Появление трехфазных двигателей – Control Engineering Russia

Диск (1) из меди или стали на стеклянной пластине (2) вращается в том же направлении, что и вращающийся магнит (3). Майкл Фарадей в 1831 году, открыв закон электромагнитной индукции (закон Фарадея), нашел объяснение этому загадочному явлению. По его словам, вращающееся магнитное поле магнита индуцирует вихревые токи в диске, которые создают собственное магнитное поле, взаимодействующее с вращающимся полем.

Появление трехфазных двигателей

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д.т.н., профессор, кафедра систем автоматического управления, СПбГЭТ

В предыдущих статьях [ 1, 2] были описаны первые электродвигатели, работающие от гальванических батарей. Однако во второй половине 19 века, с развитием электрического освещения и передачи электроэнергии на большие расстояния, появились сети однофазного переменного тока [ 3 ]. Это послужило толчком к изобретению электродвигателей переменного тока.

Двигатель Уитстоуна

Рис. 1 Двигатель Уитстоуна

Первый однофазный двигатель был предложен в 1841 году Чарльзом Уитстоном, английским физиком, известным также своими изобретениями в области электрических генераторов и измерительной техники. Этот двигатель подключается к источнику переменного тока и состоит (рис. 1) из статора с шестью электромагнитами (1) и ротора (2) в виде медного диска с тремя подковообразными магнитами (3), полярность N и S.

Все электромагниты соединены последовательно, так что при любой полярности питающего напряжения в промежутках между ними образуются магнитные потоки или полярности переменной полярности. n и sпоказанный на рис. 1 в момент запуска t1 для положительного полупериода напряжения питания. Предположим, что ротор вращается против часовой стрелки, и рассмотрим силы, действующие на верхний магнит ротора (остальные магниты также действуют аналогичным образом). Поскольку полюса магнитов поменялись местами и полюса одинаковых магнитов отталкиваются, вращающий момент на роторе будет направлен против часовой стрелки, чтобы заставить его двигаться. Если ротор двигателя успевает повернуться на 60° за полупериод напряжения, то в следующий полупериод все полюса статора поменяют полярность, и ротор повернется еще на 60°. Таким образом, ротор будет вращаться синхронно с частотой перемагничивания электромагнита (частотой сети), поэтому такие двигатели называются синхронными, как предложил Чарльз Штейнметц.

Рис. 2. Векторная диаграмма двигателя

Магнитное поле в статоре такого двигателя можно представить в виде вектора (рис. 2), где Ф1, Ф2,… Ф6 – магнитные потоки статора, взаимодействующие с ротором в последовательные моменты времени t1, t2, … t6когда напряжение питания меняет свой знак. Это означает, что вектор магнитного потока статора движется по кругу синхронно с ротором, поэтому это можно назвать ступенчатым магнитным полем.

При фактической частоте сети 50-60 Гц такой двигатель, очевидно, не сможет запуститься, но если его ротор повернуть, например, вручную или с помощью другого двигателя до синхронной скорости, он будет устойчиво работать со скоростью, пропорциональной частоте сети. Когда в 1889 году Лондон был электрифицирован однофазным напряжением, в качестве такого двигателя “отдачи” был использован так называемый универсальный двигатель (рис. 3) с обмотками якоря (1) и возбуждения (2). Его конструкция была независимо разработана в 1884-85 годах Вернером Сименсом и соразработчиками трансформатора – венгерскими инженерами Микшей Дери и Отто Блати [4-6].

Рисунок 3: Универсальный двигатель

Универсальные двигатели до сих пор широко используются до нескольких киловатт, особенно в бытовых приборах. Они привлекли производителей простотой изменения скорости с помощью регулирования напряжения, как в обычном двигателе постоянного тока. Однако для тяжелых дисков такое регулирование в то время было затруднено. Поэтому так называемый двигатель отталкивания, изобретенный в 1885 году известным американским электриком Элиху Томсоном и позднее усовершенствованный Микшей Дери [3, 5, 6], нашел применение в электрической тяге на железных дорогах и в лифтах, работающих на переменном токе.

Приводной двигатель

Рис.4 Приводной двигатель

Элиху Томсон (1853-1937), уроженец Англии, сочетал в себе таланты блестящего университетского профессора, важного инженера, плодовитого изобретателя (696 патентов) и успешного бизнесмена [7]. Он разработал, среди прочего различные системы электрического освещения, высокочастотный генератор и трансформатор, саморегистрирующийся ваттметр, один метод электрической сварки и улучшенные рентгеновские трубки. Томсон основал электротехнические компании в Англии, Франции и США. В 1892 году его компания Thomson-Houston объединилась с компанией Эдисона и образовала крупнейшую в мире электротехническую компанию General Electric.

Двигатель отталкивания, показанный на рисунке 4, по конструкции похож на универсальный двигатель. 4, по конструкции похож на универсальный двигатель с якорем (1) и возбуждением в виде электромагнита (2). Отличие заключается в том, что щетки двигателя (3) короткозамкнуты и могут вращаться вручную [8]. При подаче переменного напряжения закороченная обмотка якоря создает ЭДС и ток, направление которого, согласно закону Ленца, таково, что создаваемый им поток противодействует магнитному потоку статора.

Если в течение определенного полупериода питающего напряжения катушка (2) имеет полюс N в нижней части, то якорь (1) имеет такой же полюс в верхней части, как показано на рисунке 4, что заставит их отталкиваться друг от друга и вращать ротор по часовой стрелке. Это объясняет название двигателя, которое буквально означает “отталкивающий”. В этом случае величина наведенной ЭДС, а значит и крутящего момента, определяется положением щеток. Когда щетки расположены горизонтально, ЭДС и крутящий момент максимальны (пусковой режим). Затем, когда щетки вращаются против часовой стрелки, крутящий момент уменьшается, а скорость увеличивается. Таким образом, запуск и скорость вращения двигателя отталкивания можно легко регулировать путем вращения щеток без изменения напряжения питания.

Однако проблемы искрения, шума и быстрого износа всех коллекторных двигателей были решены только с разработкой асинхронного двигателя. По своей конструкции он намного проще любого двигателя постоянного тока, поэтому удивительно, что он был изобретен почти на полвека позже, хотя, как отметил Элайджа Томсон: “Трудно создать комбинацию из магнитов переменного тока и кусочков меди, которая не имела бы тенденции к вращению” [5].

Галилео Феррарис (1847-1897)

Рисунок 5: Галилео Феррарис (1847-1897)

Асинхронный двигатель основан на концепции вращающегося магнитного поля, которая была предложена почти одновременно в середине 1880-х годов двумя выдающимися учеными, Николой Тесла [ 3 ] и Галилео Феррарисом, итальянским профессором физики (Рисунок 5). Последний родился на севере Италии в семье фармацевта и после окончания Туринского университета стал профессором Музея промышленности, где исследовал трансформаторы, многофазные цепи, линии передачи переменного тока и оптические приборы. Он прожил короткую жизнь, но успел заслужить титул “отца трехфазного тока” в Европе [5, 9, 10].

Если вернуться к концепции, то во вращающемся магнитном поле вектор магнитного потока статора имеет постоянную величину, но в отличие от ступенчатого поля (рис. 2), он непрерывно (равномерно) вращается с синхронной скоростью. Очевидно, что ротор в виде магнита, помещенный в такое поле, будет вращаться синхронно с ним, как это происходит в двигателе Уитстона, упомянутом выше. Однако оказалось, что немагнитный ротор из любого проводящего металла будет вращаться точно так же. Еще в 1824 году известный французский физик-академик Доминик Араго продемонстрировал эксперимент, который он назвал “вращательным магнетизмом”. [5] и который показан на рисунке 6.

Эксперимент Араго

Рис. 6. Эксперимент Араго

Медный или стальной диск (1) на стеклянной пластине (2) вращался в том же направлении, что и вращающийся магнит (3). Объяснение этому загадочному явлению нашел Майкл Фарадей в 1831 году, открыв закон электромагнитной индукции (закон Фарадея). По его словам, вращающееся магнитное поле магнита индуцирует в диске вихревые токи, которые создают собственное магнитное поле, взаимодействующее с вращающимся полем.

Эксперимент Бейли

Рис. 7: Эксперимент Бейли

Этот принцип лежит в основе современных асинхронных двигателей (в англоязычной литературе – induction motors), которые имеют металлический ротор и отличаются лишь тем, что в них вращающееся магнитное поле формируется неподвижной обмоткой статора. Первый шаг к созданию такого двигателя был сделан в 1879 году английским физиком Уолтером Бейли, который в эксперименте Араго заменил вращающийся магнит четырьмя электромагнитами (2-5), токи которых вручную включались последовательно (рис. 7) [5, 10]. Но такое устройство создавало ошеломляющее магнитное поле в течение 90 o. Но как получить постоянно (равномерно) вращающееся магнитное поле?

На этот вопрос ответил вышеупомянутый Феррарис в 1888 году в докладе Академии наук в Турине, сформулировав математически два условия [5, 10]:

  1. Обмотка двигателя должна содержать две независимые части (теперь называемые фазами), магнитные потоки которых геометрически взаимно перпендикулярны.
  2. На фазы должны подаваться два гармонических напряжения, сдвинутых на четверть периода (синус и косинус).

Позже Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил назвать такую систему токов Дрехстромом, что буквально означает “вращающийся ток”. [6].

Двухфазный двигатель Ferrari

Рисунок 8. Двухфазный двигатель Ferraris

Феррарис изобретательно доказал свою теорию на модели двигателя мощностью 3 Вт (рис. 8), имеющего ротор (1) в виде полого медного стакана и статор (2) с фазами A и B. Фазы разделены на две секции с разным числом витков, намотанных проволокой разного диаметра, чтобы создать индуктивный сдвиг фаз токов на 90° при питании от однофазной сети.

В 1890 году французские инженеры Морис Хутин и Морис Леблан предложили использовать конденсатор для сдвига фаз [6]. В таком виде двухфазный двигатель сохранился до наших дней как конденсаторный двигатель. Размеры конденсатора пропорциональны размерам самого двигателя, поэтому данное техническое решение подходит только для небольших двигателей.

Сам Феррарис также заявил, что “…аппарат, основанный на изученном нами принципе, не может иметь никакого промышленного значения в качестве двигателя”. [10]. Поэтому он не запатентовал его (как и другие свои открытия) и отклонил, в отличие от Теслы, предложение о сотрудничестве от компании Westinghouse. Тем не менее, его работа позже стала основой для оспаривания патентов Теслы в некоторых из 25 судебных исков, поданных компанией Westinghouse [5, 9]. Феррарис сделал пессимистичный вывод о перспективах своего мотора, оценив его КПД в точке максимальной мощности на валу – менее 50%. Однако на данный момент это относится и к двигателям постоянного тока. Поэтому дальнейшие рабочие точки стали выбирать ближе к холостому ходу, где в идеале КПД любого электромотора стремится к 100%.

Двигатель Tesla

Рисунок 9: Двигатель Tesla

Совершенно другой путь выбрал Тесла, который в 1887 году предложил многофазные системы, в которых напряжения смещения, питающие различные фазы, вырабатывались генератором энергии, как показано, например, на рисунке на рисунке 9, где: 1 – генератор, 2 – двухфазный двигатель, 3 – контактные кольца генератора, 4 – обмотка ротора (кольца двигателя не показаны) [5, 10].

Когда выключатель включен, на ротор подается постоянное напряжение, и это двухфазный синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением. В положении OFF обмотка ротора замыкается накоротко, и мы получаем асинхронный двигатель, названный Тесла асинхронным двигателем. Эксперт из патентного бюро сначала не верил в работу такого странного двигателя, пока Тесла не показал ему рабочую модель (рис. 10).

Прототип двигателя Tesla

Рисунок 10: Модель двигателя Тесла

Двигатели Теслы и Феррариса легко запускались от сети, но их скорость снижалась по мере увеличения нагрузки, что подтверждает принципиальное отличие асинхронного двигателя от синхронного. Фактически, асинхронный двигатель развивает вращающий момент только при наличии тока и, следовательно, ЭДС, наведенной в роторе. Согласно закону Фарадея, это возможно только тогда, когда ротор пересекает линии поля статора, т.е. когда их скорости не совпадают (не синхронны).

Как описано в статье [ 3 ], Тесла вместе с Вестингаузом начал активно внедрять асинхронные двигатели, но они были усовершенствованы и приняли свой нынешний вид только благодаря работе нашего соотечественника Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, о которой пойдет речь в следующих статьях.

Многофазные синхронные двигатели нашли широкое применение там, где требуется стабильная скорость, например, в компрессорах, приводах генераторов и т.д. Синхронные двигатели с постоянными магнитами относятся к современным двигателям с постоянными магнитами, которые все больше конкурируют с ранее наиболее широко используемыми двигателями постоянного тока.

Спрос на трехфазные двигатели возник с появлением однофазных сетей освещения. Первым из них был синхронный двигатель с постоянным магнитом Уитстона (1841).

Однако эти двигатели не обладали пусковым моментом, поэтому на практике использовались универсальные двигатели Сименса и двигатели отталкивания Томсона (1884-5).

Двигатели достаточной мощности для промышленности были разработаны только в середине 1880-х годов, после того, как концепция вращающегося магнитного поля была математически сформулирована Феррарисом и реализована в многофазных синхронных и асинхронных двигателях Теслы, запущенных в производство на заводах Вестингауза.

Компания создала специальный испытательный центр для проведения исследований в области управления двигателями внутреннего сгорания, также входящими в состав автомобиля. Испытательная лаборатория включает в себя корпуса двигателей, барабанную камеру, температурно-климатическую камеру, вибростенд, соляную кабину, рентгеновский аппарат и другое специализированное оборудование.

200 лет электродвигателю

фото

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед представил электромагнитную теорию в состоянии 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 оказался вовлечен 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 стадии становления.

Фарадей был интересным кандидатом для решения этой задачи, о чем рассказывают Нэнси Форбс и Бэзил Махон в своей книге 2014 года “Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле”. Он родился в 1791 году. и получил лишь скромное образование в церковной школе в своей деревне Ньюингтон, Суррей (сейчас это часть Южного Лондона). В возрасте 14 лет он стал подмастерьем переплетчика. Он прочитал многие из связанных им книг и продолжал стремиться к дальнейшему изучению. 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 старше Фарадея всего на 13 лет, уже был известен как химик. Он открыл натрий, калий и несколько химических соединений, а также изобрел шахтную лампу. Он также был харизматичным оратором. Фарадей делал подробные записи своих лекций и отправлял копии Дэви с просьбой о трудоустройстве. Когда в Королевском институте открылась вакансия ассистента по химии, Дэви нанял Фарадея.

фото

Фарадей (слева), Дэви (справа).

Дэви был наставником Фарадея и обучил его принципам химии. Фарадей обладал ненасытным любопытством, и его репутация в Королевском институте росла. Однако, когда Филлипс попросил Фарадея написать обзорную статью для “Анналов”, последний только начинал разбираться в электромагнетизме и был несколько обескуражен математикой Ампера.

Фарадей в душе был экспериментатором, поэтому для написания подробного отчета он повторил эксперименты Эрстеда и попытался следовать рассуждениям Ампера. Его “Исторический очерк электромагнетизма”, опубликованный анонимно в журнале Annals, описывал состояние этой области, текущие исследовательские проблемы и экспериментальную аппаратуру, развитие теории и основных авторов. (Краткое изложение статьи Фарадея можно найти в книге Aaron D. Cobb “Michael Faraday’s ‘Historical Sketch of Electro-Magnetism’ and the Theory-Dependence of Experimentation” в декабрьском выпуске журнала Philosophy of Science за 2009 год.

Реконструируя эксперименты Эрстеда, Фарадей не был полностью убежден, что электричество ведет себя как жидкость, протекая через проводники так же, как вода через трубы. Вместо этого он считал электричество колебаниями, возникающими в результате напряжения между проводящими материалами. Эти мысли подтолкнули его к экспериментам.

3 сентября 1821 года Фарадей наблюдал круговое вращение провода, притягиваемого и отталкиваемого магнитными полюсами. Он нарисовал в своем блокноте вращение по часовой стрелке вокруг южного полюса магнита и обратное вращение вокруг северного полюса. “Очень убедительно, – написал он в своем дневнике об эксперименте, – но мы должны сделать более интеллектуальное устройство”.

На следующий день ему это удалось. 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 обмакнул жесткую проволоку в ртуть и подключил устройство к батарее. Когда ток протекал по цепи, он создавал круговое магнитное поле вокруг провода. Когда ток в проволоке взаимодействовал с постоянным магнитом, прикрепленным ко дну блюда, проволока вращалась по часовой стрелке. На другой стороне аппарата проволока была закреплена, а магнит мог свободно двигаться, что он и делал по кругу вокруг проволоки.

фото

Чтобы увидеть наглядную анимацию работы аппарата Фарадея, посмотрите этот учебник, созданный Национальной лабораторией высоких магнитных полей. А для тех, кто хотел бы построить свой собственный двигатель Faraday, можно посмотреть это видео:

Хотя устройство Фарадея было отличным доказательством концепции, оно было не слишком полезно, разве что в качестве салонного фокуса. Вскоре люди начали покупать карманные моторы в качестве подарков.

Хотя оригинального двигателя Фарадея больше не существует, есть один, который Фарадей построил в следующем году; он находится в коллекции Королевского института и изображен в начале этой публикации. Эта простая на вид конструкция является самым ранним примером электродвигателя – первого устройства, преобразующего электрическую энергию в механическое движение.

снимок

Последствия изобретения Фарадея

Фарадей знал силу быстрой публикации и менее чем за месяц написал работу “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 полностью признать вклад других людей в открытие.

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

Дэви обладал печально известным хрупким эго. Он также был расстроен тем, что Фарадей недооценил его друга Уильяма Хайда Волластона, который потратил более года на изучение проблемы вращательного движения с помощью токов и магнитов. Фарадей в своей статье упоминает обоих, а также Ампера, Эрстеда и некоторых других. Но он не называет никого из них своим сотрудником, 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. Более того, в ранних публикациях было принято (и до сих пор принято) отдавать должное своему консультанту.

Фарадей попытался 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, президент общества, Хамфри Дэви, подал единственный голос против него.

В течение следующих нескольких лет Фарадей избегал работы в области электромагнетизма. Был ли это его собственный выбор или его вынудил к этому Дэви, который поручил ему отнимающие много времени обязанности в Королевском институте, остается открытым вопросом.

Одной из задач Фарадея было спасение финансов Королевского института, что он и сделал, возродив 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 уступала позиции французским и немецким производителям линз. Это была нудная, бюрократическая работа, которую Фарадей выполнял как патриотический долг, но рутина и постоянные неудачи отвратили его от нее.

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

В 1831 году, через два года после смерти Дэви и после завершения своей работы в рабочей группе по проектированию стекла, Фарадей вернулся к экспериментам с электричеством, занимаясь акустикой. Вместе с Чарльзом Уитстоном он изучал звуковые колебания. Фарадея особенно интересовало, как звуковые колебания можно наблюдать, если провести скрипичным смычком по металлической пластине, слегка посыпанной песком, создавая отчетливые узоры, известные как фигуры Хладни. В этом видео:

Фарадей изучал нелинейные стоячие волны, образующиеся на поверхности жидкостей, которые сейчас известны как волны Фарадея или пульсации Фарадея. Он опубликовал свою работу “Об особом 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, протекающий по проводнику, вызвать ток в соседнем проводнике. Это привело его к одному из самых известных изобретений и экспериментов – индукционному кольцу. 29 августа 1831 года Фарадей описал в своей записной книжке эксперимент с использованием специально подготовленного железного кольца. Он обмотал одну сторону кольца тремя отрезками изолированного медного провода, каждый длиной около 7 метров (24 фута). С другой стороны он намотал около 60 футов (18 метров) изолированного медного провода. (Хотя он описывает только собранное кольцо, намотка проволоки, вероятно, заняла у него много дней. Современным экспериментаторам, создавшим копию, потребовалось на это 10 дней). Затем он начал заряжать одну сторону кольца и наблюдать эффект на магнитной игле, расположенной на небольшом расстоянии. К своему восторгу, ему удалось вызвать электрический ток из одного набора проводов в другой, создав таким образом первый электрический трансформатор.

фото

Запись в записной книжке Фарадея от 29 августа 1831 года описывает его эксперимент с железным индукционным кольцом, соединенным с проводом – 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 была первая динамо-машина 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 и сохранении (или не сохранении) личных обид. Иногда говорят, что Фарадей был величайшим открытием Дэви, что несколько несправедливо по отношению к Дэви, который сам был ценным ученым. Когда репутация Фарадея начала затмевать репутацию его наставника, Фарадей совершил несколько ошибок, ориентируясь в сжатом, чувствительном ко времени мире научных публикаций. Но он продолжал делать свою работу – и делать ее хорошо – внося надежный вклад в работу Королевского института. Через десять лет после первого открытия электромагнетизма он превзошел себя в другом. Неплохо для самоучки, плохо знающего математику.

ITELMA всегда рада приветствовать молодых специалистов, выпускников автомобильных, технических и физико-математических факультетов других университетов.

У вас будет возможность разрабатывать программное обеспечение различных уровней, тестировать, запускать в производство и видеть в действии готовые автомобильные продукты, к созданию которых вы приложили руку.

Компания располагает специализированным испытательным центром, предоставляющим возможность проводить испытания систем управления двигателями внутреннего сгорания, в том числе в автомобиле. Испытательная лаборатория включает в себя моторные боксы, станции стробирования, оборудование для измерения температуры и климата, стенд для испытания вибрации, соляную кабину, рентгеновский аппарат и другое специализированное оборудование.

Если вам интересно попробовать свои силы в том, что мы можем предложить, не стесняйтесь, пишите нам.

Мы являемся крупной компанией по разработке компонентов. В компании работает около 2 500 человек, включая 650 инженеров.

Мы являемся, пожалуй, самым сильным центром компетенции по разработке автомобильной электроники в России. В настоящее время мы активно расширяемся и открыли множество вакансий (около 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (программист DSP) и др.

У нас много интересных заданий от производителей автомобилей и отраслевых концернов. Если вы хотите расти как специалист и учиться у лучших, мы хотели бы видеть вас в нашей команде. Мы также готовы поделиться своими знаниями, самым важным, что происходит в автомобильной промышленности. Задайте нам любой вопрос, и мы дадим вам ответ.

Доливо-Добровольский объяснил необходимость перехода с двухфазной на трехфазную систему тем, что в трехфазных приводах намагничивающая сила на статоре распределяется лучше.

История электрического двигателя

Создание электродвигателя ознаменовало собой эру индустриализации. Первые образцы появились еще в 19 веке, но только спустя десятилетия они были усовершенствованы и запущены в массовое производство.

1821

Английский физик Майкл Фарадей публикует научную работу, в которой подробно описывает результаты своего эксперимента со стрелкой, непрерывно вращающейся вокруг магнитного полюса. Ученый разработал преобразователь электрической энергии в механическую. Его открытие стало прототипом электрического двигателя.

1833

Весной 1833 года английский физик Уильям Стерджен представил научному сообществу электродвигатель постоянного тока собственной конструкции. Презентация состоялась в Лондоне, и машина Стерджона стала первым пригодным для использования двигателем.

1834

Русский ученый Борис Якоби изобрел электродвигатель с вращающимся валом. Мощность двигателя составляла 15 Вт, а максимальная скорость вращения вала – 120 об/мин.

1839

Борис Якоби продолжал работать над электродвигателями. В 1839 году. спроектировал лодку с электромотором мощностью 1 лошадиная сила. В лодке было 14 мест. В ходе испытаний было доказано, что он может двигаться против течения. Таким образом, электрический двигатель был применен на практике.

В течение следующих 45 лет изобретатели из Шотландии, Великобритании, Германии и Бельгии создавали, совершенствовали и испытывали электродвигатели для локомотивов, промышленных приводов и других механизмов. В результате этих экспериментов родился асинхронный электродвигатель.

1885-1891

Двухфазный двигатель был изобретен итальянским инженером Феррарисом в 1885 году. Разочарованием для конструктора стал низкий КПД двигателя – всего 50%. Феррарис не верил, что это значение можно увеличить, поэтому он прекратил эксперименты.

В то же время, что и Феррарис, Никола Тесла работал в США над созданием двухфазного асинхронного двигателя. В 1887 году он запатентовал электродвигатель.

Тем временем российский инженер Михаил Доливо-Добровольский продолжил работу Феррариса. Прочитав отчет итальянского конструктора, он начал свои исследования в этом направлении и создал трехфазный асинхронный электродвигатель.

Необходимость перехода с двухфазной системы на трехфазную Доливо-Добровольский объяснил тем, что в трехфазных приводах лучше распределяется намагничивающая сила на статоре.

Время и практический опыт доказали его правоту – разработанные Доливо-Добровольским электродвигатели стали основой агрегатов, внедренных в серийное производство. С точки зрения дизайна они претерпели лишь незначительные изменения.

Сегодня трехфазные асинхронные двигатели активно используются в различных отраслях промышленности. В России электроприводы получили широкое распространение после революции 1917 года, когда началась массовая электрификация страны. Если в начале 20-го века максимальная мощность двигателя не превышала 5 кВт, то в 1920 году она достигла 60 кВт.

Трехфазный асинхронный электродвигатель

Электрический двигатель

Электрический двигательПодвесим петлю из проволоки между полюсами неподвижного магнита, через который пропускаем электрический ток. Мы увидим, что петля начинает отклоняться в сторону, чтобы выйти за пределы магнитного поля. Это явление лежит в основе всех электродвигатели. Основными частями электродвигателя являются ротор и статор. Статор является неподвижной частью двигателя и служит магнитным контуром, в котором генерируется магнитное поле. Движущейся, вращающейся частью электродвигателя является ротор, который содержит катушки проволоки, через которые проходит электрический ток.

Майкл ФарадейМайкл Фарадей

Двигатели постоянного тока – это двигатели постоянного тока. Двигатели, работающие от источника переменного тока, называются двигателями переменного тока. В результате своих экспериментов выдающийся английский физик Майкл Фарадей доказал, что, перемещая проводник в магнитном поле, можно создать электрический ток путем индукции. Так, в 1831 году было открыто явление электромагнитной индукции. Сразу же ученые и изобретатели из нескольких стран начали работать над созданием электродвигателя, пригодного для использования на практике.

Первый электродвигатель постоянного тока Б.С. Якоби

Первый двигатель постоянного тока Б.С. Якоби

Первый электродвигатель постоянного тока был создан потому, что первыми были изобретены источники постоянного тока (аккумулятор и гальванические элементы). В 1834 году русский ученый Б.С. Якоби создал первый электродвигатель, который состоял из двух частей – неподвижной и вращающейся. Благодаря этому изобретению был открыт принцип непрерывного вращательного движения. Электродвигатель имел мощность 15 Вт и питался от гальванических батарей. Однако электрический двигатель не имел практического применения. В 1838 году Б. С. Якоби создал первый электродвигатель постоянного тока, пригодный для практических целей. Мощность была увеличена за счет объединения 40 двигателей в одном самолете. Двигатель использовался для привода гребного вала лодки. 13 сентября 1838 года мотор был установлен на лодке, перевозившей 12 пассажиров. Испытания прошли очень успешно. За 7 часов лодка прошла 7 км со скоростью 2 км/ч. В сентябре 1839 года усовершенствованный и более мощный двигатель был установлен на лодке с 14 пассажирами и скоростью 4 км/ч. Двигатель Якоби был самым надежным и мощным из всех конструкций того времени. К 1870-м годам электродвигатель был полностью усовершенствован и остался таким, каким он является сегодня.

Со временем в электродвигателях вместо постоянных магнитов стали использовать электромагниты, что позволило значительно увеличить выходную мощность. Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в следующем: электрический ток подается на обмотку электромагнита, который создает магнитное поле между своими полюсами. На ротор помещается катушка проволоки. Когда ток подается на проволочную катушку через коллектор, она начинает вращаться вместе с ротором. Особенностью этих двигателей является то, что скорость вращения ротора можно регулировать. Микромоторы используются в электробритвах, системах автоматического управления, кофемолках и других бытовых приборах. Мощные электродвигатели используются для привода кранов, сельскохозяйственной техники и в электрифицированном транспорте.

Трехфазный асинхронный электродвигатель

Трехфазный асинхронный электродвигатель

В 1889 году известный русский инженер-электрик М. О. Доливо-Добровольский разработал систему трехфазного тока и создал первый трехфазный двигатель переменного тока. Основными частями двигателя переменного тока являются ротор и статор. В отличие от двигателей постоянного тока, они не имеют коллектора, а ток в обмотки ротора подается через контактные кольца. У некоторых двигателей на обмотках нет клемм для подключения тока, а есть короткое замыкание. Внешне ротор выглядел как колесо в беличьей клетке и был назван беличьим колесом. Конструкция этого ротора позволила снизить магнитное и электрическое сопротивление и увеличить КПД и осталась неизменной по сей день. Существуют синхронные и асинхронные трехфазные двигатели. В синхронном двигателе скорость магнитного поля, создаваемого обмотками статора, синхронизирована со скоростью вращения ротора. В асинхронных двигателях скорость ротора замедляется по сравнению со скоростью магнитного поля статора. Асинхронные двигатели являются самыми простыми и надежными. Они стали обычным явлением.

Ученые и изобретатели работали над двигателем, чтобы использовать его в производственных целях. Их целью было заставить сердечник двигателя двигаться в магнитном поле вращательно-поступательно, подобно движению поршня в цилиндре парового двигателя. Русский изобретатель Б.С. Якоби значительно упростил задачу. Принцип работы его двигателя был основан на попеременном притяжении и отталкивании электромагнитов. Одна часть электромагнитов питалась от гальванической батареи, и направление тока в них не менялось, а другая часть была подключена к батарее через переключатель, благодаря которому направление тока менялось после каждого поворота. Полярность электромагнитов изменилась, и каждый из движущихся электромагнитов попеременно притягивался и отталкивался соответствующим неподвижным электромагнитом. Вал приводится в движение.

Принцип действия.

Явление электромагнитной индукции (ЭМИ) лежит в основе работы электрических машин. Явление электромагнитной индукции заключается в том, что каждое изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, порождает в этом контуре индукционный ток.

Сам двигатель состоит из ротора (подвижная часть – магнит или катушка) и статора (неподвижная часть – катушка). Двигатель обычно выполнен в виде двух катушек. Статор заключен в обмотку, через которую фактически протекает ток. Ток создает магнитное поле, которое действует на другую катушку. В этой катушке под воздействием электромагнитных помех возникает ток, который создает магнитное поле, действующее на первую катушку. И так повторяется по замкнутому кругу. В результате взаимодействия полей ротора и статора возникает вращающий момент, который приводит в движение ротор двигателя. Таким образом, электрическая энергия преобразуется в механическую, которую можно использовать в различных устройствах, механизмах и даже автомобилях.

Вращающееся магнитное поле

электродвигатель электродвигатель ротор двигателя

Вращение электродвигателя

По принципу работы эти двигатели делятся на синхронные и асинхронные. Асинхронная машина – это электрическая машина переменного тока, скорость вращения ротора которой не равна (в режиме двигателя меньше) скорости магнитного поля, создаваемого током в обмотке статора.

Заключение

Основные элементы двигателя – трехфазная обмотка статора и компактный ротор с многовитковой обмоткой – были предложены и разработаны Доливо-Добровольским. Работа асинхронного двигателя основана на электромагнитном взаимодействии между статором и ротором. Токи обмотки статора создают вращающееся магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует токи в замкнутой обмотке ротора. В результате взаимодействия токов ротора с магнитным полем статора возникает вращающий момент.

Читайте далее:
Сохранить статью?