200 лет электродвигателю / Хабр

Электромотор Фарадея 1822 года

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед ввел электромагнитную теорию в состояние замешательства. Натурфилософы того времени считали, что электричество и магнетизм — это два разных явления, но Эрстед предположил, что поток электричества через провод создает вокруг него магнитное поле. Французский физик Андре-Мари Ампер увидел демонстрацию эксперимента Эрстеда, в котором электрический ток отклонял магнитную иглу, и разработал математическую теорию для объяснения этой взаимосвязи.

Английский ученый Майкл Фарадей вскоре вступил в полемику, когда Ричард Филлипс, редактор журнала «Анналы философии», попросил его написать статью об истории электромагнетизма — области, которой было всего около двух лет и которая явно находилась в состоянии становления.

Фарадей был интересным кандидатом для этой задачи, о чем Нэнси Форбс и Бэзил Махон рассказывают в своей книге 2014 года «Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле». Он родился в 1791 году и получил лишь самое скромное образование в церковной школе в своей деревне Ньюингтон, Суррей (сейчас это часть Южного Лондона). В возрасте 14 лет он стал подмастерьем у переплетчика. Он прочитал много книг, которые переплетал, и продолжал искать возможности учиться дальше. В 1812 году, когда ученичество Фарадея подходило к концу, один из клиентов переплетчика предложил Фарадею билет на прощальную лекцию Хамфри Дэви в Королевском институте Великобритании.

Дэви, который был всего на 13 лет старше Фарадея, уже прославился как химик. Он открыл натрий, калий и несколько соединений, а также изобрел шахтерскую лампу. Кроме того, он был харизматичным оратором. Фарадей делал подробные записи лекций и отправлял копии Дэви с просьбой о трудоустройстве. Когда в Королевском институте открылась вакансия ассистента по химии, Дэви взял Фарадея на работу.

Фарадей (слева), Дэви (справа).

Дэви был наставником Фарадея и обучил его принципам химии. Фарадей отличался ненасытным любопытством, и его репутация в Королевском институте росла. Но когда Филлипс попросил Фарадея написать обзорную статью для «Анналов», он только начинал заниматься электромагнетизмом и был несколько обескуражен математикой Ампера.

В душе Фарадей был экспериментатором, поэтому, чтобы написать подробный отчет, он повторил эксперименты Эрстеда и попытался следовать рассуждениям Ампера. Его «Исторический очерк электромагнетизма», опубликованный анонимно в «Анналах», описывал состояние этой области, текущие исследовательские вопросы и экспериментальную аппаратуру, теоретические разработки и основных участников. (Краткое изложение статьи Фарадея см. в статье Aaron D. Cobb «Michael Faraday’s ‘Historical Sketch of Electro-Magnetism’ and the Theory-Dependence of Experimentation» в декабрьском выпуске Philosophy of Science за 2009 год («Исторический очерк электромагнетизма Майкла Фарадея» и зависимость экспериментов от теории « в декабрьском выпуске 2009 года Философия науки).

Реконструируя эксперименты Эрстеда, Фарадей не был полностью убежден, что электричество действует как жидкость, протекая по проводам так же, как вода по трубам. Вместо этого он думал об электричестве как о колебаниях, возникающих в результате напряжения между проводящими материалами. Эти мысли заставляли его экспериментировать.

3 сентября 1821 года Фарадей наблюдал круговое вращение провода, притягиваемого и отталкиваемого магнитными полюсами. Он зарисовал в своем блокноте вращение по часовой стрелке вокруг южного полюса магнита и обратное вращение вокруг северного полюса. «Очень убедительно», — написал он в своем дневнике о проведенном эксперименте, — «но надо сделать более разумный прибор».

На следующий день у него все получилось. Он взял глубокий стеклянный сосуд, закрепил в нем магнит вертикально с помощью воска, а затем наполнил сосуд ртутью так, чтобы магнитный полюс находился чуть выше поверхности. Он опустил в ртуть жесткую проволоку и подключил прибор к батарее. Когда по цепи проходил ток, он создавал круговое магнитное поле вокруг проволоки. Когда ток в проволоке взаимодействовал с постоянным магнитом, закрепленным на дне блюда, проволока вращалась по часовой стрелке. На другой стороне прибора провод был закреплен, а магнит мог свободно перемещаться, что он и делал по кругу вокруг провода.

Чтобы ознакомиться с наглядной анимацией работы аппарата Фарадея, посмотрите это учебное пособие, созданное Национальной лабораторией высоких магнитных полей. А для желающих собрать свой собственный двигатель Фарадея можно посмотреть это видео:

Хотя устройство Фарадея было отличным доказательством концепции, оно было не так уж полезно, разве что в качестве салонного фокуса. Вскоре люди стали расхватывать карманные двигатели в качестве подарков.

Хотя оригинального моторчика Фарадея больше не существует, зато существует тот, который он построил в следующем году; он хранится в коллекции Королевского института и изображен на фото в начале публикации. Эта простая на вид конструкция является самым ранним примером электродвигателя, первого устройства, превращающего электрическую энергию в механическое движение.

Последствия изобретения Фарадея

Фарадей знал силу быстрой публикации, и менее чем за месяц он написал статью «О некоторых новых электромагнитных движениях и теории электромагнетизма», которая была опубликована в следующем номере «Ежеквартального журнала науки, литературы и искусства». К сожалению, Фарадей не оценил необходимость полного признания вклада других в открытие.

Через неделю после публикации Хамфри Дэви нанес своему подопечному сокрушительный удар, обвинив Фарадея в плагиате.

Дэви обладал печально известным чувствительным эго. Он также был расстроен тем, что Фарадей не отметил должным образом его друга Уильяма Хайда Волластона, который более года изучал проблему вращательного движения с помощью токов и магнитов. Фарадей упоминает обоих в своей статье, а также Ампера, Эрстеда и некоторых других. Но он не называет никого из них своим соавтором, помощником или сооткрывателем. Фарадей не работал непосредственно с Дэви и Волластоном над их экспериментами, но он подслушал разговор между ними и понял направление их работы. Кроме того, в ранних публикациях было принято (и до сих пор принято) отмечать заслуги своего консультанта.

Фарадей пытался очистить свое имя от обвинений в плагиате и в основном преуспел в этом, хотя его отношения с Дэви оставались напряженными. Когда Фарадей был избран членом Королевского общества в 1824 году, единственный голос против подал президент общества, Хамфри Дэви.

Следующие несколько лет Фарадей избегал работы в области электромагнетизма. Было ли это его собственным выбором или он был вынужден сделать его из-за того, что Дэви поручил ему трудоемкие обязанности в Королевском институте, вопрос открытый.

Одним из заданий Фарадея было спасение финансов Королевского института, что он и сделал, оживив серию лекций и введя популярную рождественскую лекцию. Затем в 1825 году Королевское общество попросило его возглавить Комитет по улучшению стекла для оптических целей — попытку возродить британскую стекольную промышленность, которая уступила позиции французским и немецким производителям линз. Это была утомительная, бюрократическая работа, которую Фарадей выполнял как патриотический долг, но рутина и постоянные неудачи выбили его из колеи.

Эксперименты Фарадея в 1831 году привели к созданию трансформатора и динамо-машины

В 1831 году, через два года после смерти Дэви и после завершения работы Фарадея в рабочей группе над стекольным проектом, он вернулся к экспериментам с электричеством, занявшись акустикой. Он объединился с Чарльзом Уитстоном для изучения звуковых колебаний. Фарадея особенно интересовало, как звуковые колебания можно наблюдать, когда скрипичный смычок проводит по металлической пластине, слегка присыпанной песком, создавая отчетливые узоры, известные как фигуры Хладни. В этом видеоролике:

Фарадей изучал нелинейные стоячие волны, образующиеся на поверхности жидкости, которые сегодня известны как волны Фарадея или пульсации Фарадея. Он опубликовал свое исследование «О своеобразном классе акустических фигур; и о некоторых формах, принимаемых группами частиц на вибрирующих упругих поверхностях» в «Философских трудах Королевского общества».

Все еще убежденный в том, что электричество каким-то образом вибрирует, Фарадей задался вопросом, может ли электрический ток, проходящий через проводник, вызвать ток в соседнем проводнике. Это привело его к одному из самых известных изобретений и экспериментов — индукционному кольцу. 29 августа 1831 года Фарадей подробно описал в своем блокноте эксперимент со специально подготовленным железным кольцом. Он обмотал одну сторону кольца тремя отрезками изолированной медной проволоки, каждый длиной около 24 футов (7 метров). Другую сторону он обмотал примерно 60 футами (18 метрами) изолированной медной проволоки. (Хотя он описывает только собранное кольцо, на обмотку проводов у него, вероятно, ушло много дней. Современные экспериментаторы, создавшие реплику, потратили на это 10 дней). Затем он начал заряжать одну сторону кольца и наблюдать за эффектом на магнитной игле, расположенной на небольшом расстоянии. К своему восторгу, он смог вызвать электрический ток от одного набора проводов к другому, создав таким образом первый электрический трансформатор.

Запись в записной книжке Фарадея от 29 августа 1831 года описывает его эксперимент с железным индукционным кольцом, связанным проволокой, -первым электрическим трансформатором.

Фарадей не прекращал эксперименты до осени 1831 года, на этот раз с постоянным магнитом. Он обнаружил, что может производить постоянный ток, вращая медный диск между двумя полюсами постоянного магнита. Это было первое динамо и прямой предок действительно полезных электродвигателей.

Спустя двести лет после открытия электродвигателя Майкла Фарадея по праву помнят за все его работы в области электромагнетизма, а также за его способности химика, лектора и экспериментатора. Но сложные отношения Фарадея с Дэви также говорят о проблемах учеников (и наставников), издательской деятельности, а также о том, как держать (или не держать) личные обиды. Иногда говорят, что Фарадей стал величайшим открытием Дэви, что несколько несправедливо по отношению к Дэви, который сам по себе был достойным ученым. Когда репутация Фарадея начала затмевать репутацию его наставника, Фарадей допустил несколько ошибок, ориентируясь в урезанном, чувствительном ко времени мире научных публикаций. Но он продолжал делать свою работу — и делал ее хорошо, — внося неизменный вклад в работу Королевского института. Через десять лет после своего первого открытия в области электромагнетизма он превзошел себя в другом. Неплохо для самоучки с слабым знанием математики.

---

• Первая в России серийная система управления двухтопливным двигателем с функциональным разделением контроллеров
• В современном автомобиле строк кода больше чем…
• Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive

Вакансии

НПП ИТЭЛМА всегда рада молодым специалистам, выпускникам автомобильных, технических вузов, а также физико-математических факультетов любых других высших учебных заведений.

У вас будет возможность разрабатывать софт разного уровня, тестировать, запускать в производство и видеть в действии готовые автомобильные изделия, к созданию которых вы приложили руку.

В компании организован специальный испытательный центр, дающий возможность проводить исследования в области управления ДВС, в том числе и в составе автомобиля. Испытательная лаборатория включает моторные боксы, барабанные стенды, температурную и климатическую установки, вибрационный стенд, камеру соляного тумана, рентгеновскую установку и другое специализированное оборудование.

Если вам интересно попробовать свои силы в решении тех задач, которые у нас есть, пишите в личку.

• Старший инженер программист
• Системный аналитик
• Руководитель группы калибровки
• Ведущий инженер-испытатель
• Инженер по требованиям
• Инженер по электромагнитной совместимости
• Системный аналитик
• Старший инженер-программист ДВС

О компании ИТЭЛМА

Мы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров.

Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.

У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.

Список полезных публикаций на Хабре

• Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
• [Прогноз] Транспорт будущего (краткосрочный, среднесрочный, долгосрочный горизонты)
• Лучшие материалы по взлому автомобилей с DEF CON 2018-2019 года
• [Прогноз] Motornet — сеть обмена данными для роботизированного транспорта
• Компании потратили 16 миллиардов долларов на беспилотные автомобили, чтобы захватить рынок в 8 триллионов
• Камеры или лазеры
• Автономные автомобили на open source
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive
• Очередная война операционок уже идет под капотом автомобилей
• Программный код в автомобиле
• В современном автомобиле строк кода больше чем…

История создания электродвигателя

Aleksandr

Автор:

Aleksandr

25 февраля 2021 20:05

Метки: изобретение   история   электродвигатель   

Электродвигатели настолько плотно вошли в нашу жизнь, что мы даже не представляем себе жизни без них. А вы знаете, как создавался прототип современного электродвигателя?

Первые эксперименты с электромагнитными устройствами
Я хочу начать свой рассказ немного издалека и расскажу тезисно о самых первых исследовательских работах с электромагнитными устройствами.

И начну с экспериментов итальянского ученого А. Вольта, который сконструировал первейший в мире химический источник тока более 200 лет тому назад, а именно в 1800 году.

Спустя двадцать лет уже датский физик Эрстед открывает уникальное свойство: оказывается протекающий ток способен отклонять в плоскости магнитную стрелку.

А уже в 1821 году М. Фарадей, британский прославленный ученый и экспериментатор, представил широкой публике свой трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма». В своем труде физик подробно описал, каким образом заставить магнитную стрелку безостановочно крутиться возле фиксированного магнитного полюса.

Выполненная ученым установка позволяла создать безостановочное трансформирование электрической энергии в механическую. Общепринято именно эту конструкцию считать самым первым электродвигателем в современной человеческой истории.

1822 год француз Андре Мари Ампер открывает магнитный эффект соленоида и была сформулирована идея полной эквивалентности катушки с протекающим током и постоянного магнита. Так же для усиления магнитного эффекта было впервые предложено поместить в центр катушки металлический сердечник.

В этом же году П. Барлоу изобретает униполярный электродвигатель – колесо Барлоу.

1825 год. Ж. Араго демонстрирует общественности опыт, в ходе которого медный диск приводил в движение магнитную стрелку, которая подвешивалась над ним (диском).

В том же году У. Стерджен конструирует первый электромагнит.

В знаменательный 1831 год сразу два великих физика М. Фарадей и Д. Генри, независимо друг от друга открывают такое явление как электромагнитная индукция. Вот только Фарадей первым опубликовывает свои исследования этого явления.

1832 год. Француз И. Пикси создает первый генератор переменного тока следующей конструкции: напротив двух катушек с металлическим сердечником располагался свободно вращающийся магнит подковообразного вида. После добавления к данной конструкции коммутатора установка стала вырабатывать пульсирующий постоянный ток.

В 1833 году общественность увидела электродвигатель на постоянном токе и продемонстрировал эту конструкцию У. Стреджен. И его конструкция считается первой, применимой на практике.

Все тот же год, Э. Х. Ленц публикует свой труд, в котором доказывает взаимозаменяемость электрического двигателя и генератора (закон взаимности магнитоэлектрических явлений).

И вот только теперь мы добрались до первых реальных электрических двигателей
Май 1934 года

Борис Семенович Якоби разрабатывает первый в мире электродвигатель у которого вращается рабочий вал – все существующие двигатели до этого имели якорь с возвратно поступательным или качательным движением.

Созданный двигатель Якоби имел мощность в 15 Вт и имел частоту вращения вала в диапазоне от 80 до 120 оборотов за 60 секунд.

1939 год
Якоби впервые катает 14 пассажиров по Неве. При этом лодка приводилась в движение электромотором мощностью в 1 лошадиную силу и запитанным от 69 элементов Грове. Это эпохальное событие, которое считается первым реальным применением электродвигателя.

1856 год
Вернер фон Сименс (основатель одноименной фирмы) изобретает первый электрический генератор с двойным Т-образным якорем. Именно он первый придумал расположить обмотки в специальных пазах.

1871-1873 годы
Бельгиец Зеноб Теофил Грамм путем доработки устраняет главный минус электромашин с Т-образным ротором (сильная пульсация вырабатываемого тока и перегрев). Он предлагает использовать конструкцию генератора с самовозбуждением и кольцевым якорем.

1885 год
Г. Феррарис, а затем в 1887 году Н. Тесла независимо друг от друга (по крайней мере так считается) создают двухфазный асинхронный двигатель, вот только Феррарис отказывается от дальнейшего улучшения созданного прототипа, так как считает его малоэффективным. А Тесла патентует свое изобретение и как показала история ошибочно считает двухфазную систему перспективной в будущем.

1889 – 1891

Михаил Осипович Доливо – Добровольский ознакомившись с трудами Феррариса изобретает ротор в виде «Беличьей клетки». Дальнейшие работы позволяют создать трехфазную систему переменных токов и трехфазного асинхронного двигателя, конструкция которого на данный момент мало чем изменилась с момента изобретения.

Вот такой витиеватый и очень интересный путь привел к созданию современного мира энергетики.

Источник:

Еще крутые истории!

• Британка похудела благодаря регулярному сексу с мужем

• «Пивное облако», странные развлечения прошлого и другие любопытные факты и истории

• Мексиканская пара нашла новый способ накопить на мечту

• Мужчина заметил опоссума, который без движения лежал на его крыльце

Метки: изобретение   история   электродвигатель   

Новости партнёров

15 занятных фотографий, которые покажут, что скрыто внутри знакомых вещей

Реальность взрослой жизни, к которой нас не готовили с детства

Лучше одному! Искренний пост про отношения между мужчинами и женщинами

Бесфамильные исландцы

Пушистость, слюнявость, глазастость и даже чешуйчатость против постпраздничного синдрома

Без комиссии и путаницы в цифрах: денежный перевод по номеру телефона

Показать ещё

Удиви меня!

История электродвигателей

Вы задумывались, где бы мы были без электродвигателей? Сегодня вы можете найти их повсюду, от наших автомобилей до наших зубных щеток. Электродвигатели также используются для производства продуктов, которые делают возможной нашу современную жизнь. Поскольку электродвигатели так важны для сегодняшнего дня, давайте изучим их историю и посмотрим, как мы к этому пришли.

Блог по теме: Борьба с повышением температуры в панелях управления электродвигателей

Ранняя история

Первый пригодный к эксплуатации электродвигатель постоянного тока был построен Морицем фон Якоби в мае 1834 года. Позже Якоби построил лодку, приводимую в движение его электродвигателем, которая перевезла 14 человек через широкую реку. С этим реальным применением электромеханической энергии наступила эра электродвигателей.

Работа над электродвигателями продолжалась на протяжении многих лет, и к 1887 году в Ричмонде, штат Вирджиния, была введена в эксплуатацию первая тележка с электродвигателем. После этого вскоре были разработаны другие приложения для электродвигателей, и в 189 г. 2 электрических лифта можно найти в зданиях и других сооружениях.

Промышленный век

Вскоре после этого электродвигатели нашли применение в промышленности. До этого времени промышленные процессы приводились в действие ремнями или валами, которые распределяли движение от сжатого воздуха, пара или гидравлического давления.

Настройка или модификация процесса может быть трудоемким и длительным процессом для организации распределения электроэнергии. Это было дорого и медленно.

Электродвигатели изменили это. Внезапно каждая рабочая станция или процесс могут иметь свой собственный источник движения, вдали от распределенных ремней и валов. Это значительно упростило производственный процесс, позволив создавать оборудование, которое могло бы в полной мере использовать доступное пространство.

Промышленная революция

Эта новообретенная возможность автономного оборудования позволила магазинам нанять больше людей для средней фабрики. Это также было безопаснее, поскольку отпала необходимость в распределении через ремни и валы. Фабрика больше не была лабиринтом опасного распределения механической энергии.

Вскоре для двигателей были разработаны электрические системы управления. Эта возможность точного управления позволяла специальному оборудованию выполнять работы, которые в прошлом были трудными или невозможными. Машины были усовершенствованы, чтобы воспользоваться этой возможностью, и вскоре на рынке появился новый класс продуктов.

Благодаря электродвигателю у нас появилось больше рабочих мест, лучшее оборудование и новые процессы, которые позволили создать новые продукты и рынки. Промышленная революция была на нас.

Применение повсюду

В те ранние годы электродвигатели не ограничивались только промышленностью. Вскоре их стали использовать на мельницах, заменив животную и гидравлическую энергию. Многие насосы для воды перешли на электродвигатели.

Транспорт выбрал электродвигатель как источник энергии. Вскоре корабли и локомотивы заменили паровую энергию электрическими двигателями, и они никогда не оглядывались назад. Электродвигатели были повсюду.

Электродвигатели и сегодня повсюду. По оценкам Министерства энергетики, половина энергосистемы страны используется для питания электродвигателя.

Дальнейшее совершенствование двигателей переменного и постоянного тока

С момента своего скромного появления электродвигатель постоянного тока превратился в мощное устройство, обладающее огромным пусковым крутящим моментом в эффективном корпусе. Двигатели постоянного тока также используются в высокоскоростных приложениях.

За последние 30 лет технология управления двигателями переменного тока значительно изменилась. Сегодня эти точные контроллеры дали двигателям переменного тока новую жизнь, поскольку они могут значительно повысить их эффективность и выходную мощность.

Технология все еще находится в стадии разработки, и будущее электродвигателей выглядит блестящим, поскольку мы переводим наши личные автомобили с двигателей, работающих на ископаемом топливе, на экологически чистые двигатели с электрическим приводом.

Сегодняшние электродвигатели далеки от их скромного начала, но мы обязаны их существованием тем пионерам, которые заложили основу для всего, что произошло с тех пор. Электродвигатели завтрашнего дня и их применение наверняка будут такими же захватывающими, как и все, что было до этого. Но ясно одно — в нашем будущем будут электродвигатели.

Понять историю электродвигателей | Consulting

Рис. 1: Здесь показано большое разнообразие типоразмеров двигателей переменного тока. Предоставлено: инженер-консультант

 

Цели обучения

• Понимание типичных типов двигателей: асинхронные, синхронные, шаговые, специальные.
• Ознакомьтесь с типами двигателей NEMA и их основными отличиями (A, B, C и D).

Этот обзор электродвигателей начнется с некоторых сведений о двигателях и перейдет к обсуждению доступных типов, классификации двигателей NEMA и их значения для инженеров-электриков. Инженеры-электрики должны иметь эти базовые знания, прежде чем переходить к любому проекту спецификации здания.

Что такое двигатель? Ну, согласно словарю, у него есть пара определений. По сути, это вращающаяся машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую. Мы видим их повсюду. Они бывают всех размеров и форм, разных конфигураций, разных способов их запуска, разных способов управления ими.

Немного истории: В 1831 году Майкл Фарадей выяснил, что когда он перемещает магнит вокруг катушки с проволокой, он получает ток в катушке. Когда-то это было большим делом. И он практиковался с этим и некоторое время дурачился с этим. А потом он решил: «Эй, я поставлю это на колесо, которое смогу крутить и получить более полезный результат». И мне хотелось бы думать, что, делая это, он думал далеко вперед и говорил: «Я мог бы запустить паровой двигатель, чтобы крутить эту штуку для меня и генерировать электричество». И поэтому он разработал первый генератор постоянного тока, иногда называемый динамо-машиной. За каждым хорошим ученым стоит помощник.

И, о чудо, Фарадей вывел свое уравнение для электромагнитной силы, которое, как вы помните из курса теории электричества, в основном говорит: «Электродвижущая сила на замкнутом пути равна отрицательному значению скорости изменения во времени». магнитного потока, окружающего путь».

И, в конце концов, это означает, что если вы будете перемещать магнит вокруг катушки или провода, вы получите электричество. Он также обнаружил, что частота генерируемой синусоидальной волны является функцией скорости и количества полюсов магнита. Когда он начинал, конечно, у него было только двое, но эти отношения остались с нами. Это стало действительно захватывающим между серединой 1800-х и концом 1800-х годов. Европа присоединилась к нам. Их наэлектризовали. Томас Эдисон наэлектризовал Нью-Йорк.

А если вам действительно нужна очень интересная история, если вы когда-нибудь будете в Южном Мичигане и посетите деревню Гринфилд, вы сможете увидеть оригинальное изобретение Эдисона для выработки электроэнергии для освещения всего Нью-Йорка. И вот, Джордж Вестингауз приходит на борт и бросает вызов Эдисону, пытаясь найти лучший способ действовать, потому что Вестингауз был убежден, а Тесла был в его лагере, что мы должны использовать распределение переменного тока вместо распределения постоянного тока. Тесла показал, что мы можем преобразовать переменный ток, но не можем преобразовать постоянный ток. Мы можем передавать наше электричество гораздо дальше, чем Эдисон мог с постоянным током.

В конце 1800-х Вестингауз выиграл эту битву. И мы пошли с распространением переменного тока, как сейчас. Однако тогда не было стандартов. Основными двигателями обычно были паровые двигатели, и они были очень разнообразными. Что у кого было, то и использовали. Сообщается, что в 1918 году в Лондоне было 10 различных частот переменного тока, потому что паровой двигатель со скоростью вращения 2000 об / мин, производящий мощность 133,33 Гц, был очень распространен. И помните, в то время единственное, что мы делали с электричеством, — это использовали его для освещения. По большей части мы не заботились о частоте.

Опять же, за прудом все было немного по-другому. Европа начиналась с 40 герц, но потом кто-то обнаружил, что огни мерцают достаточно, чтобы мы могли это заметить. В конце 1800-х годов Европа стандартизировала 50 герц, потому что 50 подходит для метрической системы, а 60 якобы не является предпочтительным числом. И Южная Калифорния присоединилась к этой победе, и изначально они работали на частоте 50 герц. Соединенные Штаты по какой-то причине в 1948 году установили стандарт на 60 герц. Вот как мы пришли к тому, что имеем.

И помните, на данный момент все, что у нас есть, это свет. На самом деле, если вы посмотрите на историю, Edison Power Company на самом деле была Edison Lighting Company, потому что все, что они делали, это давало свет. Мы не заботились о двигателях, потому что только в 1887 году Тесла изобрел первый коммерческий асинхронный двигатель. Ток двухфазный, фазы разнесены на 90 градусов и у нас есть двигатель. Ничего не делал с этим мотором, кроме его разработки. В 1889 году Михаил Доливо-Добровольский изобрел трехфазный асинхронный двигатель, потому что все мы знаем, что три лучше, чем два. И его изобретение в значительной степени установило стандарт для двигателей переменного тока.

Постоянный ток по сравнению с переменным током

У нас есть два типа двигателей, о которых мы хотим поговорить, на самом деле два основных класса двигателей, постоянный ток или переменный ток. И у них обоих есть применение, и у них обоих есть необходимый выбор. В чем обычно хорошо работают двигатели постоянного тока, так это в том, что они имеют гораздо более высокий пусковой крутящий момент. Они быстрого запуска и остановки часто используются для шаговых двигателей, двигателей управления, вещей, которые требуют очень точного движения. Их очень легко перевернуть, поменяйте полярность на проводах, и двигатель обычно работает в обратном направлении. Мы можем контролировать их скорость, регулируя их напряжение, что обычно проще и дешевле в управлении, чем двигатель переменного тока, где мы должны изменять частоту.

Двигатели постоянного тока уже давно закрепились в пространстве управления. Для тех из вас, кто знаком с механическими приводами, они были пневматическими в течение многих лет, а затем были заменены высокомоментными, очень точными двигателями постоянного тока для управления заслонками, клапанами и тому подобными вещами. На самом деле мы все знаем, что двигатели постоянного тока всегда были в автомобилях. Пусковой двигатель на вашем автомобиле работает от постоянного тока. Двигатели, которые поднимают и опускают окна, имеют постоянный ток. Если у вас есть электрические дворники, это двигатель постоянного тока. Двигатели постоянного тока очень хорошо зарекомендовали себя в автомобильной промышленности, где они становятся все более заметными у таких производителей, как Tesla или Nissan. Люди, которые делают электромобили, используют их для управления транспортным средством способами, о которых мы никогда не думали раньше.

Кроме того, поскольку солнечная энергия становится все более и более распространенной, мы можем использовать этот постоянный ток непосредственно в приложениях, а не преобразовывать его в переменный ток в зависимости от нашего приложения.

Что очень хорошо делают двигатели переменного тока? Ну, во-первых, они очень надежны. Они существовали вечно (с 1887 года), и все это время их модифицировали, подгоняли, подправляли, с ними возились, и они были повсюду, и все их знают. Они просты в обслуживании и не имеют большого количества движущихся частей. Это просто якорь, который крутится на некоторых подшипниках. У них очень большая установленная база. Их легко найти, и они соответствуют существующей инфраструктуре, потому что инфраструктура была своего рода разработана с двигателем, а двигатель разработан с инфраструктурой, а асинхронные двигатели переменного тока — это своего рода вещь. Проблема — если вы хотите это так назвать — заключается в том, что мы изменяем скорость в зависимости от частоты, и это немного сложнее, поэтому, вероятно, приводы с переменной частотой или закрытые устройства управления заняли так много времени.

Мы действительно сосредоточимся на двигателях переменного тока, потому что большинство из нас работает в коммерческих зданиях и даже в промышленности, на насосных станциях, водоочистных сооружениях и очистных сооружениях, мы все равно будем двигателями переменного тока. Но даже в этом пространстве есть еще одно разделение. И это асинхронные двигатели по сравнению с синхронными двигателями. Все асинхронные двигатели, которые изобрел Тесла и с которыми мы больше всего знакомы, считаются асинхронными. И это означает, что ток ротора индуцируется током статера, отсюда и название асинхронного двигателя. Но из-за этого эти двигатели будут проскальзывать или у них есть компонент, называемый проскальзыванием. Кроме того, из-за этого скольжения и из-за того, как работают эти двигатели, они работают с отстающим коэффициентом мощности.

Коэффициент мощности помнят все. Коэффициент мощности по большей части в порядке, но он может быть нашим врагом. Преимущество асинхронных двигателей заключается в том, что они дешевле в производстве и обслуживании. Поскольку мы производим их уже 200 лет, мы знаем, как это делать. И мы делаем это очень хорошо. И большинство двигателей и коммерческих приложений являются асинхронными двигателями.

Конечно, есть исключения. В синхронных двигателях ток ротора подается различными способами, но не индукционным. А на синхронном двигателе ротор крутится синхронно с состоянием частоты. Итак, проскальзывания нет. И это важно, потому что теперь мы можем использовать эти двигатели, как правило, различными способами, но синхронные двигатели очень малой мощности используются для точного управления или синхронизации.

Раньше в школах висели аналоговые часы на стенах. И если вы когда-нибудь задумывались, как они заставили все эти часы показывать одинаково, это было с помощью маленького синхронного двигателя, и они связали их все вместе, и они управляли частотой, а затем они могли настроить все часы так, чтобы они показывали одно и то же. Синхронные двигатели любого значительного размера обычно имеют более высокую начальную стоимость, поэтому мы не видим их много. Однако они более энергоэффективны, поэтому, если мы остановимся и подумаем об общей стоимости владения, возможно, мы сможем преодолеть эту первую стоимость и использовать синхронный двигатель. Большим преимуществом является то, что они предназначены для работы между единичным коэффициентом мощности и опережающим коэффициентом мощности. Это противоположность асинхронному двигателю, которым мы можем воспользоваться, и мы поговорим об этом в будущем.

Рис. 1. Здесь показано большое разнообразие размеров двигателей переменного тока. Предоставлено: инженер-консультант

Расчет двигателя

На рис. 1 показан спектр размеров двигателей, которые мы встречаем в мире. И это не должно быть инклюзивным, но просто дает нам представление о размерах и о том, что они делают. Если мы начнем с дальней левой стороны в коммерческом здании с системой водоснабжения или системой вытяжных вентиляторов, мы увидим очень маленькие двигатели, используемые только для циркуляции воды, вытяжные вентиляторы в туалетах, они могут быть мощностью менее половины лошадиной силы, наполовину лошадиных сил, ниже одной лошадиной силы. А затем, двигаясь вправо, мы видим то, с чем обычно сталкиваемся. Мы видим приточные вентиляторы и вытяжные вентиляторы. Мы видим бытовые водяные насосы, жокей-насос в системе пожарных насосов, саму систему пожарных насосов. По мере продвижения вправо мы видим небольшое коммерческое водораспределение.

С этим сталкивался любой, кому когда-либо приходилось заменять двигатель на старом оборудовании. Вы получаете новый мотор, достаете его из коробки, снимаете старый с обработчика воздуха, ставите туда новый мотор, и все отверстия исчезают. Что мы делаем? Как нам быть с этим?

К счастью, в 1926 году была создана организация под названием Национальная ассоциация производителей электротехники. И что NEMA делает, так это пытается стандартизировать все это. Они не любят использовать слово «стандарт», но они действительно разрабатывают стандарты. Они не являются правоохранительным органом. У них нет прямого контроля над каким-либо производителем, но они помогают производителям делать взаимозаменяемые вещи, и они помогают производителям оценивать вещи таким образом, чтобы нам, инженерам, было легче выяснить, какой из многих сотен вариантов. мы хотим.

Размер рамы гарантирует правильное расположение отверстий. Если вы получаете размер рамы NEMA, выберите свой любимый размер A, он подойдет к любому другому размеру рамы NEMA A. Мощность может быть разной. Это может быть индукция. Он может быть синхронным. Это не имеет значения, если размер рамы соответствует, отверстия будут в нужном месте.

Далее у нас моторные классы. Это немного важнее для нас, когда мы определяем новое оборудование. В настоящее время существует пять классов, и они основаны на начальном крутящем моменте и способности ускорять нагрузку. Иногда нам все равно, особенно в ситуации с обработчиком воздуха, пусковой крутящий момент довольно низкий, и нам все равно, как быстро он запускается.

Если это занимает 30 секунд или минуту, нас это не волнует, потому что обычно в системе обработки воздуха, как только она работает, она работает. В настоящее время существует пять классов, потому что по мере изменения отрасли NEMA меняется вместе с отраслью и добавляет классы по мере необходимости. Чрезвычайно высокая эффективность класса А, чрезвычайно высокая скорость полной нагрузки, они очень редки. Двигатель класса B более типичен. Двигатели с нормальным крутящим моментом, низкий пусковой момент, как правило, для насосов и вентиляторов. Это не огромная ситуация типа тока с заблокированным ротором. C и D означают гораздо более высокий пусковой момент, объемные насосы или компрессоры. Воздушные компрессоры запускаются против в большинстве случаев. Это начинается с больших насосов с более высоким противодавлением, где у вас есть большой перепад напора. Насосу потребуется немного больше крутящего момента, чтобы начать работу.

Вы можете использовать двигатели класса C или D. Это большой насос, приводящий в движение воду, больший двигатель, приводящий в движение водяной насос и водяную установку. И еще есть E, который является высокоэффективной версией B. И это было бы чем-то таким, где, если бы мы хотели посмотреть на общую стоимость владения, сэкономить еще несколько долларов в будущем, потратив немного больше авансом, мы могли бы подумать о двигатель класса E вместо B.

Дополнительные сведения о двигателях см.