Γνώση

Ιστορία ανάπτυξης κινητήρων συνεχούς ρεύματος

May 25, 2022 Αφήστε ένα μήνυμα

Ο πρώτος ηλεκτρικός κινητήρας συνεχούς ρεύματος με μεταγωγέα που μπορεί να περιστρέφει μηχανήματα εφευρέθηκε από τον Βρετανό επιστήμονα William Sturgeon το 1832. Μετά τη δουλειά του Sturgeon, κατασκευάστηκε ένας ηλεκτροκινητήρας συνεχούς ρεύματος τύπου μεταγωγέα από τον Αμερικανό εφευρέτη Thomas Davenport και τη σύζυγό του Emily Davenport, τον οποίο κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1837. Οι κινητήρες έτρεχαν έως και 600 στροφές ανά λεπτό και τροφοδοτούσαν εργαλειομηχανές και τυπογραφείο. Λόγω του υψηλού κόστους της κύριας ισχύος μπαταρίας, οι κινητήρες ήταν εμπορικά ανεπιτυχείς και χρεοκόπησαν το Davenport. Αρκετοί εφευρέτες ακολούθησαν τη Sturgeon στην ανάπτυξη κινητήρων συνεχούς ρεύματος, αλλά όλοι αντιμετώπισαν τα ίδια προβλήματα κόστους μπαταρίας. Καθώς δεν υπήρχε διαθέσιμο σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας εκείνη την εποχή, δεν εμφανίστηκε καμία πρακτική εμπορική αγορά για αυτούς τους κινητήρες.

 

Μετά από πολλές άλλες περισσότερο ή λιγότερο επιτυχημένες προσπάθειες με σχετικά αδύναμη περιστρεφόμενη και παλινδρομική συσκευή, ο Πρωσικός/Ρώσος Moritz von Jacobi δημιούργησε τον πρώτο πραγματικό περιστρεφόμενο ηλεκτροκινητήρα τον Μάιο του 1834. Ανέπτυξε αξιοσημείωτη μηχανική ισχύ εξόδου. Ο κινητήρας του σημείωσε ένα παγκόσμιο ρεκόρ, το οποίο ο Jacobi βελτίωσε τέσσερα χρόνια αργότερα, τον Σεπτέμβριο του 1838. Ο δεύτερος κινητήρας του ήταν αρκετά ισχυρός ώστε να οδηγεί ένα σκάφος με 14 άτομα σε ένα μεγάλο ποτάμι. Ήταν επίσης το 1839/40 που άλλοι προγραμματιστές κατάφεραν να κατασκευάσουν κινητήρες με παρόμοια και στη συνέχεια υψηλότερη απόδοση.

 

Το 1855, ο Jedlik κατασκεύασε μια συσκευή χρησιμοποιώντας παρόμοιες αρχές με αυτές που χρησιμοποιούνταν στους ηλεκτρομαγνητικούς αυτο-στροφείς του που ήταν ικανή να λειτουργήσει χρήσιμη. Κατασκεύασε ένα μοντέλο ηλεκτρικού οχήματος την ίδια χρονιά.

Μια σημαντική καμπή ήρθε το 1864, όταν ο Antonio Pacinotti περιέγραψε για πρώτη φορά τον οπλισμό δακτυλίου (αν και αρχικά σχεδιάστηκε σε μια γεννήτρια DC, δηλαδή ένα δυναμό). Αυτό περιείχε συμμετρικά ομαδοποιημένα πηνία κλειστά μόνοι τους και συνδεδεμένα με τις ράβδους ενός μεταγωγέα, οι βούρτσες του οποίου παρέδιδαν πρακτικά μη κυμαινόμενο ρεύμα. Οι πρώτοι εμπορικά επιτυχημένοι κινητήρες συνεχούς ρεύματος ακολούθησαν τις εξελίξεις του Zénobe Gramme, ο οποίος, το 1871, εφηύρε εκ νέου το σχέδιο του Pacinotti και υιοθέτησε κάποιες λύσεις από τον Werner Siemens.

 

Ένα όφελος για τις μηχανές DC προήλθε από την ανακάλυψη της αναστρεψιμότητας της ηλεκτρικής μηχανής, η οποία ανακοινώθηκε από τη Siemens το 1867 και παρατηρήθηκε από τον Pacinotti το 1869. Ο Gramme το έδειξε κατά λάθος με την ευκαιρία της Παγκόσμιας Έκθεσης της Βιέννης το 1873, όταν συνέδεσε δύο τέτοιες Συσκευές συνεχούς ρεύματος σε απόσταση έως 2 km η μία από την άλλη, χρησιμοποιώντας τη μία ως γεννήτρια και την άλλη ως κινητήρα.

 

Ο ρότορας τυμπάνου εισήχθη από τον Friedrich von Hefner-Alteneck της Siemens & Halske για να αντικαταστήσει τον οπλισμό δακτυλίου του Pacinotti το 1872, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση της μηχανής. Ο πολυστρωματικός ρότορας εισήχθη από τη Siemens & Halske το επόμενο έτος, επιτυγχάνοντας μειωμένες απώλειες σιδήρου και αυξημένες επαγόμενες τάσεις. Το 1880, ο Jonas Wenström παρείχε στον ρότορα υποδοχές για τη στέγαση της περιέλιξης, αυξάνοντας περαιτέρω την απόδοση.

 

Το 1886, ο Frank Julian Sprague εφηύρε τον πρώτο πρακτικό κινητήρα συνεχούς ρεύματος, μια συσκευή χωρίς σπινθήρες που διατηρούσε σχετικά σταθερή ταχύτητα κάτω από μεταβλητά φορτία. Άλλες ηλεκτρικές εφευρέσεις της Sprague εκείνη την εποχή βελτίωσαν σημαντικά τη διανομή ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο (προηγούμενη εργασία που είχε γίνει ενώ εργαζόταν από τον Thomas Edison), επέτρεψαν την επιστροφή της ισχύος από τους ηλεκτρικούς κινητήρες στο ηλεκτρικό δίκτυο, παρέχοντας ηλεκτρική διανομή στα τρόλεϊ μέσω εναέριων καλωδίων και του στύλου του τρόλεϊ. και παρείχε συστήματα ελέγχου για ηλεκτρικές λειτουργίες. Αυτό επέτρεψε στον Sprague να χρησιμοποιήσει ηλεκτρικούς κινητήρες για να εφεύρει το πρώτο ηλεκτρικό σύστημα τρόλεϊ το 1887–88 στο Ρίτσμοντ της Βιρτζίνια, τον ηλεκτρικό ανελκυστήρα και το σύστημα ελέγχου το 1892 και το ηλεκτρικό μετρό με ανεξάρτητα ηλεκτρικά ελεγχόμενα αυτοκίνητα. Τα τελευταία εγκαταστάθηκαν για πρώτη φορά το 1892 στο Σικάγο από το South Side Elevated Railroad, όπου έγινε ευρέως γνωστό ως "L". Ο κινητήρας του Sprague και οι σχετικές εφευρέσεις οδήγησαν σε έκρηξη ενδιαφέροντος και χρήσης στους ηλεκτρικούς κινητήρες για τη βιομηχανία. Η ανάπτυξη ηλεκτρικών κινητήρων αποδεκτής απόδοσης καθυστέρησε για αρκετές δεκαετίες λόγω της αδυναμίας αναγνώρισης της εξαιρετικής σημασίας ενός διακένου αέρα μεταξύ του ρότορα και του στάτορα. Τα αποδοτικά σχέδια έχουν ένα σχετικά μικρό διάκενο αέρα. Ο κινητήρας του St. Louis, που χρησιμοποιείται εδώ και καιρό στις τάξεις για να απεικονίσει τις αρχές του κινητήρα, είναι αναποτελεσματικός για τον ίδιο λόγο, καθώς και δεν μοιάζει καθόλου με έναν σύγχρονο κινητήρα.

 

Οι ηλεκτρικοί κινητήρες έφεραν επανάσταση στη βιομηχανία. Οι βιομηχανικές διεργασίες δεν περιορίζονταν πλέον από τη μετάδοση ισχύος χρησιμοποιώντας άξονες γραμμής, ιμάντες, πεπιεσμένο αέρα ή υδραυλική πίεση. Αντίθετα, κάθε μηχανή θα μπορούσε να εξοπλιστεί με τη δική του πηγή ενέργειας, παρέχοντας εύκολο έλεγχο στο σημείο χρήσης και βελτιώνοντας την απόδοση μετάδοσης ισχύος. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες που εφαρμόζονται στη γεωργία εξαλείφουν τη μυϊκή δύναμη των ανθρώπων και των ζώων από εργασίες όπως ο χειρισμός σιτηρών ή η άντληση νερού. Οι οικιακές χρήσεις (όπως σε πλυντήρια ρούχων, πλυντήρια πιάτων, ανεμιστήρες, κλιματιστικά και ψυγεία (αντικατάσταση παγοκυτίων)) των ηλεκτροκινητήρων μείωσαν τη βαριά εργασία στο σπίτι και κατέστησαν δυνατά υψηλότερα πρότυπα ευκολίας, άνεσης και ασφάλειας. Σήμερα, οι ηλεκτροκινητήρες καταναλώνουν περισσότερο από το ήμισυ της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται στις ΗΠΑ.



Αποστολή ερώτησής