Silnik elektryczny
1821 Brytyjski fizyk Michael Faraday prezentuje w Royal Institution of Great Britain pierwszy sprawny silnik elektryczny prądu stałego (1). Naukowiec wiązał wtedy swoje urządzenie z "rotacją elektryczną", a zjawisko przepływu ładunków elektrycznych rozumiał jako wibrację.
Odkrycie Faradaya od razu wywołało protesty innego angielskiego fizyka i chemika, Williama Hyde Wollastona, który co prawda również skonstruował silnik elektryczny oparty na zjawisku elektromagnetyzmu, lecz jego urządzenie nie działało. Eksperyment zaprezentowany przez Faradaya był dość prosty - na dnie naczynia z rtęcią fizyk umieścił magnes z końcem wystającym ponad metal i zanurzył w rtęci jeden koniec swobodnie wiszącego drutu. Drut obracał się, gdy jego przeciwny koniec zasilała bateria chemiczna. Był to pierwszy silnik homopolarny napędzany siłą Lorentza. Po tym odkryciu Faraday został jednak zmuszony przez swoich przełożonych do zaniechania dalszych badań, choć za kilka lat do nich powróci. Z sukcesem.
1822 Angielski matematyk i fizyk, samouk Peter Barlow projektuje własny model silnika homopolarnego, tzw. koło Barlowa (2). Na drewnianej podstawie z rynienką wypełnioną rtęcią umieścił elektromagnes w kształcie podkowy, a na górze zamontował koło w kształcie gwiazdy, które mogło się swobodnie obracać. Gdy ramię gwiazdy zanurza się w rtęci, następuje zamknięcie obwodu elektrycznego, a siła Lorentza pola magnetycznego, działając na ładunki elektryczne znajdujące się na powierzchni gwiazdy, powoduje, że koło się obraca. W tym samym roku Michael Faraday zapisał w dzienniczku: "zamienić magnetyzm na elektryczność".
1829 Węgierski fizyk Ányos Jedlik buduje silnik, który nazywa "rotorem elektromagnetycznym". Składa się ze stojana, wirnika i komutatora. Urządzenie przetwarza prąd elektryczny bezpośrednio w mechaniczny ruch obrotowy. Wynalazek nie znalazł jednak żadnego zastosowania, a sam Jedlik nie przywiązywał do niego większej wagi.
1831 Michael Faraday przekazuje Royal Society wyniki swoich kolejnych badań, wywołując niemałe poruszenie wśród ówczesnych naukowców. Po serii eksperymentów zbudował dysk z miedzi (zwany też dynamem) i umieścił go między biegunami magnesu stałego w kształcie podkowy. Po rozkręceniu układu za pomocą korby powstawał prąd elektryczny. I odwrotnie – po dostarczeniu zasilania układ działał jak silnik elektryczny. Dysk Faradaya, choć efektowny, dawał niewiele prądu o niewielkim napięciu. O wiele większe znaczenie miało opisanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej.
1832 Amerykanin Joseph Henry opracowuje na potrzeby akademickie pierwszy prototyp silnika elektrycznego o ruchu wahadłowym. Co ciekawe, wahadło napędzane było samoczynnie przełączającym się elektromagnesem, zasilanym z ogniw galwanicznych. Elektromagnes dotykał przemiennie jednego z dwóch ogniw akumulatora, co powodowało zmianę biegunowości i wychylenie się w przeciwnym kierunku. Henry nazwał swój silnik "zabawką filozoficzną".
1834-1835 Rosyjski fizyk Moritz Jacobi wysłał do Akademii nauk w Paryżu projekt pierwszego komutatorowego silnika elektrycznego prądu stałego (3), zasilanego z baterii elektrycznej. Latem 1835 r. opublikował na ten temat raport, za co uzyskał tytuł doktora honoris causa Uniwersytetu w Królewcu.
Konstrukcja nośna tego silnika, uważanego często za pierwszy prawdziwy elektryczny silnik obrotowy, była wykonana z drewna. Na urządzenie składały się: cylindryczny dysk z czterema magnesami w kształcie podkowy, cylindryczna rama z czterema magnesami podkowy, wałek z kutego żelaza, uzwojenie z drutu miedzianego, cztery dyski komutatorowe (prostowniki mechaniczne), cztery szczotki (dźwignie zasilania prądem) oraz cztery rurki kontaktowe z wypełnieniem rtęcią.
Całość zasilała energia z czterech filarów woltowych (napięcie od 4 do 6 V). W tamtym czasie był to silnik bezkonkurencyjny (moc ciągła: 15 W, prędkość obrotowa: 60-130 obrotów na minutę). Przetestowano go nawet jako napęd do 28-metrowej łodzi z czternastoma pasażerami.
1834-1840 Thomas Davenport, amerykański kowal z Vermont, konstruuje wzorowany na silniku parowym silnik elektryczny prądu stałego zasilany bateryjnie. Zainspirował go tłok poruszający się wewnątrz cylindra pod wpływem pary. W swoim silniku wykorzystał ruch magnesu wewnątrz cewki z prądem. Urządzenie użył do napędzania modelu kolejki; dzięki jego pomysłowi - już elektrycznej.
Zafascynowany elektromagnesami Davenport opatentował trzy lata później silnik do napędu wiertarki i tokarki. Urządzenie osiągało 450 obr./min. Po kolejnych kilku latach wynalazca skonstruował bardziej wydajny silnik do maszyny drukarskiej. Wydawany od 1840 r. przez niego magazyn "Electro-Magnet and Mechanics Intelligencer" był pierwszym czasopismem o elektryczności, oraz pierwszym drukowanym na prasie elektrycznej.
1836 William Sturgeon, angielski inżynier elektryk, wykorzystał odkrycie Faradaya w celach praktycznych, a jego elektromagnes był w stanie utrzymać ciężar większy od własnego. Sturgeon udoskonalił kilka elementów silnika. Najpierw opracował elektromagnes na rdzeniu z miękkiego żelaza, po czym w 1832 r. wynalazł komutator wykorzystywany w silnikach elektrycznych, a w 1836 r. zbudował galwanometr z ruchomą cewką. Z jego projektów korzystali kolejni konstruktorzy pierwszych silników prądu stałego.
1840 Anglik William Taylor opatentował silnik reluktancyjny, wytwarzający ruch obrotowy bez pośrednictwa mechanizmów korbowych. Urządzenie miało cztery elektromagnesy, załączane sekwencyjnie przez mechaniczny komutator sterowany położeniem wirnika. Na wale maszyny umieszczony był dysk z segmentów przewodzących wykonanych z blachy miedzianej oraz z segmentów izolacyjnych wykonanych z kości słoniowej. Czteropasmowy silnik Taylora został zastosowany do napędu lokomotywy.
1842 Szkocki wynalazca Robert Davidson testuje pięciotonową lokomotywę, której każdą z osi napędzały dwa dwufazowe silniki reluktancyjne. Pociąg przejechał półtorej mili po nowo wybudowanej linii kolejowej łączącej Glasgow z Edynburgiem, rozwijając prędkość ok. 6,5 km/godz. W specjalnym wagonie, ciągniętym przez lokomotywę, znajdowały się niezbyt wydajne baterie ogniw cynkowych. Projekt Davidsona, mimo że wzbudził zainteresowanie i znalazł sponsorów, uznano za zbyt kosztowny.
1849 Dzięki wsparciu finansowemu senatu USA, Charles Grafton Page - lekarz, chemik i wynalazca z Waszyngtonu - rozpoczął budowę lokomotywy napędzanej elektromagnetycznie. Przy okazji skonstruował kilka nowych modeli silników elektrycznych. Silnik Page’a miał dwa oddzielne elektromagnesy oraz układ dźwigni z korbowodem, umożliwiający przekazanie dwóch impulsów napędowych na koło zamachowe w czasie jednego obrotu. Page zwiększył moc silników elektrycznych z 8 do 20 KM.
1867 Prezentacja przed Pruską Akademią Nauk sprawozdania Wernera Siemensa "O przetwarzaniu energii mechanicznej na prąd elektryczny bez zastosowania trwałych magnesów".
Niemiecki fizyk samouk i konstruktor odkrył zjawisko samowzbudzenia, wywołanego napięciem indukowanym w uzwojeniach własnego wirnika. I wpadł na pomysł, aby wykorzystać je do maszyn elektrycznych, bez konieczności użycia np. baterii lub korby ręcznej.
Niewielki magnetyzm Ziemi wystarczał do początkowego wytwarzania prądu o niskim poziomie (samoindukcja). Pole to wzmacniało się i osiągało pełną moc po kilku obrotach. Maszyna dynamoelektryczna w oparciu o wymyśloną przez Siemensa podwójną armaturę T (wirnik z dwoma rdzeniami w kształcie litery T, owiniętymi cewką), wytwarzała prąd tanio i przy znacznie wyższej niż dotąd wydajności.
W 1879 r. Werner Siemens, mając do dyspozycji potężny generator elektryczny, przystąpił do budowy pierwszego na świecie elektrowozu napędzanego prądem o napięciu 150 V (4), doprowadzanym za pomocą trzeciej szyny. A dwa lata później miał już gotowy pierwszy tramwaj elektryczny.
1880 Thomas Alva Edison buduje pierwszy mikrosilnik elektryczny. Napędzał on elektryczne pióro do sporządzania kropkowanych matryc powielaczowych. Miał wymiary 2,5×4 cm i osiągał ok. 4 tys. obr./min., napędzając drgającą igłę w obsadce. Igła robiła w matrycy otworki układające się w kontury liter. Silnik był zasilany z baterii. Elektryczne pióro stosowano powszechnie do powielania dokumentów, zanim została wynaleziona maszyna do pisania.
1886 Amerykański oficer marynarki wojennej Frank Julian Sprague wprowadził dwa ważne wynalazki: nieiskrzący silnik i stałą prędkość. Jego silnik był pierwszym, który utrzymywał stałą prędkość przy zmiennym obciążeniu (5).
Sprague opatentował również system hamowania regeneracyjnego, polegający na wykorzystaniu silnika napędowego do przywrócenia mocy w głównym układzie zasilania. Mechanizm ten znalazł praktyczne zastosowanie w lokomotywach elektrycznych oraz elektrycznej windzie.
1887 Nikola Tesla konstruuje w swoim nowojorskim warsztacie pierwszy silnik indukcyjny na prąd przemienny (6). W silniku prądu przemiennego stojan składa się z pierścienia par elektromagnesów, które wytwarzają wirujące pole magnetyczne. Moc jest sprzężona z tymi elektromagnesami w celu indukcji pola.
Genialny pomysł Tesli polegał na zasilaniu elektromagnesów jednocześnie, parami. Gdy jedna para jest w pełni aktywna, druga zostaje całkowicie wyłączona. Kiedy cewki są pod napięciem, wytwarzają pole magnetyczne indukujące prąd elektryczny w wirniku, który jest przewodnikiem elektrycznym, zgodnie z prawem Faradaya. Nowy prąd wytwarza własne pole magnetyczne, próbujące przeciwstawić się polu, które je wytworzyło, zgodnie z prawem Lenza. Ta "gra", polegająca na złapaniu dwóch pól magnetycznych, ostatecznie obraca wirnik.
1887 Dwaj fizycy - Niemiec Friedrich August Haselwander (7) oraz Amerykanin C.S. Bradley - niezależnie od siebie opracowują trójfazowy silnik synchroniczny, który znalazł później zastosowanie w robotach i samochodach elektrycznych.
W wirniku obracającym się wewnątrz uzwojenia znajduje się magnes trwały. Uzwojenie to zasila się trójfazowym napięciem (każda faza jest przesunięta o stały kąt fazowy), które wytwarza w stojanie wirujące pole magnetyczne. Wirnik w postaci magnesu trwałego obraca się synchronicznie z polem wirującym, a jego obroty zależą wyłącznie od częstotliwości sieci.
Napięcie nie ma wpływu na obroty wirnika silnika, dlatego też uzyskujemy stałą prędkość obrotową, niezależnie od wahań obciążenia. Silniki synchroniczne mają większą sprawność w porównaniu z silnikami indukcyjnymi o podobnej mocy, zużywają mniej energii i zajmują mniej miejsca.
1889 Rosyjski inżynier pochodzenia polskiego, Michał Doliwo-Dobrowolski, patentuje silnik trójfazowy z wirnikiem klatkowym. Wynalazca pracował nad różnymi rozwiązaniami, konkurencyjnymi dla chronionych patentami pomysłów Tesli.
Skonstruował m.in. silnik z wirnikami uzwojonymi (z możliwością dołączenia opornika rozruchowego), czyli tzw. silnik z pierścieniem rozruchowym. Zbudował też autotransformator trójfazowy, który z powodzeniem zastosował w 1892 r. do rozruchu silnika indukcyjnego, przez co usprawnił pracę maszyn tego typu. Silnik asynchroniczny (8) o wysokim momencie rozruchowym Dobrowolskiego stał się w 1891 r. największą atrakcją Światowej Wystawy Elektrotechnicznej, zorganizowanej we Frankfurcie nad Menem.
1900 Charles Proteus Steinmetz, amerykański inżynier pracujący dla firmy GM nad zjawiskiem histerezy i powodowanymi przez nią stratami, opracował teoretyczny model silnika histerezowego. Mimo że na masową skalę urządzenia te zaczęto stosować dopiero po jego śmierci, to teoretyczne koncepcje Steinmetza sprawdziły się w praktyce.
Na skutek współdziałania momentu histerezowego z momentem asynchronicznym silniki te pracują stabilnie przy przeciążeniach, przechodząc z charakterystyki synchronicznej na asynchroniczną. Moment rozruchowy jest przeważnie większy od momentu maksymalnego, dzięki czemu właściwą prędkość obrotową silnik uzyskuje niemalże zaraz po załączeniu. Nie ma on żadnych styków ruchomych, co zapewnia jego długotrwałe, bezawaryjne i ciche działanie.
1952 Firma Sigma Instruments wprowadza silnik krokowy/skokowy Cyclonome, który jest uważany za pierwszy praktyczny dwuprzewodowy silnik krokowy. Przekształca on impulsy elektryczne na ruchy mechaniczne, wg reguły mówiącej o tym, że jeden impuls to jeden skok o określony kąt. Były to dwufazowe, dwukierunkowe silniki z magnesem stałym o prędkościach 360, 450, 600 i 900 obr./min przy 60 Hz.
1962 Pierwszy ogólnodostępny model silnika bezszczotkowego (9) został określony mianem rewolucyjnego, ze względu na brak kłopotliwego mechanicznego komutatora i szczotek. Dzięki temu urządzenia te od razu testowano np. na robotach i w lotnictwie. Ograniczenie zastosowań silników bezszczotkowych wynikało wówczas z małej generowanej przez nie mocy.
1980 Japończyk Toshiiku Sashida opracowuje klinowy silnik ultradźwiękowy. Jako siłę napędową wykorzystuje efekt piezoelektryczny (fale lub drgania akustyczne są zmieniane na pracę mechaniczną). Rezultatem jest silnik o wyjątkowo dobrych właściwościach momentu obrotowego przy niskiej prędkości i stosunku mocy do masy, który znalazł już zastosowanie w mechanizmach autofokusa aparatu fotograficznego, sprzęcie medycznym narażonym na działanie silnych pól magnetycznych oraz w akcesoriach samochodowych.
2019 Grupa polskich konstruktorów przedstawia innowacyjny moduł napędowy - silnik na wodę. Chodzi o połączenie silnika elektrycznego i pompy wysokociśnieniowej, w celu ograniczenia zapotrzebowania na energię i wydłużenia jazdy samochodem na jednym ładowaniu, a także wolniejszego zużycia silnika oraz ogniw. Mechanizm działania jest dość prosty.
Pompa wysokociśnieniowa z silnikiem elektrycznym napędza wodę, która wprawia w ruch wirnik znajdujący się w komorze. Woda jest wtłaczana do komory przez rurkę o grubości 1 mm, pod ciśnieniem dochodzącym nawet do 120 barów. Strumień wody po okręgu wprawia wirnik pięcioramienny w ruch obrotowy i potem przechodzi do drugiej komory, gdzie mniejszy wirnik wykorzystuje ten sam pęd wody, który w pierwszej komorze swoją pracę już wykonał.
Może być wykorzystany jako alternator napędzający drugi niezależny wirnik podłączony do silnika elektrycznego, albo jako zwiększona powierzchnia pierwszego silnika, co pozwala na uzyskanie jeszcze lepszych wyników.
Klasyfikacja silników elektrycznych ze względu na sposób zasilania
I. Zasilane napięciem stałym
Silniki takie mogą pracować zamiennie jako silnik lub prądnica. W tym drugim przypadku wirnik napędza energia mechaniczna dostarczoną z zewnątrz - na zaciskach uzwojenia twornika odbierana jest wytworzona energia elektryczna. Większość silników prądu stałego to silniki komutatorowe, czyli takie, w których uzwojenie twornika zasilane jest prądem poprzez komutator. Istnieje jednak wiele odmian, które nie mają komutatora, lub też komutacja przebiega w nich na drodze elektronicznej.
- Silnik elektryczny obcowzbudny - uzwojenie wzbudzające jest w nim zasilane z oddzielnego źródła napięcia (innego niż uzwojenie twornika). Ze względu na identyczne właściwości silniki obcowzbudne rozpatruje się łącznie z silnikami wzbudzanymi magnesami trwałymi. Stosuje się je przeważnie jako silniki prądu stałego o dużym zakresie zmian prędkości obrotowej. W obu przypadkach strumień magnetyczny jest stały, a do zmiany prędkości obrotowej wykorzystuje się napięcie twornika (wirnika). Przy stałym napięciu twornika moment obrotowy zmniejsza się w miarę wzrostu prędkości obrotowej. Prąd twornika jest proporcjonalny do momentu napędowego.
- Samowzbudny - silnik z elektromagnesem w stojanie może mieć połączone uzwojenia stojana i wirnika szeregowo, równolegle (bocznikowo) lub w sposób mieszany. Sposób podłączenia określa rodzaj silnika. Silniki te mogą być dostosowane do zasilania również prądem przemiennym. Zwane są silnikami uniwersalnymi, ponieważ kierunek wirowania wirnika nie zależy od biegunowości przyłożonego napięcia, gdyż pole magnetyczne w stojanie i wirniku jednocześnie zmienia zwrot na przeciwny. Jeśli silnik ma być zasilany prądem stałym, stojan wykonywany jest z litego materiału. Natomiast przy zasilaniu prądem przemiennym wykonuje się go z pakietu izolowanych blach, zmniejszając straty energii powstałe na skutek prądów wirowych.
- Elektryczny bocznikowy - silnik zasilany prądem stałym, w którym uzwojenie stojana łączy się równolegle z uzwojeniem wirnika. Główną zaletą takiej wersji jest to, iż przy obciążeniu wirnika momentem hamującym obroty nieznacznie spadają. Regulacji prędkości wirowania dokonuje się poprzez zmianę napięcia zasilania (im większe napięcie, tym większe obroty) lub poprzez umieszczenie dodatkowej szeregowej rezystancji w uzwojeniu wzbudzenia (im większa rezystancja, tym większe obroty).
- Szeregowy - silnik o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie połączonym szeregowo z uzwojeniem twornika. Charakteryzuje się dużą zależnością prędkości obrotowej od obciążenia. Zmniejszanie obciążenia powoduje wzrost prędkości obrotowej (teoretycznie do nieskończenie wielkiej) i grozi tzw. rozbieganiem, a w konsekwencji zniszczeniem silnika. Jest to poważna wada, dlatego tego typu silników nie wolno włączać bez obciążenia. Silniki szeregowe zasilane prądem stałym stosowane są głównie w trakcji elektrycznej (napędy lokomotyw, tramwajów, trolejbusów) i pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki samochodów), a także w napędach dźwigów, wentylatorów itp.
- Szeregowo-bocznikowy - silnik o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie połączonym z uzwojeniem twornika w sposób mieszany (część szeregowo, a część równolegle). Mając zalety silnika szeregowego - duży moment obrotowy w szerokim zakresie obrotów i zależność prędkości obrotowej od obciążenia, jest pozbawiony jego głównej wady - możliwości rozbiegania przy braku obciążenia. Stosuje się go zazwyczaj jako silnik dużej mocy, tam gdzie występuje ciężki rozruch: do napędu walcarek, pras, dźwigów oraz w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych.
II. Zasilane napięciem przemiennym
- Jednofazowy klatkowy - rodzaj silnika elektrycznego asynchronicznego, w którym wirnik jest walcem zbudowanym z pakietu blach ferromagnetycznych, ze żłobkami wypełnionymi aluminiowymi lub miedzianymi prętami, przyłączonymi z pierścieniami czołowymi z tego samego metalu. Pręty razem z pierścieniem tworzą rodzaj metalowej klatki.
- Szeregowy - zasilany prądem przemiennym o napięciu 230 V. Mając małe wymiary przy stosunkowo dużej mocy, dużym momencie rozruchowym oraz dużej prędkości obrotowej, silnik ten znalazł liczne zastosowania w urządzeniach domowych, np. w odkurzaczach, suszarkach, sokowirówkach, mikserach, a także w elektronarzędziach.
- Trójfazowy klatkowy - w silniku tym po przyłączeniu napięcia z sieci trójfazowej do uzwojenia stojana, powstaje pole magnetyczne wirujące, którego prędkość wirowania zależy od częstotliwości sieci i od liczby biegunów silnika. Pole wirujące w stojanie powoduje drogą indukcji przepływ prądu w prętach wirnika, tworząc siłę elektromotoryczną i moment obrotowy wirnika. Prędkość obrotowa wirnika musi być zawsze mniejsza od prędkości synchronicznej wirującego pola.
- Trójfazowy liniowy - silnik ten generuje ruch postępowy bez użycia przekładni transformujących ruch obrotowy na postępowy. Działa na zasadzie podobnej do silnika obrotowego, w którym stator i rotor rozwinięto do postaci liniowej i odpowiednio przedłużono lub skrócono w celu uzyskania odpowiedniego zakresu ruchu.
- Trójfazowy pierścieniowy - rodzaj silnika asynchronicznego o uzwojonym wirniku, w którym końce uzwojeń wirnika wyprowadzono poprzez pierścienie ślizgowe i szczotki na zewnątrz maszyny. Daje to możliwość podłączenia do uzwojeń tzw. rozrusznika, czyli opornika o liczbie faz odpowiadającej liczbie faz silnika. Pozwala to na rozruch poprzez regulację prędkości obrotowej, a głównie momentu obrotowego.
- Zasilany dwustronnie synchroniczny - prędkość wirowania wirnika jest tu równa prędkości wirowania pola magnetycznego, wytworzonego przez nieruchome uzwojenia stojana.
- Silnik elektryczny asynchroniczny, silnik indukcyjny - maszyna elektryczna zmieniająca energię elektryczną w mechaniczną, w której wirnik obraca się z poślizgiem w stosunku do wirującego pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenie stojana.
Mirosław Usidus
Zobacz także:
Jak łożyska kulkowe stają się silnikiem elektrycznym…
Gdzie piękna Tesla, a gdzie ponura Katanga
