История изобретения электродвигателя | Великие открытия человечества

Давайте подвесим между полюсами неподвижного магнита проволочную петлю, через которую пропустим электрический ток. Мы увидим, что петля начнет отклоняться в сторону, чтобы выйти из магнитного поля. Именно это явление положено в основу всех электродвигателей. Главными частями электродвигателя являются: ротор и статор. Статор является неподвижной частью электродвигателя, служит магнитопроводом, в котором образуется магнитное поле. Подвижной вращающейся частью электродвигателя является ротор, на нем помещены витки провода, по которому пропускают электрический ток.

Майкл Фарадей

Двигатели, работающие от сети постоянного тока, являются двигателями постоянного тока. Двигатели, работающие от источника переменного тока, называются двигателями переменного тока. В результате проведенных экспериментов выдающийся английский физик Майкл Фарадей доказал, что при перемещении проводника в магнитном поле, можно создавать электрический ток индукционным методом. Так, в 1831 году было открыто явление электромагнитной индукции. Сразу же ученые и изобретатели нескольких стран взялись за разработку электродвигателя, пригодного для практики.

Первый электродвигатель постоянного тока Б.С. Якоби

Первыми были созданы электродвигатели постоянного тока, так как источники постоянного тока (батарея и гальванические элементы) были изобретены раньше. В 1834 году русским ученым Б. С. Якоби был создан первый электродвигатель, который состоял из двух частей — неподвижной и вращающейся. Благодаря изобретению был открыт принцип непрерывного вращательного движения. Мощность электродвигателя равнялась 15 Вт, источником тока были гальванические батареи. Однако практического применения электродвигатель не имел. В 1838 году Б. С. Якоби создал первый электродвигатель постоянного тока пригодный для практических целей. Мощность была увеличена за счет соединенных на одной плоскости 40 двигателей. Двигатель использовали для привода гребного вала лодки. 13 сентября 1838 года двигатель был установлен на лодке, в которой находилось 12 пассажиров. Испытания прошли весьма успешно. За 7 часов лодка проделала путь в 7 км со скоростью 2 км/ч. В сентябре 1839 года на катер с 14 пассажирами был установлен двигатель усовершенствованной конструкции, большей мощности, скорость которого составляла 4 км/ч. Двигатель Якоби стал самым надежным и мощным из всех конструкций, созданных на тот момент. К 70-м годам XIX столетия электродвигатель был полностью усовершенствован и сохранился в таком виде до наших дней.

Со временем в электродвигателях стали использовать электромагниты вместо постоянных магнитов, что позволило существенно увеличить мощность. Принцип работы электродвигателя постоянного тока заключается в следующем: к обмотке электромагнита подводят электрический ток, в результате между его полюсами возникает магнитное поле. Виток провода размещен на роторе. Когда к витку провода через коллектор подводится электрический ток, он начинает вращаться вместе с ротором. Особенностью таких электродвигателей является возможность регулировать частоту вращения ротора. Микроэлектродвигатели используют в электробритвах, системах автоматического регулирования, кофемолках и других приборах быта. Мощные электродвигатели используют для привода подъемных кранов, прокатных станков, на электрофицированном транспорте.

Трехфазный асинхронный электродвигатель

В 1889 году замечательный русский инженер-электротехник М. О. Доливо-Добровольский создал систему трехфазного тока и создал первый трехфазный двигатель переменного тока. Основными частями двигателя переменного тока также являются ротор и статор. В отличие от двигателей постоянного тока они не имеют коллектора, ток на обмотки ротора поступает через контактные кольца. В некоторых двигателях отсутствуют выводы на обмотках для подключения к току, а замкнуты между собой. Внешне ротор был похож на колесо в беличьей клетке и получил название беличьего колеса. Конструкция такого ротора дала возможность уменьшить магнитное и электрическое сопротивление и повысить эффективность работы, без принципиальных изменений она сохранилась до сегодняшних дней. Двигатели переменного тока существуют синхронные и асинхронные. У синхронного двигателя частота вращения магнитного поля, производимая обмотками статора, синхронна с частотой вращения ротора. В асинхронных двигателях частота вращения ротора отстает от частоты вращения магнитного поля статора. Наиболее просты и надежны асинхронные двигатели. Они получили широкое распространение.

когда придумали первый в мире, история создания

Сложно представить себе жизнь современных людей без электрических двигателей. Эта конструкция прочно вошла в разные сферы и сделала жизнь более комфортной. При этом далеко не каждому известно, кто именно изобрел электродвигатель. На самом деле свой вклад в появление этой конструкции внесли многие ученые, которые проводили значимые исследования в сфере электромеханики.

Содержание

Вклады ученых в электромеханику

Первые значимые эксперименты в области электромеханики провел итальянский исследователь Вольт. Именно он создал химический источник тока. Это случилось больше 2 столетий назад – в 1800 году.

Через 20 лет датский физик Эрстед сумел открыть уникальное свойство. Он установил, что протекающий ток может вызывать отклонение магнитной стрелки в плоскости. Уже в 1821 году известный британский ученый Майкл Фарадей издал важный трактат, в котором описал новые электромагнитные движения и сформулировал теорию магнетизма. В своей работе физик детально описал, как можно стимулировать безостановочное движение магнитной стрелки вокруг фиксированного магнитного полюса.

Установка, которую сконструировал ученый, давала возможность сформировать постоянное преобразование электрической энергии в механическую. Именно эта конструкция считается первым электродвигателем в истории.

В 1822 году французский исследователь Андре Мари Ампер сделал важное открытие. Он установил, что соленоид обладает магнитным эффектом. К тому же исследователь сформулировал идею, что катушка с протекающим током и постоянный магнит полностью эквивалентны. Помимо этого, для усиления магнитного эффекта было предложено поместить в центральную часть катушки металлический сердечник. В тот же период Барлоу придумал униполярный электродвигатель. Его конструкция получила название колеса Барлоу.

В 1925 году Араго продемонстрировал общественности уникальный эксперимент. Он заключался в том, что медный диск стимулировал движение магнитной стрелки, которая подвешивалась сверху. В том же году Стерджен сделал первый электромагнит.

В 1831 году одновременно 2 знаменитых физика Фарадей и Генри сделали важное открытие. Независимо друг от друга исследователи установили существование электромагнитной индукции. Однако Фарадей первым опубликовал результаты своего исследования.

В 1832 году французский исследователь Пикси сконструировал первый генератор переменного тока. Он включал конструкцию из 2 катушек с металлическим сердечником, напротив которого находился свободно крутящийся магнит в виде подковы. После добавления коммутатора к этой конструкции она начала синтезировать пульсирующий постоянный ток.

В 1833 году широкой публике был представлен электрический двигатель на постоянном токе. Его автором стал Стреджен. Его конструкцию впервые удалось использовать на практике.

В том же году Ленц выпустил труд, в котором доказал, что электрический двигатель и генератор являются взаимозаменяемыми. Это явление получило название закона взаимности магнитоэлектрических явлений.

Появление первых электрических двигателей

Создание первых электродвигателей стало настоящим прорывом в сфере науки и техники. Это изобретение появилось благодаря вкладу целого ряда известных ученых.

Изобретение Якоби

Немецкий и русский физик Борис Якоби изобрел первый электрический двигатель с непосредственным вращением рабочего вала. Когда это произошло? Свое изобретение ученый представил в мае 1834 года. Мощность устройства составляла примерно 15 Ватт, а частота вращения ротора доходила до 80-120 оборотов в минуту. До этого момента применялись исключительно конструкции, которые отличались возвратно-поступательным или качательным перемещением якоря.

На этом Борис Якоби не прекратил свою работу. В 1839 году исследователь придумал лодку с электродвигателем, мощность которого составляла 1 лошадиную силу. В ней было предусмотрено 14 посадочных мест. В период испытаний удалось установить, что конструкция может двигаться по реке против течения. Таким образом удалось найти практическое применение электродвигателю.

В последующие 45 лет бельгийские, шотландские, немецкие и британские ученые создавали, улучшали и испытывали электродвигатели, которые предназначались для локомотивов, промышленных приводов и прочих механизмов. Благодаря перечисленным экспериментам удалось создать асинхронный электрический двигатель.

Вклад Дэвенпорта

Благодаря проведению опытов с магнитами американский ученый Томас Дэвенпорт создал свой первый электромотор. Появление этого изобретения датируется июлем 1834 года. В декабре того же года исследователь впервые вынес эту конструкцию на суд публики. В 1837 году ученый запатентовал созданную им электрическую машину.

Двигатель Дэвидсона

Шотландский исследователь Роберт Дэвидсон проводил работы по созданию электрического двигателя, начиная с 1837 года. Ученому удалось изготовить несколько приводов для токарного станка. Также изобретатель сделал ряд моделей транспортного средства. К тому же Дэвидсона считают создателем первого электрического локомотива.

Изобретения других ученых

Создание электрического двигателя связывают с именами других известных исследователей. Среди них стоит выделить следующих ученых:

1. Сименс – этот немецкий инженер считается основателем компании Siemens. В 1856 году исследователь придумал электрический генератор, оснащенный двойным Т-образным якорем. Ученый стал первым, кто расположил обмотки в пазах.
2. Максвелл – сумел обобщить сведения об электромагнетизме в 4 важных уравнениях. Это произошло в 1861-1864 годах. В сочетании с выражением для силы Лоренца работа Максвелла формирует полную систему уравнений классической электродинамики.
3. Грамм – в 1871-1873 годах этот бельгийский исследователь устранил важный минус электрических машин, который проявлялся в виде выраженной пульсации синтезируемого тока и быстром перегревании. Грамм предложил изготовить генератор с самовозбуждением, оснащенный кольцевым якорем.
4. Феррарис – этот итальянский физик придумал первый двухфазный асинхронный двигатель. Это произошло в 1885 году. Однако исследователь был уверен, что такая конструкция не будет иметь КПД больше 50 %. Потому он быстро утратил интерес к своему изобретению и не работал над его улучшением. При этом считается, что Феррарису удалось первым описать явление вращающегося магнитного поля.
5. Тесла – американец сербского происхождения независимо от Феррариса придумал двухфазный асинхронный двигатель и получил патент на него. Это случилось в 1887 году. Для конструкции ученого было характерно наличие явно выраженных полюсов статора. При этом Тесла ошибочно полагал, что двухфазная система токов считается наиболее оптимальной с экономической точки зрения.
6. Доливо-Добровольский – русский техник польского происхождения придумал ротор в форме так называемой беличьей клетки. Работа ученого датируется 1889-1891 годами. Последующие усилия ученого завершились созданием трехфазной системы переменных токов. К тому же исследователь придумал трехфазный асинхронный двигатель, который получил в промышленности широкое распространение и почти не изменился до настоящего времени.

Что лучше – двухфазная или трехфазная система

Доливо-Добровольский обоснованно полагал, что наращивание количества фаз в электромоторе способствует улучшению распределения намагничивающей силы по окружности статора. Переход к трехфазной системе имеет в этом отношении много преимуществ. При этом последующее увеличение количества фаз лишено целесообразности, поскольку провоцирует существенное увеличение затрат металла на провода.

Тесла же был уверен, что меньшее количество фаз сокращает потребность в проводах. Как следствие, устройство электропередачи становится более доступным по цене. При этом двухфазная система передачи нуждалась в использовании 4 проводов. Это считалось нежелательным в сравнении с 2-проводными системами постоянного или однофазного переменного токов. Потому Тесла рекомендовал использовать для двухфазной системы 3-проводную линию. При этом он предлагал делать один провод общим. Однако это не слишком существенно уменьшало затраты металла, поскольку общий провод должен был иметь большее сечение.

Таким образом предложенная Доливо-Добровольским трехфазная система токов считалась оптимальной для передачи энергии. Она почти сразу стала широко использоваться в промышленности и до настоящего времени остается основной системой передачи электроэнергии.

Создание электродвигателя стало настоящим прорывом в научно-технической сфере. Это устройство по сей день активно применяется в самых разных сферах человеческой жизни.

200 лет назад Фарадей изобрел электродвигатель

В 1820 году датский физик Ганс Кристиан Эрстед привел электромагнитную теорию в замешательство. Натурфилософы того времени считали электричество и магнетизм двумя разными явлениями, но Эрстед предположил, что поток электричества по проводу создает вокруг него магнитное поле. Французский физик

Андре-Мари Ампер увидел демонстрацию эксперимента Эрстеда, в котором электрический ток отклонял магнитную стрелку, и затем разработал математическую теорию, объясняющую взаимосвязь.

английский ученый Майкл Фарадей вскоре вступил в бой, когда Ричард Филлипс, редактор Annals of Philosophy, , попросил его написать исторический отчет об электромагнетизме, области, которой было всего около двух лет и которая явно находилась в состоянии постоянного изменения.

Фарадей был интересным выбором для этой задачи, как рассказывают Нэнси Форбс и Бэзил Махон в своей книге 2014 года. Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле . Родился в 179 г.1, он получил только базовое образование в церковной школе в своей деревне Ньюингтон, графство Суррей (ныне часть Южного Лондона). В 14 лет он поступил в ученики к переплетчику. Он прочитал много книг, которые переплетал, и продолжал искать возможности узнать больше. По роковому повороту событий, как раз когда ученичество Фарадея подходило к концу в 1812 году, один из клиентов переплетчика предложил Фарадею билет на серию прощальных лекций Гемфри Дэви в Королевском институте Великобритании.

Дэви, всего на 13 лет старше Фарадея, уже сделал себе имя как химик. Он открыл натрий, калий и несколько соединений и изобрел фонарь безопасности шахтера . Кроме того, он был харизматичным оратором. Фарадей сделал подробные записи лекций и отправил копию Дэви с просьбой о приеме на работу. Когда в Королевском институте открылась вакансия помощника по химии, Дэви нанял Фарадея.

После того, как Фарадей [слева] не упомянул своего наставника Хамфри Дэви [справа] в статье 1821 года об электродвигателе, Дэви обвинил его в плагиате.

СЛЕВА: ULLSTEIN BILD/GETTY IMAGES; СПРАВА: BETTMANN/GETTY IMAGES

Дэви был наставником Фарадея и научил его принципам химии. У Фарадея было ненасытное любопытство, и его репутация в Королевском институте росла. Но когда Филлипс попросил Фарадея написать обзорную статью для Annals , он только баловался электромагнетизмом и был немного обескуражен математикой Ампера.

В глубине души Фарадей был экспериментатором, поэтому, чтобы написать подробный отчет, он воссоздал эксперименты Эрстеда и попытался следовать рассуждениям Ампера. Его «Исторический очерк электромагнетизма», опубликованный анонимно в Annals , описал состояние области, текущие вопросы исследований и экспериментального оборудования, теоретические разработки и основных игроков.

(Хорошее резюме статьи Фарадея см. в книге Аарона Д. Кобба «Исторический очерк электромагнетизма и теории зависимости от экспериментов» Аарона Д. Кобба, в декабрьском выпуске журнала Philosophy of Science за 2009 г.)

Реконструируя эксперименты Эрстеда, Фарадей не был полностью убежден, что электричество действует как жидкость, протекающая по проводам так же, как вода течет по трубам. Вместо этого он думал об электричестве как о вибрациях, возникающих в результате натяжения между проводящими материалами. Эти мысли заставляли его экспериментировать.

Фарадей наблюдал круговое вращение проволоки, когда она притягивалась и отталкивалась магнитными полюсами. «Очень удовлетворительно», — записал он в своей записной книжке.

3 сентября 1821 года Фарадей наблюдал круговое вращение проволоки, когда она притягивалась и отталкивалась магнитными полюсами. Он зарисовал в блокноте вращение по часовой стрелке вокруг южного полюса магнита и обратное — вокруг северного полюса. «Очень удовлетворительно, — писал он в

его запись на день эксперимента, «но сделать более толковый аппарат».

На следующий день он понял это правильно. Он взял глубокий стеклянный сосуд, закрепил в нем вертикально магнит с помощью воска, а затем наполнил сосуд ртутью, пока магнитный полюс не оказался прямо над поверхностью. Он окунул в ртуть жесткую проволоку и подключил аппарат к батарее. Когда ток проходил через цепь, он создавал вокруг провода круговое магнитное поле. Когда ток в проводе взаимодействовал с постоянным магнитом, закрепленным на дне тарелки, провод вращался по часовой стрелке. С другой стороны аппарата закрепляли проволоку и позволяли магниту свободно двигаться, что он и делал по кругу вокруг проволоки.

Полезную анимацию аппарата Фарадея см. это руководство , созданное Национальной лабораторией сильного магнитного поля. И если вы хотите построить свой собственный двигатель Фарадея, это видео поможет вам сделать это:

Несмотря на то, что устройство Фарадея было прекрасным доказательством концепции, оно было не совсем полезным, разве что в качестве салонного трюка. Вскоре люди стали раскупать карманные моторы в качестве новинок. Хотя оригинального двигателя Фарадея больше не существует, тот, что он построил в следующем году; он находится в коллекции Королевского института и изображен вверху. Это простое на вид приспособление — самый ранний образец электродвигателя, первое устройство, превращающее электрическую энергию в механическое движение.

Последствия изобретения Фарадея

Фарадей знал силу быстрой публикации, и менее чем за месяц он написал статью «О некоторых новых электромагнитных движениях и теории электромагнетизма», которая была опубликована в следующем номере журнала. Ежеквартальный журнал науки, литературы и искусства. К сожалению, Фарадей не оценил необходимости полного признания вклада других в открытие.

В течение недели после публикации Хамфри Дэви нанес своему подопечному сокрушительный удар, обвинив Фарадея в плагиате.

У Дэви было общеизвестно чувствительное эго. Он также был расстроен тем, что Фарадей не смог должным образом поверить своему другу.

Уильям Хайд Волластон , более года изучавший проблему вращательного движения с токами и магнитами. Фарадей упоминает в своей статье обоих мужчин, а также Ампера, Эрстеда и некоторых других. Но он никого не считает соавтором, влиятельным лицом или сопервооткрывателем. Фарадей не работал непосредственно с Дэви и Волластоном над их экспериментами, но он подслушал разговор между ними и понял направление их работы. Кроме того, было (и остается) обычной практикой указывать имя вашего консультанта в ранних публикациях.

Когда репутация Фарадея начала затмевать репутацию его наставника, Фарадей сделал несколько ошибок, ориентируясь в беспощадном и чувствительном ко времени мире академических публикаций.

Фарадей боролся за то, чтобы очистить свое имя от обвинения в плагиате, и в основном это ему удалось, хотя его отношения с Дэви оставались натянутыми. Когда Фарадей был избран членом Королевского общества в 1824 году, единственный голос против был подан президентом общества Гемфри Дэви.

Фарадей избегал работы в области электромагнетизма в течение следующих нескольких лет. Был ли это его собственный выбор или выбор, навязанный ему тем, что Дэви возложил на него трудоемкие обязанности в Королевском институте, остается открытым.

Одним из заданий Фарадея было спасти финансы Королевского института, что он и сделал, оживив серию лекций и представив 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 уступила позиции французским и немецким производителям линз. Это была утомительная бюрократическая работа, которую Фарадей выполнял как патриотический долг, но тяжелая работа и неустанные неудачи наносили моральный ущерб.

Эксперименты Фарадея 1831 года привели к созданию трансформатора и динамо-машины

В 1831 году, через два года после смерти Дэви и после завершения работы Фарадея в комитете по стеклу, он вернулся к экспериментам с электричеством посредством акустики. Он объединился с Чарльз Уитстон для изучения звуковых колебаний. Фарадея особенно интересовало, как можно увидеть звуковые колебания, когда смычок скрипки тянут по металлической пластине, слегка покрытой песком, создавая отчетливые узоры, известные как фигуры Хладни. В этом видео показано явление в действии:

Резонансный эксперимент! (Полная версия — со звуками) www.youtube.com

Фарадей изучал нелинейные стоячие волны, образующиеся на поверхности жидкости, которые теперь известны как волны Фарадея или рябь Фарадея. Он опубликовал свое исследование, «Об особом классе акустических фигур и о некоторых формах, принимаемых группами частиц на вибрирующих упругих поверхностях», в Philosophical Transactions Королевского общества .

Все еще убежденный в том, что электричество каким-то образом вибрирует, Фарадей задался вопросом, может ли электрический ток, проходящий через проводник, индуцировать ток в соседнем проводнике. Это привело его к одному из его самых известных изобретений и экспериментов: индукционное кольцо . 29 августа 1831 года Фарадей подробно описал в своей записной книжке свой эксперимент со специально приготовленным железным кольцом. Он обернул одну сторону кольца тремя отрезками изолированного медного провода, каждый длиной около 24 футов (7 метров). С другой стороны он обмотал около 60 футов (18 метров) изолированного медного провода. (Хотя он описывает только собранное кольцо, вероятно, ему потребовалось много дней, чтобы намотать проволоку. Современные экспериментаторы, создавшие копию, потратили на это 10 дней). игла на небольшом расстоянии. К его удовольствию, он смог индуцировать электрический ток от одного набора проводов к другому, создав таким образом первый электрический трансформатор.

Фарадей продолжал экспериментировать 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.

Через двести лет после открытия электродвигателя Майкла Фарадея по праву помнят за все его работы в области электромагнетизма, а также за его навыки химика, лектора и экспериментатора. Но сложные отношения Фарадея с Дэви также говорят о проблемах наставничества (и наставничества), публикации и наличия (или отсутствия) личных обид. Иногда говорят, что Фарадей был величайшим открытием Дэви, что немного несправедливо по отношению к Дэви, достойному ученому сам по себе. Когда репутация Фарадея начала затмевать репутацию его наставника, Фарадей сделал несколько ошибок, ориентируясь в беспощадном и чувствительном ко времени мире академических публикаций. Но он продолжал делать свою работу — и делал ее хорошо, — внося прочный вклад в Королевский институт. Спустя десятилетие после своего первого прорыва в электромагнетизме он превзошел самого себя еще одним. Неплохо для самоучки с шаткими познаниями в математике.

Часть продолжающейся серии Рассматривание фотографий исторических артефактов, раскрывающих безграничный потенциал технологий.

Сокращенная версия этой статьи опубликована в сентябрьском печатном выпуске 2021 года под названием «Электродвигателю 200 лет».

ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ: ПУТЕШЕСТВИЕ ВО ВРЕМЕНИ

С момента рождения технологии темпы инноваций продолжали ускоряться. Новые изобретения и технологии облегчают нашу жизнь, но самое интересное то, что технологии часто приводят к новым инновационным идеям и открытиям, облегчая проектирование и создание еще более новых технологий. Этот постоянно ускоряющийся цикл инноваций продолжает изменять и переделывать мир, в котором мы живем, и это причина, по которой вы можете потягивать старомодный напиток и смотреть «Сайнфельд», пока вы упакованы в металлическую трубу, летящую по небу на высоте 30 000 футов. Атлантический океан.

История технологии электродвигателей не стала исключением, следуя этой тенденции инноваций на протяжении последних 200 лет. Оглядываясь назад на изобретение первого электродвигателя в 1832 году, трудно представить, какое влияние электродвигатели уже оказали на нашу жизнь и другие технологии, и еще труднее представить следующие 200 лет инноваций. Пересказывая историю электродвигателя, мы станем свидетелями ускоряющегося цикла инноваций в живом действии и лучше поймем, что нас ждет в будущем.

 

Изобретение электродвигателя

Ганс Христиан Эрстед экспериментировал с электричеством в 1820 году, когда заметил, что компас отклоняется, когда он держит рядом с ним наэлектризованный стержень. Он только что открыл электромагнетизм, и хотя он, несомненно, не осознавал влияния своего открытия, он только что привел мяч в движение для инновационной технологии электродвигателей.

Вскоре ученые всего мира начали искать возможности применения электромагнетизма в энергетике. Уильяму Стерджену, английскому физику, приписывают изобретение первого электродвигателя постоянного тока в 1832 году. Его конструкция была первым электродвигателем, способным приводить в движение механизмы, однако его мощность все еще сильно ограничивалась малой выходной мощностью.

Несколько лет спустя в Соединенных Штатах Томас Дэвенпорт и его жена Эмили Дэвенпорт получили патент на первый электродвигатель постоянного тока в 1837 году. Их конструкция была частичной адаптацией первого двигателя Стерджена. К сожалению, несмотря на годы экспериментов, конструкция двигателя Давенпорта по-прежнему страдала от тех же проблем с мощностью и эффективностью, с которыми сталкивалась оригинальная конструкция Стерджена.

Запатентованный двигатель Томаса и Эмили Дэвенпорт

Тем не менее, самая впечатляющая ранняя конструкция двигателя была построена русским по имени Мориц фон Якоби, чей электродвигатель установил мировой рекорд по выходной механической мощности в 1834 году, включая двигатель Давенпорта. Якоби тоже не терял времени даром на усовершенствования, и только год спустя, в 1835 году, он продемонстрировал повышенную мощность своей новой конструкции, переправив через реку 14 человек на лодке, приводимой в движение его мотором.

 

Первый практичный двигатель постоянного тока

После первых демонстраций возможностей электродвигателей интерес к технологии электродвигателей резко возрос, что привело к сотням новых изобретений и открытий. Тем не менее, первое поколение электродвигателей было прославленным пресс-папье. Они были ужасно непрактичны, имели потери напряжения на обмотках, нестабильный ток питания и обычное искрение. В течение следующих 50 лет инженеры и физики работали над решением этих проблем путем оптимизации и перепроектирования основных компонентов электродвигателя.

В период с 1835 по 1886 год в конструкцию ротора и якоря был внесен ряд усовершенствований в целях разработки первого «практического» двигателя, при этом заметный вклад внесли итальянский физик Антонио Пачинотти и бельгийский инженер-электрик Зенобе Грамм. Однако только американскому изобретателю Фрэнку Джулиану Спрагу приписывают изобретение первого «практического» двигателя в 1886 году. постоянная скорость — что делает его первым «практичным» электродвигателем постоянного тока, что позволяет более широкое применение электродвигателей. Конструкция двигателя Спрага была практически надежной и довольно мощной, но эффективность этих конструкций оставляла желать лучшего. Спрэг использовал свои двигатели для разработки первой электрической троллейбусной системы в следующем году в Ричмонде, штат Вирджиния, в 1887 году.0007

 

Первые генераторы и электрификация

В Европе, продолжая развивать свои ранние открытия и открытия других, Зеноб Грамм разработал свою машину Грамма в 1871 году. Его машина могла преобразовывать механическую энергию в непрерывный поток электрической энергии. Представляя свое изобретение на Всемирной выставке 1873 года в Вене, Грамм случайно обнаружил обратимость электродвигателей, когда он соединил два устройства постоянного тока на расстоянии 2 км друг от друга, одно из которых работало как двигатель, а другое — как генератор.

Открытие обратимости электродвигателей постоянного тока доказало, что электродвигатели можно использовать в качестве генераторов, преобразовывая механическую работу в электрическую энергию, а также возвращая неиспользованную энергию обратно в источник, что способствовало развитию первых электрических сетей. .

К 1920-м годам страны по всему миру начали развивать сети электрических сетей. Довольно скоро электричество начало проникать в повседневную жизнь: газовые фонари были заменены электрическими уличными фонарями, кондиционеры теперь охлаждали офисы и дома, а улицы крупных городов были заняты системами электрических троллейбусов. Начался захват электричества, и практическое применение электрических технологий ускорилось.

 

Усовершенствованная технология электродвигателей — воздушные зазоры, магниты и многое другое

В 1921 году в электродвигателях была представлена ​​революционная новая концепция конструкции, которая еще больше повысила их надежность и эффективность. Несмотря на то, что небольшой воздушный зазор между ротором и статором был введен группой по обслуживанию двигателей в Соединенных Штатах для предотвращения повреждений, вызванных трением между компонентами, он также облегчал поток электромагнитного потока в машинах постоянного тока, еще больше повышая их эффективность.

Печатная плата статора электродвигателя постоянного тока с воздушным зазором, маркированная

Износ продолжает оставаться проблемой для щеточных двигателей постоянного тока даже после обнаружения воздушного зазора. В коллекторных двигателях постоянного тока щетки должны соприкасаться с коммутаторами, чтобы посылать электрические сигналы; эрозия из-за постоянного трения изнашивала их, иногда перегревая при высоких нагрузках. Их проблемы с надежностью и контролем температуры не позволили щеточным двигателям постоянного тока широко использоваться в приложениях высокой мощности, таких как HVAC и электромобили.

Все изменилось с изобретением бесщеточного коммутатора. Хотя бесщеточные двигатели с постоянными магнитами были обнаружены в 1962 году, они стали широко использоваться только примерно в 1982 году, когда стали легко доступны редкоземельные металлы. С помощью постоянных магнитов бесщеточные двигатели постоянного тока могут быть спроектированы так, чтобы быть более мощными и эффективными, чем любой щеточный двигатель, обеспечивая при этом превосходное качество движения.

Конечно, открытие бесщеточного двигателя постоянного тока не остановило инновации, и в конце 80-х годов пара ученых, Джерри Дженко и Норман Смит, запатентовала двигатель со статором на печатной плате. Их конструкция как электрически, так и механически соединяла статор с печатной платой, чтобы снизить производственные и материальные затраты, связанные с двигателями постоянного тока с постоянными магнитами.

 

Современные технологии двигателей

Современные бесщеточные двигатели постоянного тока на световые годы опережают старые троллейные двигатели 19 века, но их конструкция далека от совершенства. Обычные двигатели BLDC, такие как те, которые были разработаны в 80-х годах, сегодня являются наиболее популярным типом двигателей на рынке, и их популярность продолжает расти вместе со спросом на углеродно-нейтральные продукты и доступные кондиционеры. Потребность в решениях с еще более высокой выходной мощностью в меньшем корпусе, уменьшенным воздействием на окружающую среду и жизнеспособным процессом массового производства будет продолжать расти.

Основываясь на 200-летних открытиях, команда ECM переоценила идею Дженко и Смита, подойдя к ней с точки зрения 21-го века. За счет встраивания вытравленных медью проводников в многослойную печатную плату для формирования статора, который работает в сочетании с постоянными магнитами, запатентованная технология ECM устраняет необходимость в проволочной обмотке и пластинах из железа, используемых в обычных двигателях и генераторах.

Запатентованный статор и двигатель на печатной плате ECM 

Использование статора на печатной плате в конструкции BLDC с постоянными магнитами позволяет компании ECM разрабатывать невероятно тонкие и легкие двигатели, в которых используется до 80 % меньше исходных материалов. Кроме того, используя свой революционно новый дизайн, команда ECM создала программное обеспечение PrintStator для автоматического создания уникальных конструкций статоров печатных плат и включения всех запатентованных конструктивных особенностей ECM. PrintStator оптимизирует геометрию и толщину меди в статорах для печатных плат, чтобы обеспечить машину с превосходной плотностью крутящего момента и энергоэффективностью.

Покомпонентное изображение запатентованной ECM конструкции двигателя статора на печатной плате

В 2015 году компания PrintStator была запущена и использовалась для создания прототипа решения среднего привода для электрического велосипеда. На основе дискретных входных данных PrintStator автоматически сгенерировал уникальный проект статора печатной платы, дополненный соответствующим файлом Gerber, в котором указаны подробные характеристики сборки, повсеместно используемые производителями печатных плат для печати проекта. К концу 2019 года ECM получила 10 патентов на дизайн и программное обеспечение PCB Stator BLDC. PrintStator использовался для успешной интеграции платформы PCB Stator в электромобильность, HVACR, робототехнику, военную, морскую и медицинскую отрасли.

Конструкция двигателя статора на печатной плате ECM улучшает многие проблемы, с которыми сталкивались электродвигатели с момента их изобретения в 1832 году, значительно повышая надежность, эффективность и удельную мощность двигателя, а также преодолевая препятствия современных технологий, включая устойчивость, технологичность, размер и вес.