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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Elektromotor. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Ein Elektromotor ist eine elektrische Maschine (elektromechanischer Wandler), bei der elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, wobei als Nebeneffekt Wärme freigesetzt wird.
Die größte technische Errungenschaft des späten XNUMX. Jahrhunderts war die Erfindung des industriellen Elektromotors. Dieser kompakte, sparsame und praktische Motor wurde bald zu einem der wichtigsten Produktionselemente und verdrängte andere Motorentypen überall dort, wo elektrischer Strom geliefert werden konnte. Die großen Nachteile der alten Dampfmaschine waren schon immer der geringe Wirkungsgrad sowie die Schwierigkeit, die von ihr erhaltene Energie zu übertragen und zu "zerkleinern". Normalerweise bediente eine große Maschine mehrere Dutzend Maschinen. Die Bewegung daraus wurde mechanisch über Umlenkrollen und Endlosriemen an jeden Arbeitsplatz gebracht. In diesem Fall sind enorme ungerechtfertigte Energieverluste aufgetreten. Der elektrische Antrieb hatte diese Mängel nicht: Er hatte einen hohen Wirkungsgrad, da die Drehbewegung direkt von seiner Welle erhalten werden konnte (während sie in einer Dampfmaschine von einer hin- und hergehenden Bewegung umgewandelt wurde), und es war viel einfacher, elektrische Energie zu „zerkleinern“. Gleichzeitig erwiesen sich die Verluste als minimal und die Arbeitsproduktivität stieg. Darüber hinaus wurde es mit der Einführung von Elektromotoren erstmals möglich, jede Maschine nicht nur mit einem eigenen Motor zu versorgen, sondern auch jeden ihrer Knoten mit einem eigenen Antrieb zu versehen. Elektromotoren tauchten im zweiten Viertel des XNUMX. Jahrhunderts auf, aber es vergingen mehrere Jahrzehnte, bis günstige Bedingungen für ihre breite Einführung in die Produktion geschaffen wurden. Einer der ersten perfekten Elektromotoren mit Gleichstrombatterie wurde 1834 vom russischen Elektroingenieur Jacobi entwickelt. Dieser Motor hatte zwei Gruppen von U-förmigen Elektromagneten, von denen sich eine Gruppe (vier U-förmige Elektromagnete) auf einem festen Rahmen befand. Ihre Polstücke waren asymmetrisch angeordnet – in eine Richtung langgestreckt. Die Motorwelle bestand aus zwei parallelen Messingscheiben, die durch vier in gleichem Abstand voneinander angeordnete Elektromagnete verbunden waren.
Wenn sich die Welle drehte, passierten die beweglichen Elektromagnete die Pole der festen. Bei letzterem gingen die Polaritäten abwechselnd: entweder positiv oder negativ. Zu den Elektromagneten der rotierenden Scheibe gingen Leiter, die auf der Welle der Maschine montiert waren. Auf der Motorwelle war ein Kommutator montiert, der die Richtung des Stroms in sich bewegenden Elektromagneten während jedes Viertels der Wellenumdrehung änderte. Die Wicklungen aller Elektromagnete des festen Rahmens waren in Reihe geschaltet und umflossen den Batteriestrom in einer Richtung. Die Wicklungen der Elektromagnete der rotierenden Scheibe waren ebenfalls in Reihe geschaltet, aber die Richtung des Stroms in ihnen änderte sich achtmal pro Umdrehung der Welle. Folglich änderte sich auch die Polarität dieser Elektromagnete achtmal bei einer Umdrehung der Welle, und diese Elektromagnete wurden abwechselnd von den Elektromagneten des feststehenden Rahmens angezogen und abgestoßen.
Nehmen wir an, dass die beweglichen Elektromagnete eine Position einnehmen, in der jedem Pol der feststehenden Magneten derselbe Pol des beweglichen gegenübersteht; Gleichzeitig stößt jeder stationäre Elektromagnet den gegenüberliegenden Magneten der Trommel ab und zieht den nahe gelegenen mit dem entgegengesetzten Pol an. Wenn die Pole der festen Magnete nicht asymmetrisch wären, könnte eine solche Vorrichtung nicht funktionieren, da sich die Wirkung der verschiedenen Magnete gegenseitig ausgleichen würde. Aber aufgrund des Vorsprungs der Polschuhe der festen Magnete zieht jeder von ihnen die nächste Drehung im Uhrzeigersinn schwächer an als der andere, weshalb sich der erste ihm nähert und der letzte sich entfernt. Nach einer Vierteldrehung (im Jacobi-Motor - nach einem Achtel) stehen sich entgegengesetzte Pole gegenüber, aber in diesem Moment ändert der Kommutator die Richtung des Stroms in den beweglichen Magneten, und man hat wieder die gleichen Pole gegenüber dem anderen, wie zu Beginn der Bewegung. Dadurch erhalten die sich bewegenden Magnete wieder einen Schubs in die gleiche Richtung und so weiter ohne Ende, solange der Strom geschlossen bleibt. Der Kommutator war ein sehr wichtiger und durchdachter Teil des Motors. Es bestand aus vier Metallringen, die auf der Welle montiert und von ihr isoliert waren; Jeder Ring hatte vier Kerben, die 1/8 des Umfangs entsprachen. Die Ausschnitte wurden mit isolierenden Holzeinlagen gefüllt; Jeder Ring war um 45 Grad gegenüber dem vorherigen versetzt. Ein Hebel, der eine Art Bürste war, glitt entlang des Umfangs des Rings; das andere Ende des Hebels wurde in ein geeignetes Gefäß mit Quecksilber getaucht, an das Leiter einer Batterie angeschlossen wurden (Quecksilberverbindungen waren damals die gebräuchlichsten Kontaktmittel). Auf der Motorwelle montierte Scheiben drehten sich mit. Metallhebel glitten am Rand der Scheibe entlang, die beim Fallen auf den nicht leitenden Teil der Scheibe den Stromkreis unterbrachen und ihn bei Kontakt mit dem Metall schlossen. Die Anordnung der Scheiben war so, dass in dem Moment, in dem sich entgegengesetzte Pole trafen, die Kontakthebel durch die Holz-Metall-Fläche hindurchgingen und dadurch die Richtung in der Wicklung der Elektromagnete änderten. Somit wurde bei jeder Drehung des Rings der Stromkreis viermal unterbrochen. Wie bereits erwähnt, war der Jacobi-Motor für seine Zeit das fortschrittlichste elektrische Gerät. Im selben Jahr, 1834, wurde der Pariser Akademie der Wissenschaften ein ausführlicher Bericht über die Grundsätze seiner Arbeit vorgelegt. 1838 verbesserte Jacobi seinen Elektromotor und machte, nachdem er ihn auf einem Ruderboot installiert hatte, mit zehn Satelliten eine kleine Reise entlang der Newa mit einer Geschwindigkeit von 4 km / h. Als Stromquelle diente eine leistungsstarke Batterie galvanischer Zellen. Es ist jedoch klar, dass all diese Experimente rein demonstrativer Natur waren - bis ein perfekter elektrischer Generator erfunden und in Produktion genommen wurde, konnten Elektromotoren nicht weit verbreitet werden, da es zu teuer und unrentabel war, sie mit einer Batterie zu betreiben. Außerdem haben Gleichstrommotoren aus verschiedenen Gründen, auf die wir in den folgenden Kapiteln eingehen werden, nur eine begrenzte Verwendung gefunden. Eine viel wichtigere Rolle in der Produktion spielen mit Wechselstrom betriebene Elektromotoren, denen wir uns jetzt zuwenden. Die Stärke und Richtung des Wechselstroms sind, wie wir uns erinnern, nicht konstant. Seine Stärke steigt zunächst von Null auf einen Maximalwert an und fällt wieder auf Null ab, dann ändert der Strom seine Richtung, steigt auf ein negatives Maximum an und fällt wieder auf Null ab. (Die Zeit, die der Strom benötigt, um von einem positiven Maximum zu einem anderen zu wechseln, wird als Stromoszillationsperiode bezeichnet.) Dieser Vorgang wird mit hoher Frequenz wiederholt. (Zum Beispiel fließt in einem Beleuchtungsnetz in 1 Sekunde Strom fünfzigmal in eine Richtung und fünfzigmal in die entgegengesetzte Richtung.) Wie wirkt sich dieses Verhalten des Stroms auf den Betrieb des Elektromotors aus? Zunächst ist zu beachten, dass die Drehrichtung des Elektromotors nicht von der Stromrichtung abhängt, da sich bei einer Stromänderung die Polarität nicht nur im Anker, sondern gleichzeitig in den Wicklungen ändert deshalb wirken Anziehung und Abstoßung weiterhin in derselben Richtung wie zuvor. Daraus scheint zu folgen, dass es dem Motor völlig gleichgültig ist, mit welcher Art von Gleich- oder Wechselstrom – er angetrieben wird. Dies ist jedoch nicht der Fall. Bei häufiger Ummagnetisierung von Elektromagneten (mehrere zehnmal pro Sekunde) entstehen in ihnen Wirbelströme, die die Rotation des Ankers verlangsamen und ihn stark erhitzen. Die Leistung des Elektromotors wird stark reduziert und fällt schließlich aus. Für Wechselstrom ist eine spezielle Motorkonstruktion erforderlich. Die Erfinder konnten es nicht sofort finden. Zunächst wurde ein Modell des sogenannten Synchron-Wechselstrommotors entwickelt. Einer der ersten derartigen Motoren wurde 1841 von Charles Wheatstone gebaut. Angenommen, der feste Teil des Motors (Stator) besteht aus einem achtpoligen, kronenförmigen Elektromagneten, dessen abwechselnde Pole durch ihre Polarität mit den Buchstaben N und S gekennzeichnet sind. Ein Anker (oder Rotor) dreht sich dazwischen in Form eines sternförmigen Rades, dessen acht Speichen Permanentmagnete sind. Ihre festen Pole werden mit den Buchstaben n und s bezeichnet. Nehmen Sie an, dass ein Wechselstrom durch einen Elektromagneten geleitet wird. Dann ändern die Enden der Kerne des Elektromagneten abwechselnd ihre Polarität. Stellen Sie sich vor, dass sich an irgendeinem Punkt gegenüber jedem Pol des Stator-Elektromagneten ein gleichnamiger Rotorpol befindet. Lassen Sie uns das Rad antreiben und ihm eine solche Geschwindigkeit mitteilen, bei der jede Speiche n die Entfernung zwischen zwei benachbarten Kernen N und S in einem Zeitintervall zurücklegt, das dem entspricht, während dessen diese Kerne ihre Polarität unverändert beibehalten, dh in einer Periode von Zeit gleich der halben Periode des Wechselstroms, der die Elektromagnete speist. Unter solchen Bedingungen werden während der gesamten Bewegung der Speiche vom Kern N zum Kern S alle Kerne ummagnetisiert, weshalb die Speiche bei ihrer weiteren Bewegung erneut eine Abstoßung von dem zurückgelassenen Kern und eine Anziehung erfährt aus dem Kern, dem es sich nähert.
Der nach diesem Prinzip arbeitende Synchronmotor bestand aus einem ringförmigen mehrpoligen Magneten, dessen Polarität sich unter dem Einfluss von Wechselstrom änderte, und einem sternförmigen Permanentelektromagneten, der auf einer Welle montiert war und sich in der beschriebenen Weise drehte Oben. Zur Erregung dieses Dauerelektromagneten war ein Gleichstrom erforderlich, der mittels eines Kommutators aus einer Arbeitsgröße gewandelt wurde. Der Kommutator hatte einen anderen Zweck: Er diente zum Starten des Motors, denn um die Drehung des Rotors eines Synchronmotors aufrechtzuerhalten, musste er eine bestimmte Anfangsdrehzahl melden. Beim Einschalten wurde zunächst ein Gleichstrom durch den Stromkreis gestartet, wodurch der Motor als Gleichstrommotor zu arbeiten begann und sich in Bewegung setzte. Bis der Motor die erforderliche Drehzahl erreicht hat, kehrte der Kommutator die Richtung in den sich bewegenden Elektromagneten um. Als die dem Synchronlauf entsprechende Geschwindigkeit erreicht war, änderten sich die Pole des sich bewegenden Magneten nicht, und der Motor begann, als ein synchroner Wechselstrommotor zu arbeiten.
Das beschriebene System hatte große Nachteile, neben der Tatsache, dass der Synchronmotor für seinen Start einen zusätzlichen Beschleunigungsmotor benötigte, hatte es noch einen weiteren Fehler: Bei Überlastung wurde der Gleichlauf seines Hubs gestört, die Magnete begannen, die Drehung zu verlangsamen der Welle, und der Motor stoppte. Daher werden Synchronmotoren nicht weit verbreitet verwendet. Die wirkliche Revolution in der Elektrotechnik fand erst nach der Erfindung des Asynchron- (oder Induktions-) Motors statt. Die Wirkung eines Induktionsmotors wird aus der folgenden Demonstration deutlich, die 1824 von dem berühmten französischen Physiker Argo durchgeführt wurde.
Lassen Sie den Hufeisenmagneten NS von Hand in eine schnelle Rotation um die vertikale Achse treiben. Über den Stangen trägt eine Glasplatte die Spitze, auf der ein Kupferkreis montiert ist. Wenn sich der Magnet dreht, interagieren die im Kreis induzierten Induktionsströme und das von ihnen gebildete Magnetfeld mit dem unteren Magneten, und der Kreis beginnt sich in die gleiche Richtung wie der untere Magnet zu drehen. Dieses Phänomen wird in einem Asynchronmotor verwendet. Nur werden statt eines rotierenden Permanentmagneten mehrere stationäre Elektromagnete verwendet, die in einer bestimmten Reihenfolge ein- und ausschalten und ihre Polarität wechseln. Lassen Sie uns das Gesagte anhand des folgenden Beispiels erläutern.
Angenommen, I, II, III und IV sind die vier Pole zweier Elektromagnete, zwischen denen ein Metallpfeil platziert ist. Unter der Wirkung eines Magnetfelds wird es magnetisiert und wird entlang der Linien des Magnetfelds von Elektromagneten, die, wie Sie wissen, ihren Nordpol verlassen und in den Süden eintreten. Alle vier Pole befinden sich in einem Kreis im gleichen Abstand voneinander. Zuerst wird Strom an II und III angelegt. Der Pfeil bleibt bewegungslos entlang der Mittelachse der magnetischen Feldlinien. Dann wird dem zweiten Elektromagneten Strom zugeführt. In diesem Fall befinden sich die gleichnamigen Pole in der Nähe. Nun verläuft die durchschnittliche Führung der Kraftlinien der Magnete von der Mitte des Abstands zwischen I und II zur Mitte zwischen III und IV, und der Pfeil dreht sich um 45 Grad. Wir schalten den ersten Elektromagneten aus und lassen nur die Pole II und IV aktiv. Die Kraftlinien werden von III nach IV gerichtet, wodurch sich der Pfeil um weitere 45 Grad dreht. Wir schalten den ersten Elektromagneten wieder ein, ändern aber gleichzeitig die Strombewegung, sodass sich die Polarität des ersten Magneten ändert - der Pfeil dreht sich um weitere 45 Grad. Nach dem Ausschalten des zweiten Elektromagneten bewegt sich der Pfeil um weitere 45 Grad, dh er macht eine halbe Umdrehung. Es ist leicht zu sehen, wie man sie dazu bringt, die zweite Hälfte des Kreises zu vervollständigen. Das von uns beschriebene Gerät entspricht im Grunde dem 1879 erfundenen Bailey-Motor. Bailey stellte zwei Elektromagnete mit vier über Kreuz liegenden Polen her, die er mit einem Schalter magnetisieren konnte. Über den Stangen installierte er einen Kupferkreis, der an einem Punkt aufgehängt war. Indem er die Polaritäten des Magneten änderte, sie ein- und ausschaltete, brachte er den Kreis dazu, sich genau so zu drehen, wie es in Argos Experiment geschah. Die Idee eines solchen Motors ist äußerst interessant, da im Gegensatz zu Gleichstrommotoren oder synchronen Elektromotoren keine Stromversorgung des Rotors erforderlich ist. In der Form, in der Bailey ihn geschaffen hat, konnte der Induktionsmotor jedoch noch nicht verwendet werden: Das Schalten von Elektromagneten erfolgte unter der Wirkung eines komplexen Kollektors und hatte außerdem einen sehr geringen Wirkungsgrad. Aber bevor diese Art von Elektromotor das Recht auf Leben erhielt, blieb nur ein Schritt, und er wurde nach dem Aufkommen der Technik der Mehrphasenströme gemacht. Tatsächlich wurden mehrphasige Ströme hauptsächlich aufgrund von Elektromotoren verwendet.
Um zu verstehen, was beispielsweise ein Zweiphasenstrom ist, stellen Sie sich zwei voneinander unabhängige Leiter vor, in denen zwei völlig identische Wechselströme fließen. Der einzige Unterschied zwischen ihnen besteht darin, dass sie ihr Maximum nicht gleichzeitig erreichen. Sie sagen über solche Ströme, dass sie relativ zueinander phasenverschoben sind, und wenn diese Ströme einem Elektrogerät zugeführt werden, sagen sie, dass es von einem Zweiphasenstrom gespeist wird. Dementsprechend kann es sich um einen Drehstrom handeln (wenn das Gerät mit drei identischen, gegeneinander phasenverschobenen Strömen versorgt wird), einen Vierphasenstrom usw. In der Technik wurde lange Zeit nur herkömmlicher Wechselstrom verwendet (der in Analogie zu mehrphasigen Strömen als einphasig bezeichnet wurde). Aber dann stellte sich heraus, dass in einigen Fällen mehrphasige Ströme viel bequemer sind als einphasige.
1888 entdeckten der italienische Physiker Ferraris und der jugoslawische Erfinder Tesla (der in den USA arbeitete) das Phänomen eines rotierenden elektromagnetischen Feldes. Sein Wesen war wie folgt. Nehmen Sie zwei Spulen, die aus der gleichen Anzahl von Windungen aus isoliertem Draht bestehen, und platzieren Sie sie senkrecht zueinander, so dass eine Spule in die andere eintritt. Stellen Sie sich nun vor, dass der Strom i1 um die Spule 1 fließt und der Strom i2 um die Spule 2 fließt, wobei i1 i2 um eine Viertelperiode in Phase vorauseilt. Dies bedeutet, wie bereits gesagt, dass der Strom i1 in dem Moment, in dem der Strom i2 Null ist, ein positives Maximum erreicht. Wenn wir die Spulen gedanklich mit einer horizontalen Ebene halbieren und sie von oben betrachten, sehen wir Abschnitte der vier Seiten beider Spulen. Stellen wir eine Magnetnadel dazwischen und beobachten wir ihre Bewegung. Von Wechselstrom durchflossene Spulen sind bekanntlich Elektromagnete. Ihr Magnetfeld interagiert mit der Nadel und dreht sie. Betrachten Sie nun die Position der Magnetnadel, deren Achse mit der vertikalen Achse der Spulen zu verschiedenen Zeiten zusammenfällt. Zum Anfangszeitpunkt (t=0) ist der Strom in der ersten Spule Null, in der zweiten durchläuft er ein negatives Maximum (die Stromrichtung wird wie in der Elektrotechnik mit a bezeichnet Punkt und ein Kreuz; ein Kreuz bedeutet, dass der Strom vom Beobachter über die ebene Zeichnung hinaus geleitet wird, und der Punkt zeigt an, dass der Strom zum Beobachter gerichtet ist). Zum Zeitpunkt t1 sind die Ströme i1 und i2 gleich, aber einer hat eine positive Richtung und der andere eine negative Richtung. Zum Zeitpunkt t2 geht der Wert des Stroms i2 auf Null und der Strom i1 erreicht sein Maximum. Der Pfeil dreht sich dann um eine weitere 1/8 Umdrehung. Wenn wir die Entwicklung des Prozesses auf diese Weise verfolgen, werden wir feststellen, dass die Magnetnadel am Ende der Änderungsperiode eines der Ströme eine vollständige Umdrehung um die Achse vollzieht. Dann wird der Vorgang wiederholt. Daher können Sie mit zwei Spulen, die mit zwei Strömen gespeist werden, die zueinander um eine Viertelperiode phasenverschoben sind, den gleichen Effekt der Umkehrung der Magnetpole erzielen, den Bailey in seinem Motor erzielt hat, aber hier ist es viel einfacher, ohne beliebiger Kommutator und ohne Verwendung von Schleifkontakten, da der Strom selbst die Ummagnetisierung steuert. Der beschriebene Effekt hat in der Elektrotechnik den Namen eines gleichförmig rotierenden Magnetfeldes erhalten. Basierend darauf konstruierte Tesla den ersten zweiphasigen Asynchronmotor der Geschichte. Überhaupt war er der Erste, der mit mehrphasigen Strömen zu experimentieren begann und das Problem der Erzeugung solcher Ströme erfolgreich löste. Da es nicht einfach war, aus einem einphasigen einen zweiphasigen Strom zu machen, baute Tesla einen speziellen Generator, der sofort zwei Ströme mit einer Phasendifferenz von 90 Grad (also einer Viertelperiode hinterher) erzeugte. Bei diesem Generator rotieren zwei rechtwinklig zueinander stehende Spulen zwischen den Polen eines Magneten. Zu der Zeit, als die Windungen einer Spule unter den Polen lagen und der in ihnen induzierte Strom maximal war, befanden sich die Windungen der anderen Spule zwischen den Polen (auf der neutralen Linie) und die elektromotorische Kraft in ihnen war gleich Null. Folglich waren auch die beiden in diesen Spulen erzeugten Ströme um eine Viertelperiode gegeneinander phasenverschoben.
Dreiphasenstrom konnte auf ähnliche Weise gewonnen werden (unter Verwendung von drei Spulen im Winkel von 60 Grad zueinander), aber Tesla hielt das Zweiphasensystem für das wirtschaftlichste. Tatsächlich erfordern Mehrphasenstromsysteme eine große Anzahl von Drähten. Wenn ein Motor, der mit herkömmlichem Wechselstrom (einphasig) betrieben wird, nur zwei Versorgungsdrähte benötigt, dann arbeitet er mit einem zweiphasigen - bereits vier, mit einem dreiphasigen - sechs usw. Die Enden jeder Spule wurden zu den Ringen gebracht, die sich auf der Generatorwelle befanden. Der Motorrotor hatte auch eine Wicklung in Form von zwei Spulen, die in sich geschlossen waren (dh keine Verbindung zu einem externen Stromkreis hatten), die im rechten Winkel zueinander angeordnet waren. Teslas Erfindung markierte den Beginn einer neuen Ära in der Elektrotechnik und erregte weltweit reges Interesse. Bereits im Juni 1888 kaufte ihm die Westinghouse Electric Company für eine Million Dollar alle Patente für ein Zweiphasensystem ab und bot an, die Produktion von Asynchronmotoren in ihren Fabriken zu organisieren. Diese Motoren wurden im folgenden Jahr in den Handel gebracht. Sie waren viel besser und zuverlässiger als alle zuvor existierenden Modelle, aber sie wurden nicht weit verbreitet, da sie sich als sehr erfolglos konzipiert herausstellten. Die Statorwicklung in ihnen wurde in Form von Spulen hergestellt, die auf hervorstehenden Polen montiert waren. Auch die Gestaltung des Rotors in Form einer Trommel mit zwei rechtwinklig zueinander stehenden, geschlossenen Windungen gelang nicht. All dies reduzierte die Qualität des Motors sowohl beim Start als auch im Betriebsmodus erheblich. Bald wurde der Induktionsmotor von Tesla vom russischen Elektroingenieur Dolivo-Dobrovolsky erheblich überarbeitet und verbessert. 1881 aus politischen Gründen aus dem Rigaer Polytechnischen Institut ausgeschlossen, ging Dolivo-Dobrovolsky nach Deutschland. Hier absolvierte er die Höhere Technische Schule Darmstadt und trat 1887 in den großen deutschen Elektrotechnikkonzern AEG ein. Die erste wichtige Innovation, die Dolivo-Dobrovolsky in einem Asynchronmotor einführte, war die Schaffung eines Rotors mit einer "Käfigläufer" -Wicklung. Bei allen frühen Modellen von Induktionsmotoren waren die Rotoren sehr erfolglos, und daher war der Wirkungsgrad dieser Motoren geringer als der anderer Arten von Elektromotoren. (Ferraris, der oben erwähnte, hat einen asynchronen Zweiphasenmotor mit einem Wirkungsgrad von etwa 50% geschaffen und hielt dies für die Grenze.) Das Material, aus dem der Rotor hergestellt wurde, spielte hier eine sehr wichtige Rolle, da es zwei genügen musste Bedingungen auf einmal: einen geringen elektrischen Widerstand (damit induzierte Ströme ungehindert durch seine Oberfläche fließen können) und eine gute magnetische Permeabilität (damit die Energie des Magnetfelds nicht verschwendet wird).
Aus Sicht der Reduzierung des elektrischen Widerstands könnte die beste konstruktive Lösung ein Rotor in Form eines Kupferzylinders sein. Aber Kupfer ist ein schlechter Leiter für den Magnetfluss des Stators und der Wirkungsgrad eines solchen Motors war sehr gering. Wurde der Kupferzylinder durch einen Stahlzylinder ersetzt, stieg der magnetische Fluss stark an, aber da die elektrische Leitfähigkeit von Stahl geringer war als die von Kupfer, war der Wirkungsgrad wiederum gering. Dolivo-Dobrovolsky fand einen Ausweg aus diesem Widerspruch: Er stellte den Rotor in Form eines Stahlzylinders her (was seinen magnetischen Widerstand verringerte) und begann, Kupferstäbe in die Kanäle einzuführen, die entlang des Umfangs des letzteren gebohrt wurden (was den elektrischer Wiederstand). An den vorderen Teilen des Rotors waren diese Stäbe elektrisch miteinander verbunden (in sich geschlossen). Die Lösung von Dolivo-Dobrovolsky erwies sich als die beste. Nachdem er 1889 ein Patent für seinen Rotor erhielt, hat sich sein Gerät bis heute nicht grundlegend verändert. Danach begann Dolivo-Dobrovolsky, über die Konstruktion des Stators des festen Teils des Motors nachzudenken. Teslas Design erschien ihm irrational. Da der Wirkungsgrad eines Elektromotors direkt davon abhängt, wie vollständig das Statormagnetfeld vom Rotor genutzt wird, sind also umso mehr Statormagnetlinien luftdicht (d. h. sie gehen nicht durch die Rotoroberfläche). , desto größer der Verlust an elektrischer Energie und desto geringer der Wirkungsgrad. Um dies zu verhindern, sollte der Spalt zwischen Rotor und Stator so klein wie möglich sein. Teslas Motor war aus dieser Sicht alles andere als perfekt - die hervorstehenden Pole der Spulen auf dem Stator erzeugten zu viel Spiel zwischen Stator und Rotor. Außerdem wurde bei einem Zweiphasenmotor keine gleichmäßige Bewegung des Rotors erzielt. Davon ausgehend sah Dolivo-Dobrovolsky zwei Aufgaben vor sich: die Effizienz des Motors zu steigern und eine größere Gleichmäßigkeit seines Betriebs zu erreichen. Die erste Aufgabe war einfach - es genügte, die hervorstehenden Pole der Elektromagnete zu entfernen und ihre Wicklungen gleichmäßig über den gesamten Umfang des Stators zu verteilen, sodass der Wirkungsgrad des Motors sofort stieg. Aber wie löst man das zweite Problem? Erst durch die Erhöhung der Phasenzahl von zwei auf drei konnte die Rotationsungleichmäßigkeit merklich reduziert werden. Aber war dieser Weg rational? Wie bereits erwähnt, war es nicht schwierig, einen Drehstrom zu bekommen. Es war auch nicht schwer, einen Drehstrommotor zu bauen – dafür genügte es, drei statt zwei Spulen auf den Stator zu legen und diese jeweils mit zwei Drähten mit der entsprechenden Generatorspule zu verbinden. Dieser Motor sollte in jeder Hinsicht besser sein als Teslas Zweiphasenmotor, bis auf einen Moment – er benötigte sechs statt vier Drähte für seine Stromversorgung. Somit wurde das System unnötig sperrig und teuer. Aber vielleicht war es möglich, den Motor auf andere Weise mit dem Generator zu verbinden? Dolivo-Dobrovolsky verbrachte schlaflose Nächte mit Diagrammen von Mehrphasenschaltungen. Auf Papierbögen skizzierte er immer neue Möglichkeiten. Und schließlich wurde eine in ihrer Einfachheit völlig unerwartete und geniale Lösung gefunden.
In der Tat, wenn Sie Abzweigungen von drei Punkten des Ringankers des Generators machen und sie mit drei Ringen verbinden, entlang derer die Bürsten gleiten, dann wird, wenn sich der Anker zwischen den Polen dreht, der gleiche Strom in jeder Bürste induziert, jedoch mit a Zeitverschiebung, die notwendig ist, damit sich die Spule entlang eines Bogens bewegt, der einem Winkel von 120 Grad entspricht. Mit anderen Worten, die Ströme in der Schaltung werden auch relativ zueinander um 120 Grad phasenverschoben. Es stellte sich jedoch heraus, dass dieses Drehstromsystem noch eine äußerst merkwürdige Eigenschaft hatte, die kein anderes System mehrphasiger Ströme hatte - zu jedem beliebigen Zeitpunkt ist die Summe der in einer Richtung fließenden Ströme hier gleich dem Wert des dritten Stroms, der in die entgegengesetzte Richtung fließt, und die Summe aller drei Ströme zu jedem Zeitpunkt Null ist. Beispielsweise durchläuft der Strom i1 zum Zeitpunkt t2 ein positives Maximum, und die Werte der Ströme i1 und i3, die einen negativen Wert haben, erreichen die Hälfte des Maximums und ihre Summe ist gleich dem Strom i2. Dies bedeutet, dass zu jedem Zeitpunkt einer der Drähte im System die gleiche Strommenge in eine Richtung führt wie die anderen beiden zusammen in die entgegengesetzte Richtung. Somit ist es möglich, jeden der drei Drähte als Zuleitung für die anderen beiden parallel geschalteten Drähte zu verwenden und statt mit sechs Drähten mit nur drei auszukommen!
Um diesen äußerst wichtigen Punkt zu verdeutlichen, wenden wir uns einem imaginären Diagramm zu. Stellen Sie sich vor, dass durch einen um seinen Mittelpunkt rotierenden Kreis drei Leiter miteinander verbunden sind, in denen drei um 120 Grad phasenverschobene Wechselströme fließen. Während seiner Drehung befindet sich jeder Leiter entweder auf dem positiven oder auf dem negativen Teil des Kreises, und wenn er sich von einem Teil zum anderen bewegt, ändert der Strom seine Richtung. Dieses System gewährleistet vollständig den normalen Fluss (Zirkulation) von Strömen. Tatsächlich werden irgendwann die Leiter I und II parallel geschaltet und III leitet Strom von ihnen ab. Einige Zeit später geht II auf die gleiche Seite wie III über; jetzt arbeiten II und III parallel und I als gemeinsame stromführende Leitung. Dann geht III auf die Seite, auf der sich I noch befindet; jetzt hebt II den Betrag ab, den III und ich zusammenbringen. Dann bewegt sich I auf die Seite, auf der sich II noch befindet, und so weiter.
Im obigen Beispiel wurde nichts über Stromquellen gesagt. Wie wir uns erinnern, ist diese Quelle ein Drehstromgenerator. Wir stellen die Wicklungen des Generators in Form von drei Spulen dar. Damit der Strom in der beschriebenen Weise fließen kann, können diese Spulen auf zwei Arten in die Schaltung einbezogen werden. Wir können sie zum Beispiel auf drei Seiten eines Dreiecks platzieren, sagen wir die linke; so erhalten wir statt seiner drei Seiten drei Spulen I, II und III, in denen Ströme mit einer Phasenverschiebung von 1/3 der Periode induziert werden. Wir können auch die Angriffspunkte elektromotorischer Kräfte an die Enden der parallelen Leiter verlegen. Wenn wir unsere Spulen hier platzieren, erhalten wir eine andere Verbindung. Die Dreiecke, die jetzt nur noch als leitende Verbindungen für die drei linken Enden der Spulen dienen, können zu einem einzigen Punkt zusammengezogen werden. Diese Verbindungen, von denen die erste „Delta“ und die zweite „Stern“ genannt wird, sind sowohl in Motoren als auch in Generatoren weit verbreitet.
Dolivo-Dobrovolsky baute im Winter 1889 seinen ersten Drehstrom-Asynchronmotor. Als Stator wurde darin ein ringförmiger Anker einer Gleichstrommaschine mit 24 halbgeschlossenen Schlitzen verwendet. Angesichts der Fehler von Tesla verteilte Dolivo-Dobrovolsky die Wicklungen in den Schlitzen um den gesamten Umfang des Stators, was die Verteilung des Magnetfelds günstiger machte. Der Rotor war zylindrisch mit "Eichhörnchenkäfig" -Wicklungen. Der Luftspalt zwischen Rotor und Stator betrug nur 1 mm, was damals eine mutige Entscheidung war, da üblicherweise der Spalt größer ausgeführt wurde. Die Stäbe des "Eichhörnchenkäfigs" hatten keine Isolierung. Als Drehstromquelle wurde ein handelsüblicher Gleichstromgenerator verwendet, der wie oben beschrieben zu einem Drehstromgenerator umgebaut wurde. Der Eindruck, den der erste Motorstart auf die Führung der AEG machte, war enorm. Für viele wurde offensichtlich, dass der lange, dornige Weg zur Entwicklung eines industriellen Elektromotors endlich abgeschlossen war. In Bezug auf ihre technische Leistung übertrafen die Motoren von Dolivo-Dobrovolsky alle damals existierenden Elektromotoren - mit einem sehr hohen Wirkungsgrad arbeiteten sie in allen Modi einwandfrei, waren zuverlässig und einfach zu bedienen. Daher verbreiteten sie sich sofort auf der ganzen Welt. Seit dieser Zeit begann die rasante Einführung von Elektromotoren in allen Bereichen der Produktion und die weit verbreitete Elektrifizierung der Industrie. Autor: Ryzhov K.V.
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