Електрически двигател

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Различни видове електромотори.

Електрическият двигател е електрическа машина, която преобразува електрическа енергия в кинетична. Обратната задача, превръщането на кинетичната енергия в електрическа се извършва от генератор или динамо. Някои видове електрически машини могат да изпълняват и двете функции.

Въртящо магнитно поле като сума от магнитните вектори на трифазни намотки.

История[редактиране | edit source]

Експеримент на Фарадей, 1821[1]

Превръщането на електрическата енергия в механична чрез електромагнитни средства е демонстрирано от Майкъл Фарадей през 1821 г. Съставен е от свободно висящ проводник потопен в живак. Поставен е постоянен магнит в центъра на живака. Когато през проводника премине ток, той се върти около магнита, показвайки че тока създава въртящо магнитно поле около проводника[2] . Този двигател често се демонстрира в училищата, като вместо живак се използва солена вода. Това е най-простата форма на електрически двигател. Нарича се еднополярен двигател. По-усъвършенстван вариант е колелото на Бароу,но този тип еднополярни двигатели си остават неподходящи за практическо приложение. Двата основни типа електродвигатели - Асинхронните машини и синхронните възникват като замисъл и реализация почти едновременно - в края на деветнадесетото столетие в резултат на упорития творчески труд на трима души - Никола Тесла, Михаил О. Доливо-Доброволски и Галилео Ферари. Те работят напълно независимо в почти диаметрално противоположни области от планетата. Всеки от тях разработва асинхронната си машина наред с късосъединената й "версия" (с ротор накъсо) и с дву- и трифазната токови системи, съединенията "звезда" и "многоъгълник" и т.н.

Начало на производството на постояннотокови електродвигатели[редактиране | edit source]

  • Първият колекторен DC електромотор в състояние да задвижи машини е изобретен от британския учен William Sturgeon през 1832 година[3].
  • След Sturgeon работата по електрически двигател за комерсиално използване е продължена от американския изобретател Томас Дейвънпорт, който патентова електромотор през 1837 година. Двигателите работят при скорост до 600 оборота в минута, и се използват за задвижване на машини в печатница[4] .Поради липсата на централно токозахранване този тип задвижване обаче дълго време не търпи развитие.
  • През 1855 Jedlik построил устройство работещо на подобни принципи. С него той задвижил модел на електрическа кола още същата година.
  • Първият комерсиален успех на електромоторите е през 1871 година, благодарение на изобретението на Зеноб Грам, който подобрява конструкцията на котвата. През 1873 г. Грам установява, че това динамо може да се използва и като електродвигател, което той демонстрира с голям ефект в изложби във Виена и Филаделфия, като свързва два такива DC машини на разстояние до 2 км една от друга, като генератор и двигател[5].

Начало на производството на променливотокови електродвигатели[редактиране | edit source]

  • През 1882, Никола Тесла открива принципите на въртящото магнитно поле и въвежда използването на въртящият момент за работа с машини. Той използва този принцип, за да създаде един уникален дву-фазов индукционен двигател през 1883 г[6][7][8][9][10][11]
  • През 1885 г., Галилео Ферарис независимо открива тази концепция[12]. През 1888 г. Ферарис публикува своето откритие във вестника на Кралската Академия на науките в Торино[13][14].През същата година, Никола Тесла патентова двуфазна система за захранване на разработените от него няколко вида двигатели на променлив ток.Поради големите възможности на променливия ток за отдалечено токозахранване, George Westinghouse незабавно купува патентите на Тесла,и те са внедрени в производство.[15][16][17][17][18][18][19][20]
  • Михаил Доливо-Доброволски доразвива идеята,като изобретил трифазен мотор с кафезен ротор през 1889 г. и трифазен трансформатор през 1890 година[21][22]. Този тип двигатели и досега се използват наи-често.[23].

Производство на електродвигатели в България[редактиране | edit source]

В България производството на асинхронни машини с предназначение двигатели започва едва през тридесетте години на 20 век в малки частни работилници в градове като Троян, Ловеч, Габрово и София. По-късно е построен силнотоковият завод "Васил Коларов" край София, където започва серийно производство на електрически машини. През 50-те години развитието на отрасъла е бурно - страната се електрифицира, строят се заводи, има огромна нужда от двигатели в производството и в електротранспорта, от генератори в електроцентралите. Производството на електрически машини се разпределя по територията на страната и заводите се специализират.

Например, големите асинхронни машини продължават да се произвеждат в силнотоковия завод край София, средно големите (от 4-ти, 5-ти, а по-късно и от 6-ти) габарити се преместват за производство в Пловдив - в известния завод "ЗАЕ-Пловдив" в началото на 60-те - и в Харманли ("ЗЕД Димо Дичев - Харманли"), а малките, които имат най-богата и разнообразна номенклатура, се преместват в Троян (легендарният завод "ЕЛПРОМ-Троян") и в Тетевен.

Развитието на изследванията в областта на електрическите машини в НИПКИЕП "Никола Белопитов" довеждат до впечатляващи целия свят резултати - непрекъснато се подобряват енергийните, експлоатационните и естетико-ергономичните характеристики на асинхронните двигатели, произведени в България.

Устройство и принцип на действие[редактиране | edit source]

Повечето електрически двигатели работят под действието на електромагнетизъм, но също съществуват и такива работещи под влиянието на други сили, например електростатични сили или пиезоелектричен ефект. Основният принцип, на който е основана работата на електромагнитните двигатели, е използването на механичната сила (сила на Лоренц), която въздейства на всеки токоносещ проводник поставен в магнитно поле. Силата е описана от закона на Лоренц и е перпендикулярна както на проводника, така и на магнитното поле. Повечето магнитни двигатели са въртеливи но съществуват и линейни. Във въртящият двигател въртящата част (обикновено се намира вътре) се нарича ротор, а неподвижната част се нарича статор. Роторът се върти защото проводниците и магнитното поле са поставени така, че се оформя ротационна сила около вала на ротора. В зависимост от конструкцията двигателят може да съдържа както постоянни магнити, така и електромагнити.

Категоризация[редактиране | edit source]

Традиционно електродвигателите се делят на постояннотокови и променливотокови, като и в двата случая се подразбира използване на електромагнитен принцип за преобразуване на електрическата енергия във въртеливо движение. В по-ново време са създадени електродвигатели, които не отговарят на такава дефиниция, като например линейния електродвигател, при който се генерира линейно движение или ултразвуковите двигатели, при които се използва пиезоелектричен ефект.

По вид на използваната електроенергия биват:

  • Постояннотокови двигатели
  • Променливотокови двигатели

По конструктивно изпълнение биват:

  • Колекторни двигатели
  • Безколекторни двигатели

Променливотокови двигатели[редактиране | edit source]

Структурни елементи и видове[редактиране | edit source]

Обикновено променливотоковият двигател се състои от две части:

  1. Външен неподвижен статор с намотки, захранени с променлив ток, които създават въртящо се магнитно поле и;
  2. Вътрешен ротор, закрепен към вала.

Има два основни типа променливотокови двигатели, според конструкцията:

  • синхронен двигател, който се върти точно със синхронна скорост (скоростта на въртящото се магнитно поле);
  • асинхронен (индукционен) двигател, чиято скорост е по-малка от синхронната. Роторът е кафезен, с намотка или друга конструкция.

Синхронни двигатели[редактиране | edit source]

Синхронните машини са се използвали най вече като генератори. В последно време все по-често се използват и като двигатели. Особено бурно това стана след създаването на мощни ключови транзистори от типа IGBT, MOSFET и тиристори GTO, IGCT, SGCT имащи възможност и за изключване по управляващия електрод. Синхронните двигатели са незаменими при използването им за свръх мощности. В момента най-големият синхронен двигател е с мощност 220 MW и се използва за задвижване на вентилатор за аеродинамична тръба.

Асинхронни двигатели[редактиране | edit source]

Разглобен асинхронен двигател с кафезен ротор

Асинхронен двигател е двигател при който честотата на въртене на ротора не е равна на честотата на въртящото магнитно поле, създавано от намотките на статора.Поради простото си устройство,надеждност и по-ниска цена това са най често използваните електромотори в днешно време.По количеството захранващи фази тези двигателите се подразделят на:


Постояннотокови електрически двигатели[редактиране | edit source]

Електрически двигатели различни размери.

Постояннотоковите електрически двигатели са двигатели, захранвани с постоянен ток.Това са първите електромотори намерили практическо приложение. Тъй като четките се износват и се нуждаят от подмяна,откритите в последствие асинхронни двигатели на променлив ток са заели местата на колекторните DC мотори в много сфери.Въпреки това колекторните постояннотокови двигатели продължават и до днес да бъдат използвани без алтернатива на много места- автомобилни стартери, машини за хартия и други.Постояннотоковите двигатели имат най-голям въртящ момент, от всички електродвигатели, при ниски скорости на въртене и еднакви масообемни показатели.Напоследък се наблюдава бурно развитие при безколекторните постояннотокови електрически двигатели.

Универсални двигатели[редактиране | edit source]

Вариант на постояннотоковият двигател е универсалният двигател. Името му произлиза от факта, че може да се захрани както с постоянно така и с променливо напрежение. В практиката обикновено тези двигатели се захранват с променливо напрежение. Принципът се състои в това, че в универсалният двигател полето на котвата и индуктора (от там сумарният магнитен поток) се сменят по едно и също време и механичната сила, ще е винаги в една и съща посока. Двигателят трябва да е специално проектиран, така че да може да се захранва и с променливо напрежение заради комутацията. При не добро проектиране искрите в колектора за значителни. Универсалният двигател е по-малко ефективен от еквивалентния "чист" постояннотоков двигател. Мощността на тези двигатели е ограничена и рядко надминава един киловат. В някои страни универсалните двигатели са в основата на традиционната им железница. За да запазят високата си ефективност, често те работят при напрежение с понижена честота 25Hz или 16 2/3 Hz. Това пак е с цел подобряване на комутацията им.

Предимството на универсалния двигател е, че могат да се захранват с променливо напрежение и да имат характеристики близки с тези на постояннотоковия двигател. По-специално голям пусков въртящ момент, малки размери, високи скорости на въртене, лесно регулиране на скоростта на въртене. Затова такива двигатели се използват в мощни ръчни инструменти (Ъглошлайфи, ръчни бормашини, електрически ножици и триони, домакински и промишлени миксери, и др. Регулиране на оборотите на универсалния двигател, когато е захранен с променливо напрежение се осъществява с тиристорна или транзисторна схема. Стъпковият контрол при стъпковите двигатели, лесно може да се осъществи с микропроцесорна схема управляваща тиристор или транзистор комутиращ намотките. Домакинските роботи, които се рекламират заради многото си скорости, комбинират намотките с няколко разклонения. Много от съвременните домакинските роботи са с намотки без разклонения и електронна схема.

Други видове[редактиране | edit source]

Ротационни:[редактиране | edit source]

Шраге-Рихтер електродвигатели[редактиране | edit source]

Трифазен колекторен двигател с паралелно възбуждане, захранван от ротора [24]

Еднополярни двигатели[редактиране | edit source]

Пиезоелектрични двигатели[редактиране | edit source]

Електростатични двигатели[редактиране | edit source]

Ball-bearing (Лагерен? Моторът на Маринов?)[редактиране | edit source]

Експериментален модел използващ термичен ефект създаден от Стефан Маринов

[1]

Серво-мотор[редактиране | edit source]

Сервомотора е вид електродвигател, предназначен за привеждане в движение на устройства за управление.

Стъпкови двигатели[редактиране | edit source]

Линейни[редактиране | edit source]

Линейния двигател е електрически мотор,на който един от елементите на магнитната система е "разгънат", така че, вместо за получаване на въртящ момент, да произвежда линейно изместване на подвижната част на двигателя.В наши дни са разработени множество разновидности на този тип електродвигатели.

Ултразвукови двигатели[редактиране | edit source]

Източници[редактиране | edit source]

  1. Faraday, Michael. On Some New Electro-Magnetical Motion, and on the Theory of Magnetism. // Quarterly Journal of Science, Literature and the Arts XII. Royal Institution of Great Britain, 1822. с. 74–96 (§IX).
  2. The Development of the Electric Motor,. // Early Electric Motors. SparkMuseum.
  3. Gee, William. Sturgeon, William (1783–1850). // Oxford Dictionary of National Biography. Oxford University Press, 2004. DOI:10.1093/ref:odnb/26748.
  4. Garrison, Ervan G.. A History of Engineering and Technology: Artful Methods. 2nd. CRC Press, 1998. ISBN 0-8493-9810-X. Посетен на May 7, 2009.</.
  5. Zénobe Théophile Gramme. // Invent Now, Inc. Hall of Fame profile..
  6. The Case Files: Nikola Tesla. Two-Phase Induction Motor. // The Franklin Institute. Посетен на 2 December 2012.
  7. Smil, Vaclav. Creating the Twentieth Century:Technical Innovations of 1867–1914 and Their Lasting Impact. Oxford University Press, 2005. ISBN 978-0-19-988341-7. с. 76.
  8. Froehlich, Fritz E. и др. The Froehlich/Kent Encyclopedia of Telecommunications: Volume 17 - Television Technology. CRC Press, 1 December 1998. ISBN 978-0-8247-2915-8. с. 37–. Посетен на 10 October 2012.
  9. Drury, Bill. Control Techniques Drives and Controls Handbook. Institution of Electrical Engineers, 2001. ISBN 0-86296-793-4. с. page xiv.
  10. Langsdorf, Alexander Suss. Theory of Alternating-Current Machinery. 2nd. Tata McGraw-Hill, 1955. ISBN 0-07-099423-4. с. 245.
  11. The Encyclopedia Americana. 1977. с. 518.
  12. Galileo Ferraris Physicist, Pioneer of Alternating Current Systems (1847–1897) Inventor of the Induction Motor "Father of three-phase current" - Electrotechnical Congress, Frankfurt 1891. // Edison Tech Center. Посетен на 3 July 2012.
  13. Galileo Ferraris. // Encyclopædia Britannica.
  14. Biography of Galileo Ferraris. // Incredible People - Biographies of Famous People.
  15. Neidhöfer, Gerhard. Early Three-Phase Power (History). // IEEE Power and Energy Magazine 5 (5). DOI:10.1109/MPE.2007.904752. с. 88–100.
  16. Pansini, Anthony J.. Basic of Electric Motors. Pennwell Publishing Company, 1989. ISBN 0-13-060070-9. с. 45.
  17. а б Alger, P.L. и др. The History of Induction Motors in America. // Proceedings of the IEEE 64 (9). 1976. DOI:10.1109/PROC.1976.10329. с. 1380–1383.
  18. а б Klooster, John W.. Icons of Invention the Makers of the Modern World from Gutenberg to Gates.. Santa Barbara, ABC-CLIO, 30 July 2009. ISBN 978-0-313-34744-3. Посетен на 10 September 2012.
  19. Day, Lance и др. Biographical Dictionary of the History of Technology. London, Routledge, 1996. ISBN 0-203-02829-5. с. 1204. Посетен на 2 December 2012.
  20. Froehlich, Fritz E. Editor-in-Chief и др. The Froehlich/Kent Encyclopedia of Telecommunications: Volume 17 - Television Technology to Wire Antennas. First. New York, Marcel Dekker, Inc., 1992. ISBN 0-8247-2902-1. с. 36. Посетен на 2 December 2012.
  21. Hubbell, M.W.. The Fundamentals of Nuclear Power Generation Questions & Answers.. Authorhouse, 2011. ISBN 978-1-4634-2441-1. с. 27.
  22. VDE Committee History of Electrical Engineering IEEE German Chapter. 150th Birthday of Michael von Dolivo-Dobrowolsky Colloquium. // {{{journal}}} 13. January 2012.
  23. Dolivo-Dobrowolsky, M.. {{{title}}}. // ETZ 12. 1891. с. 149, 161.
  24. Електродвигатели/99-Шраге-Рихтер(magazin.eldvigateli.). // {{{conference}}}.

Външни препратки[редактиране | edit source]