primi motori elettrici
Gli esperimenti elettromagnetici di Faraday, 1821 I primi motori elettrici erano semplici dispositivi elettrostatici, descritti negli esperimenti del monaco scozzese Andrew Gordon e dello sperimentatore americano Benjamin Franklin negli anni Quaranta del Settecento. Il principio teorico alla base, la legge di Coulomb, fu scoperto da Henry Cavendish nel 1771, ma non è stato ancora pubblicato. La legge fu scoperta indipendentemente nel 1785 da Charles-Augustin de Coulomb, che la pubblicò ed è ora ampiamente conosciuta come il suo nome. [4] La cella elettrochimica [5] inventata da Alessandro Volta nel 1799 permetteva di generare una corrente continua. Dopo la scoperta di questa interazione tra correnti e campi magnetici, nota come interazione elettromagnetica da Hans Christianrsted nel 1820, furono presto fatti molti progressi. André-Marie Ampère ha impiegato poche settimane per sviluppare la prima formula per l'interazione elettromagnetica e per proporre la legge della forza di Ampère, che descrive l'interazione tra corrente elettrica e campo magnetico. forza meccanica. Nel 1821, Michael Faraday dimostrò per la prima volta gli effetti del movimento rotatorio. Un filo sospeso è stato immerso in un bagno di mercurio dove è stato posizionato un magnete permanente (PM). Quando la corrente passa attraverso il filo, il filo ruota attorno al magnete, indicando che la corrente crea uno stretto campo magnetico circolare attorno al filo. [7] Tali motori sono solitamente dimostrati in esperimenti fisici, sostituendo l'acqua salata con il mercurio (tossico). Le ruote di Barlow furono un primo miglioramento rispetto a quella dimostrazione di Faraday, sebbene questi e simili motori omopolari non fossero adatti all'uso pratico fino alla fine del secolo.
"Auto-rotore elettromagnetico" di Jedlik, 1827 (Museo delle arti applicate, Budapest). I motori storici funzionano ancora bene oggi.
James Joule mostra a Kelvin un motore elettrico all'Huntainian Museum di Glasgow nel 1842
Nel 1827, il fisico ungherese nyos Jedlik iniziò a sperimentare con le bobine elettromagnetiche. Dopo che Jedlik ha risolto il problema tecnico della rotazione continua con l'invenzione del commutatore, ha chiamato il suo primo dispositivo un "autorotore elettromagnetico". Sebbene fossero usati solo per l'insegnamento, nel 1828 Jedrick dimostrò il primo dispositivo contenente i tre componenti principali di un pratico motore a corrente continua: lo statore, il rotore e il commutatore. Il dispositivo non utilizza magneti permanenti perché i campi magnetici dei componenti stazionari e rotanti sono generati solo dalla corrente che scorre attraverso i loro avvolgimenti.
motore a corrente continua
Lo scienziato britannico William Sturgeon inventò il primo motore CC a collettore in grado di far ruotare macchinari nel 1832. Seguendo il lavoro dello storione, l'inventore americano Thomas Davenport costruì un motore CC a collettore, che brevettò nel 1837. Il motore funziona a 600 giri al minuto e alimenta l'utensile elettrico e la macchina da stampa. A causa dell'alto costo delle batterie primarie, il motore elettrico non fu un successo commerciale e Davenport fallì. Diversi inventori hanno seguito Sturgeon per sviluppare motori a corrente continua, ma tutti hanno riscontrato lo stesso problema di costo della batteria. Senza un sistema di distribuzione dell'energia disponibile all'epoca, non esisteva un vero mercato commerciale per questi motori.
Dopo molti altri tentativi più o meno riusciti con dispositivi rotanti e alternativi relativamente deboli, il prussiano Moritz von Jacobi creò nel maggio 1834 il primo vero motore elettrico rotante. Produce una straordinaria potenza meccanica. La sua moto stabilì un record mondiale, che Jacobi migliorò quattro anni dopo, nel settembre del 1838. La sua seconda moto era abbastanza potente da guidare una 14-barca per persone su un ampio fiume. Sempre nel 1839/40, altri sviluppatori riuscirono a realizzare motori di prestazioni simili, quindi superiori.
Nel 1855 Jedlik costruì un dispositivo in grado di svolgere un lavoro utile utilizzando principi simili a quelli usati dalla sua ala rotante elettromagnetica. Nello stesso anno costruì un modello di auto elettrica.
Una svolta importante avvenne nel 1864, quando Antonio Pacinotti descrisse per la prima volta l'armatura toroidale (sebbene fosse originariamente concepita in un generatore a corrente continua (cioè generatore)). Questa caratteristica ha bobine raggruppate simmetricamente che sono chiuse l'una all'altra e collegate alle barre di un commutatore le cui spazzole forniscono una corrente quasi costante. I primi motori a corrente continua di successo commerciale seguirono lo sviluppo di Zénobe Gramme, che nel 1871 reinventò il design di Pacinotti e adottò alcune delle soluzioni di Werner Siemens.
I vantaggi per il motore a corrente continua derivano dalla reversibilità del motore, che fu annunciata dalla Siemens nel 1867 e scoperta attraverso le osservazioni di Pacinotti giunse al 1869 quando Graham lo dimostrò casualmente, all'Esposizione Universale di Vienna del 1873, quando mise i due questi dispositivi a corrente continua si trovano entro 2 km l'uno dall'altro, utilizzando uno di essi come generatore e l'altro come motore elettrico.
Il rotore del tamburo fu introdotto nel 1872 da Friedrich von Hefner-Alteneck di Siemens e Halske per sostituire l'armatura ad anello di Pacinotti, aumentando così l'efficienza della macchina. [6] I rotori laminati furono introdotti l'anno successivo da Siemens & Halske, con conseguente riduzione delle perdite di ferro e tensioni indotte più elevate. Nel 1880, Jonas Wenstrm fornì al rotore delle fessure per accogliere gli avvolgimenti, migliorando ulteriormente l'efficienza.
Nel 1886, Frank Julian Sprague inventò il primo pratico motore a corrente continua, un dispositivo senza scintille che manteneva una velocità relativamente costante sotto carichi variabili. In questo periodo, le altre invenzioni elettriche di Sprague migliorarono notevolmente le prestazioni di distribuzione dell'energia della rete (lavoro svolto prima del mandato di Thomas Edison), consentendo all'energia dei motori elettrici di tornare alla rete, tramite cavi aerei e pali del carrello alimentano i carrelli e forniscono il sistema di controllo per il funzionamento elettrico. Ciò portò Sprague a inventare il primo sistema di tram elettrico che utilizza motori elettrici a Richmond, in Virginia, nel 1887-88, un ascensore elettrico e un sistema di controllo nel 1892 e una metropolitana elettrica con auto controllate centralmente alimentate in modo indipendente. Quest'ultimo fu installato per la prima volta a Chicago nel 1892 dalla South Side Elevated Railroad, dove era colloquialmente noto come "L". Il motore elettrico di Sprague e le relative invenzioni hanno suscitato interesse e hanno trovato un uso diffuso nei motori elettrici industriali. Lo sviluppo di motori elettrici con efficienza accettabile è stato ritardato per decenni a causa del mancato riconoscimento dell'importanza critica del traferro tra il rotore e lo statore. I design efficienti hanno traferri relativamente piccoli. Per lo stesso motivo, l'auto di St. Louis, usata a lungo nelle aule per illustrare i principi del movimento, è estremamente inefficiente e non sembra un'auto moderna.
I motori elettrici hanno rivoluzionato il settore. I processi industriali non sono più limitati dalla trasmissione di potenza tramite alberi, cinghie, aria compressa o idraulica. Invece, ogni macchina può essere dotata di una propria fonte di alimentazione, che può essere facilmente controllata durante l'uso e migliorare l'efficienza del trasferimento di potenza. I motori elettrici utilizzati in agricoltura rimuovono la forza muscolare umana e animale da compiti come la manipolazione del grano o il pompaggio dell'acqua. L'uso di motori elettrici in casa riduce il lavoro pesante in casa e consente standard più elevati di praticità, comfort e sicurezza. Oggi i motori elettrici consumano più della metà dell'elettricità prodotta negli Stati Uniti.
Motore a corrente alternata
Nel 1824, il fisico francese Franois Arago propose l'esistenza di un campo magnetico rotante, noto come rotazione di Arago, aprendo e chiudendo manualmente un interruttore, che Walter Baily dimostrò nel 1879 come il primo motore a induzione primitivo. Durante il 1880, molti inventori tentarono di sviluppare motori a corrente alternata praticabili [31], poiché i vantaggi dei motori a corrente alternata nella trasmissione ad alta tensione su lunghe distanze erano compensati dall'impossibilità di funzionare con motori a corrente alternata.
Nel 1885 Galileo Ferraris inventò il primo motore a induzione AC senza collettore. Ferraris migliorò i suoi primi progetti producendo unità più avanzate nel 1886. Nel 1888, la Reale Accademia delle Scienze di Torino pubblicò lo studio dettagliato di Ferraris sulle basi per il funzionamento dei motori elettrici, ma all'epoca concluse che "un dispositivo basato su questo principio non può avere alcun significato commerciale come motore elettrico."
Il possibile sviluppo industriale è stato concepito da Nikola Tesla, che ha inventato il suo motore a induzione autonomo nel 1887 e lo ha brevettato nel maggio 1888. Nello stesso anno, Tesla ha presentato il suo articolo sull'AIEE di un nuovo sistema per motori CA e trasformatori come descritto in tre brevetti di tipi di motori bifase a quattro poli statori: uno con un rotore a quattro poli che forma un motore a riluttanza non auto-avviamento e l'altro con Il rotore avvolto costituisce un motore a induzione auto-avviamento e il terzo tipo è un vero motore sincrono, che fornisce rispettivamente alimentazione CC di eccitazione agli avvolgimenti del rotore. Tuttavia, un brevetto depositato da Tesla nel 1887 descriveva anche un motore a induzione del rotore in cortocircuito. George Westinghouse aveva acquisito i diritti da Ferraris ($ 1,000) e immediatamente acquistato i brevetti di Tesla ($ 60,000, più $ 2,50 per automobile venduta fino al 1897 pagata nel 2010),[32] assunse Tesla per sviluppare il motore elettrico e incaricato CF Scott di aiutare Tesla; tuttavia, Tesla partì altrove nel 1889. [Citazioni eccessive] Si scoprì che il motore a induzione CA a velocità costante non era adatto per i tram,[31] ma gli ingegneri di Westinghouse lo adattarono con successo per alimentare un'operazione mineraria a Telluride, in Colorado, nel 1891. [ 53][54][55] Westinghouse realizzò il suo primo pratico motore a induzione nel 1892 e sviluppò una famiglia di motori a induzione polifase a 60 Hz nel 1893, ma questi primi motori Westinghouse furono costruiti con motore bifase a rotore avvolto. BG Lamme ha successivamente sviluppato il rotore avvolto per canne da spinning. [45]
Nel promuovere fermamente lo sviluppo della trifase, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky ha inventato il motore a induzione trifase nel 1889, che è sia un rotore di scoiattolo che un tipo a rotore avvolto con un varistore di avviamento, e nel 1890 ha inventato il trasformatore a tre bracci. Tra AEG e Maschinenfabrik Oerlikon, Doliwo-Dobrowolski e Charles Eugene Lancelot Brown hanno sviluppato modelli più grandi, una gabbia di scoiattolo da 20 CV e un rotore avvolto da 100 CV con varistore di avviamento. Questi furono i primi motori asincroni trifase adatti al funzionamento pratico. Winstrom sviluppa macchine trifase simili dal 1889. All'Esposizione Internazionale di Elettrotecnica di Francoforte nel 1891, il primo sistema trifase a lunga distanza è stato dimostrato con successo. È valutato a 15 kV e si estende per 175 km dalle cascate di Laufen sul Neckar. La centrale di Lauffen è composta da un alternatore da 240 kW 86 V 40 Hz e un trasformatore step-up, mentre in mostra un trasformatore step-down alimenta un motore a induzione trifase da 100 hp che alimenta una cascata artificiale, che rappresenta il trasferimento del trasformatore originale. fonte di energia. ] L'induzione trifase è ora utilizzata nella stragrande maggioranza delle applicazioni commerciali. Tuttavia, ha affermato che i motori elettrici di Tesla erano impraticabili a causa delle pulsazioni bifase, spingendolo a attenersi al suo lavoro trifase.
Nel 1891, GE iniziò a sviluppare il motore asincrono trifase [45] nel 1896, GE e Westinghouse firmarono un accordo di licenza incrociata per la progettazione del rotore di avvolgimento della barra, in seguito noto come rotore a gabbia. I miglioramenti al motore a induzione derivavano da queste invenzioni e innovazioni, così che il 100-motore a induzione di potenza ora ha le stesse dimensioni installate del motore da 7.{8}} cavalli di potenza del 1897.
componenti
Rotore motore (sinistra) e statore (destra)
rotore
Articolo principale: rotore (elettrico)
In un motore elettrico, la parte mobile è il rotore, che ruota l'albero per trasmettere potenza meccanica. Il rotore contiene tipicamente conduttori che trasportano correnti che interagiscono con il campo magnetico dello statore per creare una forza che fa ruotare l'albero. In alternativa, alcuni rotori trasportano magneti permanenti, mentre gli statori trattengono i conduttori.
cuscinetto
Il rotore è supportato da cuscinetti che consentono al rotore di ruotare attorno al proprio asse. I cuscinetti sono a loro volta supportati dall'alloggiamento del motore. L'albero del motore si estende attraverso il cuscinetto all'esterno del motore, dove viene applicato il carico. Poiché la forza del carico viene applicata all'esterno del cuscinetto più esterno, il carico è sospeso. [59]
statore
Articolo principale: statore
Lo statore è la parte fissa del circuito elettromagnetico del motore e solitamente è costituito da avvolgimenti o magneti permanenti. Il nucleo dello statore è costituito da molte lamiere sottili chiamate lamierini. I lamierini vengono utilizzati per ridurre le perdite di energia che si verificherebbero se si utilizzasse un nucleo solido.
vuoto d'aria
La distanza tra il rotore e lo statore è chiamata traferro. I traferri hanno un impatto significativo e di solito sono i più piccoli possibile, poiché ampi traferri possono avere un forte impatto negativo sulle prestazioni. È la principale fonte di basso fattore di potenza per il funzionamento del motore. La corrente di eccitazione aumenta all'aumentare del traferro. Pertanto, il traferro dovrebbe essere ridotto al minimo. Oltre al rumore e alle perdite, anche piccoli spazi vuoti possono causare problemi meccanici.
Rotore a polo saliente
Avvolgimento
Articolo principale: avvolgimento
Un avvolgimento è un filo posto in una bobina, solitamente avvolto attorno a un nucleo ferromagnetico morbido laminato, per formare poli quando eccitato.
I motori sono disponibili in due configurazioni base dei poli di campo: salienti e non salienti. In una macchina a poli salienti, il campo magnetico dei poli è creato da avvolgimenti avvolti sui poli al di sotto delle facce dei poli. Nelle macchine a polo non saliente oa campo distribuito oa rotore circolare, gli avvolgimenti sono distribuiti in fessure della superficie del polo. [60] Un motore a poli schermati ha una porzione a spirale di un polo che ritarda la fase del campo magnetico di quel polo.
I conduttori di alcuni motori elettrici sono costituiti da metallo più spesso, come nastri o fogli di metallo, solitamente rame o alluminio. Questi sono solitamente guidati dall'induzione elettromagnetica.
commutatore
Articolo principale: commutatore (elettrico)
Piccolo motore a corrente continua per giocattoli e relativo commutatore
Un commutatore è un meccanismo utilizzato per commutare l'ingresso della maggior parte dei motori CC e di alcuni motori CA. È costituito da segmenti di collettori rotanti isolati l'uno dall'altro e dall'albero. La corrente di armatura del motore viene fornita tramite spazzole fisse a contatto con il commutatore rotante, che provoca l'inversione di corrente richiesta e mentre il rotore ruota da polo a polo Alimentare il motore nel miglior modo possibile. [61][62] In assenza di questa inversione di corrente, il motore frenerà fino all'arresto. I motori a induzione e a magneti permanenti a commutazione esterna stanno sostituendo i motori a commutazione elettromeccanica, data la tecnologia migliorata nei campi dei controller elettronici, del controllo sensorless, dei motori a induzione e dei motori a magneti permanenti.
Alimentazione e controllo del motore
Potenza del motore
Come accennato in precedenza, i motori a corrente continua sono generalmente alimentati da collettori ad anello collettore. La commutazione del motore a corrente alternata può essere ottenuta utilizzando un collettore ad anello o una commutazione esterna e può essere di tipo con controllo a velocità fissa o variabile e può anche essere di tipo sincrono o asincrono. I motori elettrici per uso generico possono funzionare in AC o DC.
controllo del motore
Regolando la tensione CC applicata ai terminali, i motori CC possono funzionare a velocità variabili.
I motori a corrente alternata, generalmente funzionanti a velocità fissa, sono alimentati direttamente dalla rete o tramite un soft starter del motore.
I motori CA funzionanti a velocità variabile sono alimentati da vari inverter di potenza, azionamenti a frequenza variabile o tecnologie di commutatori elettronici.
Il termine commutatore elettronico è spesso associato a motori CC brushless autocommutati e applicazioni con motori a riluttanza commutata.
