frühe Elektromotoren
Faradays elektromagnetische Experimente, 1821 Die ersten Elektromotoren waren einfache elektrostatische Geräte, die in Experimenten des schottischen Mönchs Andrew Gordon und des amerikanischen Experimentators Benjamin Franklin in den 1740er Jahren beschrieben wurden. Das theoretische Prinzip dahinter, das Coulombsche Gesetz, wurde 1771 von Henry Cavendish entdeckt, aber noch nicht veröffentlicht. Das Gesetz wurde 1785 unabhängig von Charles-Augustin de Coulomb entdeckt, der es veröffentlichte und heute unter seinem Namen weithin bekannt ist. [4] Die 1799 von Alessandro Volta erfundene elektrochemische Zelle [5] ermöglichte es, einen kontinuierlichen Strom zu erzeugen. Nach der Entdeckung dieser als elektromagnetische Wechselwirkung bekannten Wechselwirkung zwischen Strömen und Magnetfeldern durch Hans Christianrsted im Jahr 1820 wurden bald große Fortschritte erzielt. André-Marie Ampère brauchte nur wenige Wochen, um die erste Formel für die elektromagnetische Wechselwirkung zu entwickeln und das Ampèresche Kraftgesetz vorzuschlagen, das die Wechselwirkung von elektrischem Strom und Magnetfeld beschreibt. mechanische Kraft. 1821 demonstrierte Michael Faraday zum ersten Mal die Wirkung von Rotationsbewegungen. Ein frei hängender Draht wurde in ein Quecksilberbad getaucht, in dem ein Permanentmagnet (PM) platziert war. Wenn Strom durch den Draht geleitet wird, dreht sich der Draht um den Magneten, was darauf hinweist, dass der Strom ein enges kreisförmiges Magnetfeld um den Draht herum erzeugt. [7] Solche Motoren werden normalerweise in physikalischen Experimenten demonstriert, wobei (giftiges) Quecksilber durch Salzwasser ersetzt wird. Barlows Räder waren eine frühe Verbesserung dieser Faraday-Demonstration, obwohl diese und ähnliche homopolare Motoren bis zum Ende des Jahrhunderts nicht für den praktischen Einsatz geeignet waren.
"Elektromagnetischer Selbstläufer" von Jedlik, 1827 (Museum für Angewandte Kunst, Budapest). Historische Motoren funktionieren auch heute noch gut.
James Joule zeigt Kelvin 1842 im Hunterian Museum in Glasgow einen Elektromotor
1827 begann der ungarische Physiker Nyos Jedlik mit elektromagnetischen Spulen zu experimentieren. Nachdem Jedlik mit der Erfindung des Kommutators das technische Problem der kontinuierlichen Rotation gelöst hatte, nannte er sein frühes Gerät einen "elektromagnetischen Selbstläufer". Obwohl sie nur für den Unterricht verwendet wurden, demonstrierte Jedrick 1828 das erste Gerät, das die drei Hauptkomponenten eines praktischen Gleichstrommotors enthielt: Stator, Rotor und Kommutator. Das Gerät verwendet keine Permanentmagnete, da die Magnetfelder der stationären und rotierenden Komponenten nur durch den Strom erzeugt werden, der durch ihre Wicklungen fließt.
Gleichspannungs Motor
Der britische Wissenschaftler William Sturgeon erfand 1832 den ersten Kommutator-Gleichstrommotor, der Maschinen drehen konnte. Nach der Arbeit des Sturgeon baute der amerikanische Erfinder Thomas Davenport einen Kommutator-Gleichstrommotor, den er 1837 patentieren ließ. Der Motor läuft mit 600 Umdrehungen pro Minute und Leistung das Elektrowerkzeug und die Druckmaschine. Aufgrund der hohen Kosten für Primärbatterien war der Elektromotor kein kommerzieller Erfolg und Davenport ging bankrott. Mehrere Erfinder folgten Sturgeon, um Gleichstrommotoren zu entwickeln, aber alle stießen auf das gleiche Batteriekostenproblem. Da zu dieser Zeit kein Stromverteilungssystem verfügbar war, gab es keinen wirklichen kommerziellen Markt für diese Motoren.
Nach vielen anderen mehr oder weniger erfolgreichen Versuchen mit relativ schwachen Dreh- und Hubgeräten schuf der Preuße Moritz von Jacobi im Mai 1834 den ersten echten rotierenden Elektromotor. Er erzeugt eine außergewöhnliche mechanische Leistung. Sein Motorrad stellte einen Weltrekord auf, den Jacobi vier Jahre später im September 1838 verbesserte. Sein zweites Motorrad war stark genug, um ein 14- Personenboot auf einem breiten Fluss zu fahren. Auch 1839/40 gelang es anderen Entwicklern, Motoren ähnlicher, dann höherer Leistung herzustellen.
1855 baute Jedlik ein Gerät, das in der Lage war, nützliche Arbeit zu leisten, indem es Prinzipien verwendete, die denen ähnelten, die von seinem elektromagnetischen Spin-Wing verwendet wurden. Im selben Jahr baute er ein Elektroautomodell.
Ein wichtiger Wendepunkt kam 1864, als Antonio Pacinotti erstmals den Ringkern beschrieb (obwohl er ursprünglich in einem Gleichstromgenerator (dh Generator) konzipiert war). Dieses Merkmal hat symmetrisch gruppierte Spulen, die zueinander geschlossen und mit den Stäben eines Kommutators verbunden sind, dessen Bürsten einen nahezu konstanten Strom liefern. Die ersten kommerziell erfolgreichen Gleichstrommotoren folgten der Entwicklung von Zénobe Gramme, der 1871 Pacinottis Design neu erfand und einige Lösungen von Werner Siemens übernahm.
Die Vorteile des Gleichstrommotors ergeben sich aus der Umkehrbarkeit des Motors, die 1867 von Siemens angekündigt und durch Pacinottis Beobachtungen entdeckt wurde, die bis 1869 kamen, als Graham sie versehentlich auf der Wiener Weltausstellung von 1873 bewies, als er die beiden Jeder von Diese Gleichstromgeräte befinden sich innerhalb von 2 km voneinander, wobei eines von ihnen als Generator und das andere als Elektromotor verwendet wird.
Der Trommelrotor wurde 1872 von Friedrich von Hefner-Alteneck von Siemens und Halske eingeführt, um Pacinottis Ringanker zu ersetzen und dadurch die Maschineneffizienz zu erhöhen. Laminierte Rotoren wurden im folgenden Jahr von Siemens & Halske eingeführt, was zu reduzierten Eisenverlusten und höheren induzierten Spannungen führte. 1880 versah Jonas Wenström den Rotor mit Nuten zur Aufnahme der Wicklungen, was den Wirkungsgrad weiter verbesserte.
1886 erfand Frank Julian Sprague den ersten praktischen Gleichstrommotor, ein funkenfreies Gerät, das eine relativ konstante Geschwindigkeit unter variablen Lasten aufrechterhielt. Um diese Zeit verbesserten Spragues andere elektrische Erfindungen die Stromverteilungsleistung des Netzes erheblich (Arbeiten, die vor der Amtszeit von Thomas Edison durchgeführt wurden), sodass Strom von Elektromotoren über Oberleitungen und Oberleitungsmasten in das Netz zurückkehrte und die Trolleys mit Strom versorgte Steuersystem für elektrischen Betrieb. Dies führte dazu, dass Sprague 1887–88 in Richmond, Virginia, das erste elektrische Trolleysystem mit Elektromotoren erfand, 1892 einen elektrischen Aufzug und ein elektrisches Steuerungssystem sowie eine elektrische U-Bahn mit zentral gesteuerten Autos mit unabhängiger Stromversorgung. Letztere wurde erstmals 1892 in Chicago von der South Side Elevated Railroad installiert, wo sie umgangssprachlich als "L" bekannt war. Der Elektromotor von Sprague und die damit verbundenen Erfindungen erregten Interesse und fanden weit verbreitete Anwendung in industriellen Elektromotoren. Die Entwicklung von Elektromotoren mit akzeptablem Wirkungsgrad wurde jahrzehntelang verzögert, weil die kritische Bedeutung des Luftspalts zwischen Rotor und Stator nicht erkannt wurde. Effiziente Designs haben relativ kleine Luftspalte. Aus dem gleichen Grund ist das Auto von St. Louis, das lange in Klassenzimmern verwendet wurde, um die Bewegungsprinzipien zu veranschaulichen, äußerst ineffizient und sieht nicht wie ein modernes Auto aus.
Elektromotoren haben die Industrie revolutioniert. Industrielle Prozesse sind nicht mehr durch die Kraftübertragung mittels Wellen, Riemen, Druckluft oder Hydraulik begrenzt. Stattdessen kann jede Maschine mit einer eigenen Stromquelle ausgestattet werden, die während des Betriebs einfach gesteuert werden kann und die Effizienz der Kraftübertragung verbessert. In der Landwirtschaft eingesetzte Elektromotoren entziehen menschlichen und tierischen Muskelkräften etwa den Umgang mit Getreide oder das Pumpen von Wasser. Die Verwendung von Elektromotoren im Haushalt reduziert die schwere Arbeit im Haushalt und ermöglicht höhere Standards in Bezug auf Bequemlichkeit, Komfort und Sicherheit. Heute verbrauchen Elektromotoren mehr als die Hälfte des in den USA erzeugten Stroms.
AC Motor
1824 schlug der französische Physiker Franois Arago die Existenz eines rotierenden Magnetfelds vor, das als Arago-Rotation bekannt ist, indem er manuell einen Schalter öffnet und schließt, den Walter Baily 1879 als ersten primitiven Induktionsmotor demonstrierte. In den 1880er Jahren versuchten viele Erfinder, brauchbare Wechselstrommotoren zu entwickeln [31], da die Vorteile von Wechselstrommotoren bei der Hochspannungsübertragung über große Entfernungen durch die Unfähigkeit, mit Wechselstrommotoren betrieben zu werden, zunichte gemacht wurden.
1885 erfand Galileo Ferraris den ersten kommutatorlosen Wechselstrom-Induktionsmotor. Ferraris verbesserte seine ersten Entwürfe, indem er 1886 fortschrittlichere Einheiten herstellte. 1888 veröffentlichte die Königliche Akademie der Wissenschaften in Turin Ferraris detaillierte Studie über die Grundlagen des Betriebs von Elektromotoren, kam aber damals zu dem Schluss, dass „ein Gerät, das auf dieses Prinzip kann als Elektromotor keine kommerzielle Bedeutung haben.“
Die mögliche industrielle Entwicklung wurde von Nikola Tesla erdacht, der 1887 seinen in sich geschlossenen Induktionsmotor erfand und ihn im Mai 1888 patentieren ließ. Im selben Jahr präsentierte Tesla sein Papier über die AIEE eines neuen Systems für Wechselstrommotoren und Transformatoren, wie in beschrieben drei Patente für zweiphasige Motortypen mit vier Statorpolen: eines mit einem vierpoligen Rotor, der einen nicht selbstanlaufenden Reluktanzmotor bildet, und das andere mit einem gewickelten Rotor, der einen selbstanlaufenden Induktionsmotor darstellt, und der dritte Typ ist ein echter Synchronmotor, der den Rotorwicklungen jeweils Erregungs-Gleichstrom bereitstellt. Ein 1887 von Tesla eingereichtes Patent beschrieb jedoch auch einen Kurzschlussrotor-Induktionsmotor. George Westinghouse hatte die Rechte von Ferraris erworben ($1,000) und kaufte sofort Teslas Patente ($60,000, plus $2,50 pro verkauftem PS-Auto bis 1897, bezahlt im Jahr 2010),[32] stellte Tesla ein den Elektromotor entwickeln und CF Scott damit beauftragen, Tesla zu helfen; Tesla ging jedoch 1889 woanders hin. [Übermäßige Zitate] Es wurde festgestellt, dass der Wechselstrom-Induktionsmotor mit konstanter Geschwindigkeit nicht für Straßenbahnen geeignet war, [31] aber Westinghouse-Ingenieure rüsteten ihn erfolgreich nach, um 1891 einen Bergbaubetrieb in Telluride, Colorado, anzutreiben. 53][54][55] Westinghouse realisierte 1892 seinen ersten praktischen Induktionsmotor und entwickelte 1893 eine Familie von mehrphasigen 60-Hz-Induktionsmotoren, aber diese frühen Westinghouse-Motoren wurden mit Zweiphasenmotoren mit gewickelten Rotoren gebaut. BG Lamme entwickelte daraufhin den Spinnrutenwickelrotor. [45]
Mikhail Dolivo-Dobrovolsky förderte entschieden die Entwicklung von Drehstrommotoren und erfand 1889 den Drehstrom-Induktionsmotor, der sowohl ein Eichhörnchenrotor als auch ein gewickelter Rotortyp mit einem Startvaristor ist, und erfand 1890 den Dreiarmtransformator. Zwischen AEG und der Maschinenfabrik Oerlikon entwickelten Doliwo-Dobrowolski und Charles Eugene Lancelot Brown größere Modelle, einen 20-PS-Kurzschlussläufer und einen 100-PS-Wicklungsrotor mit Anlaufvaristor. Dies waren die ersten praxistauglichen Drehstrom-Asynchronmotoren. Seit 1889 entwickelt Winstrom ähnliche Drehstrommaschinen. Auf der Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung in Frankfurt im Jahr 1891 wurde das erste Dreiphasen-Langstreckensystem erfolgreich vorgeführt. Es hat eine Nennspannung von 15 kV und erstreckt sich über 175 km von Laufen Falls am Neckar. Das Kraftwerk Lauffen besteht aus einer 240-kW-86-V-40-Hz-Lichtmaschine und einem Aufwärtstransformator, während in der Ausstellung ein Abwärtstransformator einen 100-PS-Drehstrom-Induktionsmotor antreibt, der einen künstlichen Wasserfall antreibt die Übertragung des ursprünglichen Transformators. Energiequelle. ] Die dreiphasige Induktion wird heute in der überwiegenden Mehrheit der kommerziellen Anwendungen verwendet. Er behauptete jedoch, dass Teslas Elektromotoren aufgrund von zweiphasigen Pulsationen unpraktisch seien, was ihn dazu veranlasste, an seiner dreiphasigen Arbeit festzuhalten.
1891 begann GE mit der Entwicklung des dreiphasigen Asynchronmotors [45] 1896 unterzeichneten GE und Westinghouse eine gegenseitige Lizenzvereinbarung für das Design des Stabwicklungsrotors, der später als Käfigrotor bekannt wurde. Aus diesen Erfindungen und Innovationen resultierten Verbesserungen am Induktionsmotor, sodass der 100--PS-Induktionsmotor jetzt die gleichen Einbaumaße wie der 7,5--PS-Motor von 1897 hat.
Komponenten
Motorrotor (links) und Stator (rechts)
Rotor
Hauptartikel: Rotor (elektrisch)
In einem Elektromotor ist das bewegliche Teil der Rotor, der die Welle dreht, um mechanische Kraft zu übertragen. Der Rotor enthält typischerweise Leiter, die Ströme führen, die mit dem Magnetfeld des Stators interagieren, um eine Kraft zu erzeugen, die die Welle dreht. Alternativ tragen einige Rotoren Permanentmagnete, während die Statoren die Leiter halten.
Lager
Der Rotor wird von Lagern getragen, die es dem Rotor ermöglichen, sich um seine Achse zu drehen. Die Lager werden wiederum von dem Motorgehäuse getragen. Die Motorwelle erstreckt sich durch das Lager zur Außenseite des Motors, wo die Last aufgebracht wird. Da die Kraft der Last außerhalb des äußersten Lagers aufgebracht wird, wird die Last aufgehängt. [59]
Stator
Hauptartikel: Stator
Der Stator ist der feste Teil des elektromagnetischen Kreises des Motors und besteht normalerweise aus Wicklungen oder Permanentmagneten. Der Statorkern besteht aus vielen dünnen Metallblechen, die Laminierungen genannt werden. Laminierungen werden verwendet, um die Energieverluste zu reduzieren, die sich ergeben würden, wenn ein massiver Kern verwendet würde.
Luftspalt
Der Abstand zwischen Rotor und Stator wird als Luftspalt bezeichnet. Luftspalte haben einen erheblichen Einfluss und sind normalerweise so klein wie möglich, da große Luftspalte einen starken negativen Einfluss auf die Leistung haben können. Es ist die Hauptquelle des niedrigen Leistungsfaktors für den Motorbetrieb. Der Erregerstrom steigt mit zunehmendem Luftspalt. Daher sollte der Luftspalt minimiert werden. Neben Geräuschen und Verlusten können kleine Spalte auch mechanische Probleme verursachen.
Rotor mit ausgeprägtem Pol
Wicklung
Hauptartikel: Wicklung
Eine Wicklung ist ein Draht, der in einer Spule angeordnet ist, die normalerweise um einen laminierten weichen ferromagnetischen Kern gewickelt ist, um bei Erregung Pole zu bilden.
Motoren gibt es in zwei grundlegenden Feldpolkonfigurationen: ausgeprägt und nicht ausgeprägt. In einer Schenkelpolmaschine wird das Magnetfeld der Pole durch Wicklungen erzeugt, die unterhalb der Polflächen auf die Pole gewickelt sind. Bei Vollpol- oder verteilten Feld- oder Rundläufermaschinen sind die Wicklungen in Polflächenschlitzen verteilt. Ein Spaltpolmotor hat einen gewickelten Teil eines Pols, der die Phase des Magnetfelds dieses Pols verzögert.
Die Leiter einiger Elektromotoren bestehen aus dickerem Metall, wie Metallstreifen oder -blechen, normalerweise Kupfer, oder Aluminium. Diese werden normalerweise durch elektromagnetische Induktion angetrieben.
Kommutator
Hauptartikel: Kommutator (elektrisch)
Kleiner Gleichstrommotor für Spielzeug und dessen Kommutator
Ein Kommutator ist ein Mechanismus, der verwendet wird, um den Eingang der meisten Gleichstrommotoren und einiger Wechselstrommotoren zu schalten. Es besteht aus voneinander und von der Welle isolierten Schleifringsegmenten. Der Ankerstrom des Motors wird durch stationäre Bürsten in Kontakt mit dem rotierenden Kommutator zugeführt, was die erforderliche Stromumkehr bewirkt und den Motor bestmöglich mit Strom versorgt, wenn sich der Rotor von Pol zu Pol dreht. [61][62] Ohne diese Stromumkehr bremst der Motor bis zum Stillstand. Extern kommutierte Induktions- und Permanentmagnetmotoren ersetzen elektromechanisch kommutierte Motoren angesichts der verbesserten Technologie in den Bereichen elektronische Steuerungen, sensorlose Steuerung, Induktionsmotoren und Permanentmagnetmotoren.
Motorversorgung und -steuerung
Motorleistung
Wie oben erwähnt, werden Gleichstrommotoren üblicherweise von Schleifringkommutatoren versorgt. Die Kommutierung des Wechselstrommotors kann unter Verwendung eines Schleifringkommutators oder einer externen Kommutierung erreicht werden, und sie kann von einem Steuertyp mit fester Geschwindigkeit oder variabler Geschwindigkeit sein, und sie kann auch ein synchroner oder asynchroner Typ sein. Allzweck-Elektromotoren können entweder mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben werden.
Motorsteuerung
Durch Einstellen der an die Klemmen angelegten Gleichspannung können Gleichstrommotoren mit variablen Drehzahlen laufen.
Wechselstrommotoren, die normalerweise mit fester Drehzahl laufen, werden entweder direkt vom Netz oder über einen Motor-Softstarter gespeist.
Drehstrommotoren, die mit variabler Drehzahl arbeiten, werden von verschiedenen Wechselrichtern, Frequenzumrichtern oder elektronischen Kommutatortechnologien angetrieben.
Der Begriff elektronischer Kommutator wird häufig mit Anwendungen für selbstgeführte bürstenlose Gleichstrommotoren und geschaltete Reluktanzmotoren in Verbindung gebracht.
