المحركات الكهربائية المبكرة
تجارب فاراداي الكهرومغناطيسية ، 1821 كانت المحركات الكهربائية الأولى عبارة عن أجهزة كهروستاتيكية بسيطة ، موصوفة في التجارب بواسطة الراهب الاسكتلندي أندرو جوردون والمُجرب الأمريكي بنجامين فرانكلين في أربعينيات القرن الثامن عشر. اكتشف هنري كافنديش المبدأ النظري وراءه ، قانون كولوم ، في عام 1771 ، ولكن لم يتم نشره بعد. تم اكتشاف القانون بشكل مستقل في عام 1785 من قبل تشارلز أوغستين دي كولوم ، الذي نشره وهو معروف الآن على نطاق واسع واسمه. [4] جعلت الخلية الكهروكيميائية [5] التي اخترعها أليساندرو فولتا في عام 1799 من الممكن توليد تيار مستمر. بعد اكتشاف هذا التفاعل بين التيارات والمجالات المغناطيسية ، والمعروف بالتفاعل الكهرومغناطيسي بواسطة هانز كريستيانرستيد في عام 1820 ، تم إحراز تقدم كبير قريبًا. استغرق الأمر من André-Marie Ampère بضعة أسابيع فقط لتطوير الصيغة الأولى للتفاعل الكهرومغناطيسي واقتراح قانون Ampère للقوة ، الذي يصف تفاعل التيار الكهربائي والمجال المغناطيسي. القوة الميكانيكية. في عام 1821 ، أظهر مايكل فاراداي تأثيرات الحركة الدورانية لأول مرة. تم غمس سلك معلق في حمام الزئبق حيث تم وضع مغناطيس دائم (PM). عندما يمر التيار عبر السلك ، يدور السلك حول المغناطيس ، مما يشير إلى أن التيار يخلق مجالًا مغناطيسيًا دائريًا محكمًا حول السلك. [7] تظهر هذه المحركات عادة في تجارب فيزيائية ، لتحل محل الزئبق (السام) بالمياه المالحة. كانت عجلات بارلو تحسينًا مبكرًا لمظاهرة فاراداي ، على الرغم من أن هذه المحركات وغيرها من المحركات أحادية القطب لم تكن مناسبة للاستخدام العملي حتى نهاية القرن.
"الدوار الذاتي الكهرومغناطيسي" بواسطة Jedlik ، 1827 (متحف الفنون التطبيقية ، بودابست). لا تزال المحركات التاريخية تعمل بشكل جيد اليوم.
جيمس جول يعرض كلفن محركًا كهربائيًا في متحف هانتيريان في غلاسكو عام 1842
في عام 1827 ، بدأ الفيزيائي المجري نيوس جيدليك بتجربة الملفات الكهرومغناطيسية. بعد أن حل Jedlik المشكلة التقنية المتمثلة في الدوران المستمر باختراع المبدل ، أطلق على أجهزته الأولى اسم "الدوار الذاتي الكهرومغناطيسي". على الرغم من أنها كانت تستخدم فقط في التدريس ، فقد أظهر Jedrick في عام 1828 أول جهاز يحتوي على المكونات الرئيسية الثلاثة لمحرك DC عملي: الجزء الثابت والدوار والمبدل. لا يستخدم الجهاز مغناطيسًا دائمًا لأن المجالات المغناطيسية للمكونات الثابتة والدوارة تتولد فقط عن طريق التيار المتدفق عبر ملفاتها.
محرك بتيار مستمر
اخترع العالم البريطاني ويليام ستورجون أول محرك تيار مستمر قادر على تدوير الآلات في عام 1832. بعد عمل الحفش ، قام المخترع الأمريكي توماس دافنبورت ببناء محرك DC من نوع المبدل ، والذي حصل على براءة اختراعه في عام 1837. يعمل المحرك بسرعة 600 دورة في الدقيقة والقوى أداة الطاقة والمطبعة. نظرًا لارتفاع تكلفة البطاريات الأولية ، لم يكن المحرك الكهربائي ناجحًا تجاريًا ، وأفلس دافنبورت. تبع العديد من المخترعين Sturgeon لتطوير محركات DC ، لكنهم واجهوا مشكلة تكلفة البطارية نفسها. مع عدم توفر نظام توزيع الطاقة في ذلك الوقت ، لم يكن هناك سوق تجاري فعلي لهذه المحركات.
بعد العديد من المحاولات الناجحة الأخرى إلى حد ما مع أجهزة الدوران والتردد الضعيفة نسبيًا ، ابتكر البروسي موريتز فون جاكوبي أول محرك كهربائي دوار حقيقي في مايو 1834. وهو ينتج مخرجات ميكانيكية غير عادية. سجلت دراجته النارية رقماً قياسياً عالمياً ، والذي قام جاكوبي بتحسينه بعد أربع سنوات في سبتمبر 1838. كانت دراجته البخارية الثانية قوية بما يكفي لقيادة 14- قارب شخص في نهر واسع. أيضًا في 1839/40 ، تمكن مطورون آخرون من صنع محركات مماثلة ، ثم أداء أعلى.
في عام 1855 ، بنى Jedlik جهازًا قادرًا على القيام بعمل مفيد باستخدام مبادئ مماثلة لتلك المستخدمة من قبل الجناح الكهرومغناطيسي. في نفس العام ، قام ببناء نموذج سيارة كهربائية.
حدثت نقطة تحول رئيسية في عام 1864 ، عندما وصف أنطونيو باكينوتي المحرك الحلقي لأول مرة (على الرغم من أنه تم تصميمه في الأصل في مولد تيار مستمر (أي مولد)). تحتوي هذه الميزة على ملفات مجمعة بشكل متماثل تكون مغلقة مع بعضها البعض ومتصلة بأشرطة المبدل الذي توفر فرشه تيارًا غير متذبذب تقريبًا. تبعت أول محركات DC الناجحة تجاريًا تطوير Zénobe Gramme ، الذي أعاد في عام 1871 ابتكار تصميم Pacinotti واعتمد بعض حلول Werner Siemens.
تنبع الفوائد التي تعود على محرك التيار المستمر من انعكاس المحرك ، الذي أعلنت عنه شركة سيمنز عام 1867 واكتشفته من خلال ملاحظات باكينوتي عام 1869 عندما أثبت جراهام ذلك بالصدفة ، في معرض فيينا العالمي لعام 1873 ، عندما وضع الاثنين. تقع أجهزة التيار المستمر هذه على بعد كيلومترين من بعضها البعض ، باستخدام أحدهما كمولد والآخر كمحرك كهربائي.
تم تقديم دوار الأسطوانة في عام 1872 بواسطة فريدريش فون هيفنر ألتنيك من شركة سيمنز وهالسك ليحل محل المحرك الدائري لـ Pacinotti ، وبالتالي زيادة كفاءة الماكينة. [6] تم تقديم الدوارات المصفحة في العام التالي بواسطة شركة Siemens & Halske ، مما أدى إلى تقليل فقد الحديد وزيادة الفولتية المستحثة. في عام 1880 ، قام جوناس وينسترم بتزويد الدوار بفتحات لاستيعاب اللفات ، مما أدى إلى زيادة تحسين الكفاءة.
في عام 1886 ، اخترع فرانك جوليان سبراج أول محرك عملي يعمل بالتيار المستمر ، وهو جهاز غير شرر يحافظ على سرعة ثابتة نسبيًا في ظل الأحمال المتغيرة. في هذا الوقت تقريبًا ، حسنت الاختراعات الكهربائية الأخرى لشركة Sprague بشكل كبير أداء توزيع الطاقة للشبكة (العمل الذي تم قبل فترة توماس إديسون) ، مما سمح للطاقة من المحركات الكهربائية بالعودة إلى الشبكة ، عبر الأسلاك العلوية وأعمدة الترولي التي تشغل العربات وتوفر نظام التحكم في التشغيل الكهربائي. قاد هذا Sprague إلى ابتكار أول نظام ترولي كهربائي يستخدم المحركات الكهربائية في ريتشموند ، فيرجينيا في 1887-1888 ، ومصعد كهربائي ونظام تحكم في عام 1892 ، ومترو أنفاق كهربائي مع سيارات يتم التحكم فيها مركزيًا بشكل مستقل. تم تركيب هذا الأخير لأول مرة في شيكاغو في عام 1892 بواسطة South Side Elevated Railroad ، حيث كان يُعرف بالعامية باسم "L". أثار المحرك الكهربائي لشركة Sprague والاختراعات المرتبطة به اهتمامًا واستخدمت على نطاق واسع في المحركات الكهربائية الصناعية. لقد تأخر تطوير المحركات الكهربائية ذات الكفاءة المقبولة لعقود بسبب الفشل في إدراك الأهمية الحاسمة للفجوة الهوائية بين الدوار والجزء الثابت. التصاميم الفعالة لها فجوات هوائية صغيرة نسبيًا. وللسبب نفسه ، فإن سيارة سانت لويس ، التي استخدمت لفترة طويلة في الفصول الدراسية لتوضيح مبادئ الحركة ، غير فعالة للغاية ولا تشبه السيارات الحديثة.
أحدثت المحركات الكهربائية ثورة في الصناعة. لم تعد العمليات الصناعية مقيدة بنقل الطاقة باستخدام الأعمدة أو الأحزمة أو الهواء المضغوط أو المكونات الهيدروليكية. بدلاً من ذلك ، يمكن تجهيز كل آلة بمصدر الطاقة الخاص بها ، والذي يمكن التحكم فيه بسهولة أثناء الاستخدام وتحسين كفاءة نقل الطاقة. تعمل المحركات الكهربائية المستخدمة في الزراعة على إزالة قوة العضلات البشرية والحيوانية من مهام مثل التعامل مع الحبوب أو ضخ المياه. يقلل استخدام المحركات الكهربائية في المنزل من العمل الشاق في المنزل ويتيح معايير أعلى من الراحة والراحة والأمان. اليوم ، تستهلك المحركات الكهربائية أكثر من نصف الكهرباء المنتجة في الولايات المتحدة.
محرك AC
في عام 1824 ، اقترح الفيزيائي الفرنسي فرانوا أراغو وجود مجال مغناطيسي دوار ، يُعرف باسم دوران أراغو ، عن طريق فتح وإغلاق مفتاح يدويًا ، والذي أظهره والتر بايلي في عام 1879 كأول محرك تحريضي بدائي. خلال ثمانينيات القرن التاسع عشر ، حاول العديد من المخترعين تطوير محركات تيار متردد قابلة للحياة [31] ، حيث تم تعويض مزايا محركات التيار المتردد في نقل الجهد العالي عبر مسافات طويلة بعدم القدرة على العمل بمحركات التيار المتردد.
في عام 1885 ، اخترع Galileo Ferraris أول محرك تحريضي يعمل بالتيار المتردد. قام Ferraris بتحسين تصميماته الأولى من خلال إنتاج وحدات أكثر تقدمًا في عام 1886. في عام 1888 ، نشرت الأكاديمية الملكية للعلوم في تورين دراسة Ferraris التفصيلية لأساس تشغيل المحركات الكهربائية ، لكنها خلصت في ذلك الوقت إلى أن "الجهاز يعتمد على لا يمكن أن يكون لهذا المبدأ أي أهمية تجارية كمحرك كهربائي ".
تم تصور التطور الصناعي المحتمل من قبل نيكولا تيسلا ، الذي اخترع محركه التعريفي المستقل في عام 1887 وحصل على براءة اختراعه في مايو 1888. في نفس العام ، قدم تسلا ورقته حول AIEE لنظام جديد لمحركات ومحولات التيار المتردد كما هو موضح في ثلاث براءات اختراع لأنواع المحركات ثنائية الطور رباعي الأقطاب: أحدهما مع دوار رباعي الأقطاب يشكل محرك ممانعة غير ذاتي البدء ، والآخر مع دوار الجرح يشكل محركًا تحريضيًا ذاتي البدء ، والنوع الثالث هو محرك متزامن حقيقي ، والذي يوفر على التوالي طاقة الإثارة DC لملفات الدوار. ومع ذلك ، فإن براءة اختراع قدمتها Tesla في عام 1887 وصفت أيضًا محركًا تحريضيًا دوارًا قصير الدائرة. حصل جورج وستنجهاوس على الحقوق من Ferraris (1 دولار ، 000) واشترى على الفور براءات اختراع Tesla (60 دولارًا ، 000 ، بالإضافة إلى 2.50 دولارًا لكل سيارة حصانية تم بيعها حتى عام 1897 مدفوعًا في عام 2010) ، [32] استأجر تسلا لـ تطوير المحرك الكهربائي ، وتكليف CF Scott بمساعدة Tesla ؛ ومع ذلك ، غادر تسلا مكانًا آخر في عام 1889. [استشهادات مفرطة] وُجد أن المحرك التعريفي للتيار المتردد ذي السرعة الثابتة لم يكن مناسبًا لعربات الترام ، [31] ولكن نجح مهندسو وستنجهاوس في تعديله لتشغيل عملية تعدين في تيلورايد ، كولورادو في عام 1891. [ 53] [54] [55] أدركت وستنجهاوس أول محرك تحريضي عملي لها في عام 1892 وطوَّرت عائلة من المحركات الحثية متعددة الأطوار 60 هرتز في عام 1893 ، ولكن محركات وستنجهاوس المبكرة هذه تم بناؤها باستخدام محرك ذو مرحلتين دوارتين. قام BG Lamme بعد ذلك بتطوير الجزء الدوار لجرح قضيب الغزل. [45]
في إطار الترويج القوي لتطوير المراحل الثلاث ، اخترع ميخائيل دوليفو-دوبروفولسكي المحرك الحثي ثلاثي الطور في عام 1889 ، وهو عبارة عن دوار السنجاب ونوع دوار الجرح مع مكثف بدء ، وفي عام 1890 اخترع المحول ثلاثي الأذرع. بين AEG و Maschinenfabrik Oerlikon ، طور Doliwo-Dobrowolski و Charles Eugene Lancelot Brown نماذج أكبر ، قفص سنجاب 20 حصان ودوار جرح 100 حصان مع مكثف بدء. كانت هذه هي المحركات غير المتزامنة ثلاثية الطور المناسبة للتشغيل العملي. تقوم Winstrom بتطوير ماكينات مماثلة ذات ثلاث مراحل منذ عام 1889. في المعرض الدولي للكهرباء في فرانكفورت عام 1891 ، تم بنجاح عرض أول نظام ثلاثي المراحل لمسافات طويلة. تم تصنيفها عند 15 كيلو فولت وتمتد على مسافة 175 كم من شلالات لاوفين على نهر نيكار. تتكون محطة طاقة Lauffen من مولد تيار متردد 240 كيلووات 86 40 هرتز ومحول تصاعدي ، بينما في المعرض ، يعمل محول تنحيف على تشغيل محرك تحريضي ثلاثي الأطوار بقوة 100 حصان يعمل على تشغيل شلال اصطناعي ، وهو ما يمثل نقل المحول الأصلي. مصدر طاقة. ] يُستخدم الحث ثلاثي الطور الآن في الغالبية العظمى من التطبيقات التجارية. ومع ذلك ، ادعى أن محركات Tesla الكهربائية كانت غير عملية بسبب النبضات ثنائية الطور ، مما دفعه إلى التمسك بعمله المكون من ثلاث مراحل.
في عام 1891 ، بدأت جنرال إلكتريك في تطوير محرك غير متزامن ثلاثي الطور [45] بحلول عام 1896 ، وقعت جنرال إلكتريك وويستنجهاوس اتفاقية ترخيص متبادلة لتصميم العضو الدوار المتعرج ، والذي عُرف فيما بعد باسم دوار القفص. نشأت التحسينات التي تم إجراؤها على المحرك الحثي من هذه الاختراعات والابتكارات ، بحيث أصبح المحرك التحريضي ذو القدرة الحصانية 100- الآن له نفس الأبعاد المثبتة مثل محرك 7. 5- القدرة بالحصان لعام 1897.
عناصر
الدوار المحرك (يسار) والجزء الثابت (يمين)
الدوار [تحرير]
المقال الرئيسي: الدوار (كهربائي)
في المحرك الكهربائي ، يكون الجزء المتحرك هو الدوار ، والذي يقوم بتدوير العمود لنقل الطاقة الميكانيكية. يحتوي الجزء المتحرك عادةً على موصلات تحمل تيارات تتفاعل مع المجال المغناطيسي للجزء الثابت لتكوين قوة تقوم بتدوير العمود. بدلاً من ذلك ، تحمل بعض الدوارات مغناطيسًا دائمًا ، بينما تحمل الأجزاء الساكنة الموصلات.
تحمل
يتم دعم الجزء المتحرك بواسطة محامل تسمح للعضو الدوار بالدوران حول محوره. يتم دعم المحامل بدورها بواسطة غلاف المحرك. يمتد عمود المحرك من خلال المحمل إلى الخارج من المحرك ، حيث يتم تطبيق الحمل. نظرًا لأن قوة الحمل يتم تطبيقها خارج المحمل الخارجي ، يتم تعليق الحمل. [59]
الجزء الثابت
المقال الرئيسي: الجزء الثابت
الجزء الثابت هو الجزء الثابت من الدائرة الكهرومغناطيسية للمحرك ويتكون عادة من لفات أو مغناطيس دائم. يتكون قلب الجزء الثابت من العديد من الصفائح المعدنية الرقيقة التي تسمى التصفيح. يتم استخدام التصفيح لتقليل فقد الطاقة الذي قد ينتج إذا تم استخدام نواة صلبة.
فجوة الهواء
المسافة بين العضو الدوار والجزء الثابت تسمى فجوة الهواء. الفجوات الهوائية لها تأثير كبير وعادة ما تكون صغيرة قدر الإمكان ، حيث يمكن أن يكون للفجوات الهوائية الكبيرة تأثير سلبي قوي على الأداء. إنه المصدر الرئيسي لعامل الطاقة المنخفضة لتشغيل المحرك. يزداد تيار الإثارة مع زيادة فجوة الهواء. لذلك ، يجب تقليل فجوة الهواء. بالإضافة إلى الضوضاء والخسائر ، يمكن أن تتسبب الفجوات الصغيرة أيضًا في حدوث مشكلات ميكانيكية.
دوار القطب البارز
لف [تحرير]
المقال الرئيسي: لف
اللف هو سلك يوضع في ملف ، عادة ما يتم لفه حول قلب مغناطيسي ناعم مصفح ، لتشكيل أعمدة عند تنشيطها.
تأتي المحركات في تكوينين أساسيين لعمود المجال: بارز وغير بارز. في آلة الأقطاب البارزة ، يتم إنشاء المجال المغناطيسي للأقطاب عن طريق لفات ملفوفة على القطبين أسفل وجوه القطب. في القطب غير البارز أو المجال الموزع أو الآلات الدوارة الدائرية ، يتم توزيع اللفات في فتحات وجه القطب. [60] يحتوي المحرك ذو القطب المظلل على جزء ملفوف من القطب الذي يؤخر طور المجال المغناطيسي لهذا القطب.
تتكون موصلات بعض المحركات الكهربائية من معادن أكثر سمكًا ، مثل الأشرطة أو الصفائح المعدنية ، وعادةً ما تكون من النحاس أو الألومنيوم. عادة ما تكون مدفوعة بالحث الكهرومغناطيسي.
العاكس
المقال الرئيسي: العاكس (كهربائي)
محرك DC صغير للعب الأطفال ومبدلها
المبدل هو آلية تستخدم لتبديل مدخلات معظم محركات التيار المستمر وبعض محركات التيار المتردد. وتتكون من مقاطع الحلقة الانزلاقية المعزولة عن بعضها البعض وعن العمود. يتم توفير تيار المحرك للمحرك من خلال فرش ثابتة ملامسة لمبدل الدوران ، مما يتسبب في انعكاس التيار المطلوب وعندما يدور الدوار من عمود إلى آخر ، قم بتشغيل المحرك بأفضل طريقة ممكنة. [61] [62] في غياب هذا الانعكاس الحالي ، سيتوقف المحرك عن العمل. تحل محركات الحث التي يتم تبديلها خارجيًا والمحركات المغناطيسية الدائمة محل المحركات الكهروميكانيكية القابلة للتبديل ، نظرًا للتكنولوجيا المحسّنة في مجالات أجهزة التحكم الإلكترونية والتحكم غير المستشعر والمحركات الحثية والمحركات المغناطيسية الدائمة.
توريد السيارات والتحكم فيها
قوة المحرك
كما هو مذكور أعلاه ، يتم توفير محركات التيار المستمر عادة عن طريق مبدلات الحلقة الانزلاقية. يمكن تحقيق تبديل محرك التيار المتردد باستخدام مبدل حلقة الانزلاق أو التبديل الخارجي ، ويمكن أن يكون من نوع تحكم ذي سرعة ثابتة أو متغيرة السرعة ، ويمكن أن يكون أيضًا نوعًا متزامنًا أو غير متزامن. يمكن تشغيل المحركات الكهربائية للأغراض العامة إما AC أو DC.
التحكم في المحرك
من خلال ضبط جهد التيار المستمر المطبق على المحطات ، يمكن تشغيل محركات التيار المستمر بسرعات متغيرة.
يتم تشغيل محركات التيار المتردد ، التي تعمل عادة بسرعة ثابتة ، إما مباشرة من الشبكة أو من خلال بادئ تشغيل ناعم للمحرك.
تعمل محركات التيار المتردد التي تعمل بسرعة متغيرة بواسطة محولات طاقة مختلفة أو محركات تردد متغير أو تقنيات تبديل إلكترونية.
غالبًا ما يرتبط مصطلح المبدل الإلكتروني بمحرك DC بدون فرش ذاتي التبديل وتطبيقات محرك ممانعة التبديل.
