к работающему электродвигателю в 1832 году. Вырабатывая электричество, перемещая магнит через катушку с проволокой, он приводил в действие первый в мире электродвигатель, а затем электрический генератор и трансформатор собственного производства.По сути, изобретение Фарадеем электродвигателя, преобразующего электрический ток в механическую энергию, взяло существующие идеи и теории об электричестве и сделало их конкретными, практичными и полезными.

Breaking Ground

Изобретение Фарадея проложило путь другим изобретателям к оттачиванию и совершенствованию электродвигателя. Под руководством Фарадея француз Ипполит Пикси создал первое устройство, способное выдавать переменный ток посредством вращения. В 1833 году Генрих Фридрих Эмиль Ленц разработал закон взаимности относительно электрических генераторов и двигателей.В следующем году Мориц Герман Якоби объединил эти знания для создания электродвигателя, который полностью превзошел изобретение Фарадея как по мощности, так и по механической мощности. Дальнейшее развитие концепции продолжалось столь же устойчивыми темпами, пока в начале 1870-х изобретатели, в том числе Зеноб Теофил Грамм и Фридрих фон Хефнер-Альтенек, не создали современные электродвигатели, способные производить стабильно плавные постоянные токи без отливов. это характеризовало ранние электродвигатели.

Электрическая революция

К 1880-м годам электродвигатели, усовершенствовавшие концепцию Фарадея, производили энергию в больших масштабах, при этом электрические генераторы приводили в действие все, от промышленности до транспорта и — с изобретением угольной лампы накаливания в 1870-х годах внутреннее освещение. Электродвигатель стал мощной силой в промышленности, особенно в Америке; В отличие от Британии, у которой была укоренившаяся угольно-газовая инфраструктура, развивающаяся Америка могла полностью использовать электроэнергию.Таким образом, электродвигатель сыграл ключевую роль во «Второй промышленной революции», которая длилась примерно с 1870 по 1914 год. Как только электродвигатели стали частью современного общества, они никогда не исчезли; Сегодня в таких разнообразных устройствах, как ручные дрели и дисководы, используются маломасштабные электрические двигатели.

Chemical Contributions

Не весь вклад Майкла Фарадея в развитие общества был основан на электричестве. Как признанный химик, Фарадей открыл соединение углерода бензол, а в 1823 году он был первым ученым, сжижающим газ.Он также работал профессором химии в Королевском институте и часто консультировал английское правительство по вопросам науки. Позже он вернулся к электричеству, разработав полевую теорию электромагнетизма, ключевой компонент современной физики, на протяжении 1840-х и 1850-х годов.

Изобретение электродвигателя и электрогенератора

Изобретение электродвигателя

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел электрическую батарею — Voltaic Pile.

В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка (компас) отклоняется, когда помещается рядом с проводом, по которому течет ток, и это означает, что электрический ток создает магнитное поле. Это была первая демонстрация механического движения, вызванного электрическим током.

http: //www-spof.gsfc.nasa.gov …
https: //nationalmaglab.org …
http: //www.youtube.com …

Майкл Фарадей был впечатлен открытиями Эрстеда, и в результате преобразование электрической энергии в механическую с помощью электромагнитных средств было впервые продемонстрировано им в 1821 году.По сути, свободно висящий провод погружали в бассейн с ртутью, в который помещали постоянный магнит. Когда через провод протекает ток, провод вращается вокруг магнита, показывая, что ток вызывает круговое магнитное поле вокруг провода, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита, и возникающая в результате сила, действующая на провод, раскручивает его.

Этот примитивный мотор не имеет практического применения и служит в основном для демонстрационных целей на школьных уроках физики.Ядовитую ртуть иногда заменяют рассолом (соленой водой). Использование проводящей жидкости (ртуть, рассол) возникает из-за необходимости обеспечить свободное движение провода и замкнуть электрическую цепь (алюминиевая фольга или любой прочный провод могут служить той же цели).

Демонстрации мотора Фарадея:
https: //nationalmaglab.org …
http: //www.youtube.com …

Это простое преобразование электричества во вращательное движение можно также продемонстрировать с помощью неодимового дискового магнита, шурупа для гипсокартона, щелочного элемента батареи, провода и элемента батареи, соединенных последовательно.Винт и магнит крутятся.

Демонстраций:
http: //www.youtube.com …
http: //www.youtube.com …

Двигатели, которые работают в соответствии с принципами, описанными выше, называются униполярными двигателями в отличие от современных более эффективных двигателей постоянного тока, в которых используется коммутатор для изменения направления потока тока для поддержания непрерывного вращения. Униполярный двигатель может производить непрерывное вращение без необходимости реверсирования тока.Поскольку для работы двигателя требуется одна и та же электрическая полярность, греческое слово homos = то же самое, используемое в сочетании с «полярностью», создает термин униполярный.

Правая сторона в основном такая, как описано выше (свободный провод обведен вокруг неподвижного магнита). Затем Фарадей изменил установку, на этот раз с помощью фиксированного провода и болтающегося стержневого магнита, который вращался вокруг фиксированного провода при подаче тока. Принцип снова тот же — свободная часть обводится вокруг неподвижной части. Здесь использование ртути позволило магниту, помимо проводимости, свободно плавать.Учтите, что магнит должен быть изготовлен из проводящего материала, чтобы замкнуть электрическую цепь.

Изобретение Фарадея, хотя и примитивное, было первым шагом в развитии электродвигателя.

Колесо Барлоу, самый ранний вид униполярного двигателя, основанный на открытиях Эрстеда и Фарадея, был построен англичанином Питером Барлоу в 1822 году.

Электрический ток проходит через ступицу колеса, обод которого погружен в небольшую ртутную ванну.Взаимодействие тока с магнитным полем U-магнита заставляет колесо вращаться. Зубчатое колесо заменяет свободную проволоку (наконечники) в эксперименте Фарадея. Хотя оригинальное колесо, представленное Барлоу, было зубчатым, оно также будет работать с гладким круглым металлическим диском, обычно сделанным из проводящего материала, такого как медь. Вы можете попробовать сравнить эффективность двух конструкций.

Демонстрация колеса Барлоу:
https: //nationalmaglab.org …
http: // www.youtube.com …
http: //physics.kenyon.edu …

Изобретение электрического генератора

В то время как униполярный двигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию, униполярный генератор делает обратное: преобразует механическую энергию в электричество путем обратного действия. Если в вышеупомянутых экспериментах с электродвигателем Фарадея электрический ток, проходящий через свободный провод, заставлял его вращаться вокруг постоянного магнита, то движущийся провод через магнитное поле (перпендикулярное ему) будет создавать напряжение на проводе, и если цепь замкнут и ток.

Короче говоря, в присутствии электромагнитного поля ток может перемещать провод, а движение провода может генерировать ток.

Этот обратный принцип (закон индукции Фарадея) был открыт в 1831 году Майклом Фарадеем и фактически открыл принцип действия электромагнитных генераторов. Фарадей построил первый электромагнитный генератор, названный диском Фарадея, тип униполярного генератора, используя медный диск (вместо провода), вращающийся между полюсами подковообразного магнита.Когда диск вращался ручкой, устройство создавало небольшое постоянное напряжение между его ступицей и ободом.

Согласно закону Фарадея генерируемое напряжение пропорционально скорости изменения магнитного потока, и практический смысл состоит в том, что чем быстрее вы вращаете диск, тем выше будет генерируемое напряжение.
https: //en.wikipedia.org …

Продвинутое предложение проекта: продемонстрировать и объяснить парадокс Фарадея:
http://maxwellsociety.net…

Ссылки:
Изобретение электродвигателя 1800-1854
Разработка электродвигателя
Моделирование и имитация простого униполярного электродвигателя типа Фарадея
Несколько простых демонстрационных экспериментов с использованием униполярных электродвигателей

Книги

& nbsp & nbsp & nbsp & nbsp
& nbsp & nbsp & nbsp & nbsp
& nbsp & nbsp & nbsp & nbsp
& nbsp & nbsp & nbsp & nbsp

Майкл Фарадей, изобретатель электродвигателя

Майкл Фарадей (род.22, 1791) был британским физиком и химиком, наиболее известным своими открытиями электромагнитной индукции и законов электролиза. Его самым большим прорывом в области электричества стало изобретение электродвигателя.

Ранняя жизнь

Фарадей родился в 1791 году в бедной семье в Ньюингтоне, деревня графства Суррей на юге Лондона. Его детство было трудным и пронизанным нищетой.

Мать Фарадея оставалась дома, чтобы заботиться о Майкле и его трех братьях и сестрах, а его отец был кузнецом, который часто слишком болел, чтобы постоянно работать, а это означало, что дети часто оставались без еды.Несмотря на это, Фарадей рос любопытным ребенком, все ставил под сомнение и всегда чувствовал острую потребность узнать больше. Он научился читать в воскресной школе христианской секты, к которой принадлежала его семья, называемой сандеманианцами, что сильно повлияло на его подход к природе и ее толкование.

В 13 лет он стал мальчиком на побегушках в переплетном магазине в Лондоне, где он прочитал каждую книгу, которую переплетал, и решил, что однажды он напишет свою собственную. В этом переплетном магазине Фарадей заинтересовался концепцией энергии, в частности силы, благодаря статье, которую он прочитал в третьем издании Encyclopdia Britannica.Благодаря раннему чтению и экспериментам с идеей силы, он смог сделать важные открытия в области электричества в более позднем возрасте и в конечном итоге стал химиком и физиком.

Однако только после того, как Фарадей посетил лекции по химии сэра Хамфри Дэви в Королевском институте Великобритании в Лондоне, он смог, наконец, продолжить свои исследования в области химии и естественных наук. После посещения лекций Фарадей связал сделанные записи и отправил их Дэви, чтобы подать заявление на учебу под его руководством, а несколько месяцев спустя он начал работу в качестве лаборанта Дэви.

Стажировки и ранние исследования в области электричества

Дэви был одним из ведущих химиков того времени, когда Фарадей присоединился к нему в 1812 году, открыв натрий и калий и изучив разложение соляной (соляной) кислоты, что привело к открытию хлора. Следуя атомной теории Руджеро Джузеппе Босковича, Дэви и Фарадей начали интерпретировать молекулярную структуру таких химикатов, что сильно повлияло на идеи Фарадея об электричестве.

Когда второе ученичество Фарадея у Дэви закончилось в конце 1820 года, Фарадей знал о химии не меньше, чем кто-либо другой в то время, и он использовал это новообретенное знание для продолжения экспериментов в области электричества и химии. В 1821 году он женился на Саре Барнард и поселился в Королевском институте, где проводил исследования электричества и магнетизма.

Фарадей построил два устройства для создания того, что он назвал электромагнитным вращением, непрерывным круговым движением за счет круговой магнитной силы вокруг провода.В отличие от своих современников в то время, Фарадей интерпретировал электричество как больше вибрации, чем поток воды по трубам, и начал экспериментировать, основываясь на этой концепции.

Одним из его первых экспериментов после открытия электромагнитного вращения была попытка пропустить луч поляризованного света через электрохимически разлагающийся раствор для обнаружения межмолекулярных деформаций, которые может вызвать ток. Однако на протяжении 1820-х годов повторные эксперименты не дали результатов.Пройдет еще 10 лет, прежде чем Фарадей совершит огромный прорыв в химии.

Обнаружение электромагнитной индукции

В следующем десятилетии Фарадей начал свою большую серию экспериментов, в которых он открыл электромагнитную индукцию. Эти эксперименты составят основу современной электромагнитной технологии, которая используется до сих пор.

В 1831 году, используя свое «индукционное кольцо» — первый электронный трансформатор, — Фарадей сделал одно из своих величайших открытий: электромагнитную индукцию, «индукцию» или генерацию электричества в проводе посредством электромагнитного воздействия тока в другом проводе.

Во второй серии экспериментов в сентябре 1831 года он открыл магнитоэлектрическую индукцию: производство постоянного электрического тока. Для этого Фарадей через скользящий контакт прикрепил два провода к медному диску. Вращая диск между полюсами подковообразного магнита, он получил непрерывный постоянный ток, создав первый генератор. В результате его экспериментов появились устройства, которые привели к созданию современного электродвигателя, генератора и трансформатора.

Продолжение экспериментов, смерть и наследие

Фарадей продолжал свои электрические эксперименты на протяжении большей части своей дальнейшей жизни.