primeiros motores elétricos
Os experimentos eletromagnéticos de Faraday, 1821 Os primeiros motores elétricos eram dispositivos eletrostáticos simples, descritos em experimentos pelo monge escocês Andrew Gordon e pelo experimentador americano Benjamin Franklin na década de 1740. O princípio teórico por trás dela, a lei de Coulomb, foi descoberto por Henry Cavendish em 1771, mas ainda não foi publicado. A lei foi descoberta de forma independente em 1785 por Charles-Augustin de Coulomb, que a publicou e agora é amplamente conhecida e seu nome. [4] A célula eletroquímica [5] inventada por Alessandro Volta em 1799 possibilitou a geração de uma corrente contínua. Após a descoberta dessa interação entre correntes e campos magnéticos, conhecida como interação eletromagnética por Hans Christianrsted em 1820, muito progresso foi feito logo. André-Marie Ampère levou apenas algumas semanas para desenvolver a primeira fórmula de interação eletromagnética e propor a lei de força de Ampère, que descreve a interação da corrente elétrica e do campo magnético. força mecânica. Em 1821, Michael Faraday demonstrou pela primeira vez os efeitos do movimento rotacional. Um fio solto foi mergulhado em um banho de mercúrio onde um ímã permanente (PM) foi colocado. Quando a corrente é passada através do fio, o fio gira em torno do ímã, indicando que a corrente cria um campo magnético circular apertado ao redor do fio. [7] Esses motores são geralmente demonstrados em experimentos físicos, substituindo a água salgada por mercúrio (tóxico). As rodas de Barlow foram uma melhoria inicial naquela demonstração de Faraday, embora esses e motores homopolares semelhantes não fossem adequados para uso prático até o final do século.
"Eletromagnético Self-Rotor" por Jedlik, 1827 (Museu de Artes Aplicadas, Budapeste). Motores históricos ainda funcionam bem hoje.
James Joule mostrando Kelvin um motor elétrico no Museu Hunterian em Glasgow em 1842
Em 1827, o físico húngaro nyos Jedlik começou a fazer experiências com bobinas eletromagnéticas. Depois que Jedlik resolveu o problema técnico da rotação contínua com a invenção do comutador, ele chamou seu dispositivo inicial de "auto-rotor eletromagnético". Embora fossem usados apenas para ensino, em 1828 Jedrick demonstrou o primeiro dispositivo contendo os três principais componentes de um motor CC prático: o estator, o rotor e o comutador. O dispositivo não usa ímãs permanentes porque os campos magnéticos dos componentes estacionários e rotativos são gerados apenas pela corrente que flui através de seus enrolamentos.
motor DC
O cientista britânico William Sturgeon inventou o primeiro motor DC comutador capaz de girar máquinas em 1832. Seguindo o trabalho do Sturgeon, o inventor americano Thomas Davenport construiu um motor DC do tipo comutador, que ele patenteou em 1837. O motor funciona a 600 rotações por minuto e alimenta a ferramenta elétrica e a prensa. Devido ao alto custo das baterias primárias, o motor elétrico não foi um sucesso comercial e a Davenport faliu. Vários inventores seguiram Sturgeon para desenvolver motores DC, mas todos tiveram o mesmo problema de custo de bateria. Sem sistema de distribuição de energia disponível na época, não havia mercado comercial real para esses motores.
Depois de muitas outras tentativas mais ou menos bem sucedidas com dispositivos rotativos e alternativos relativamente fracos, o prussiano Moritz von Jacobi criou o primeiro motor elétrico rotativo real em maio de 1834. Ele produz uma potência mecânica extraordinária. Sua motocicleta estabeleceu um recorde mundial, que Jacobi melhorou quatro anos depois, em setembro de 1838. Sua segunda moto era poderosa o suficiente para dirigir um barco 14-pessoal em um rio largo. Também em 1839/40, outros desenvolvedores conseguiram fazer motores de desempenho semelhante e superior.
Em 1855, Jedlik construiu um dispositivo capaz de fazer um trabalho útil usando princípios semelhantes aos usados por sua asa giratória eletromagnética. Nesse mesmo ano, ele construiu um modelo de carro elétrico.
Um grande ponto de virada ocorreu em 1864, quando Antonio Pacinotti descreveu pela primeira vez a armadura toroidal (embora tenha sido originalmente concebida em um gerador DC (ou seja, gerador)). Esse recurso possui bobinas agrupadas simetricamente que são fechadas umas às outras e conectadas às barras de um comutador cujas escovas fornecem uma corrente quase não flutuante. Os primeiros motores DC de sucesso comercial seguiram o desenvolvimento de Zénobe Gramme, que em 1871 reinventou o design de Pacinotti e adotou algumas das soluções de Werner Siemens.
Os benefícios para o motor DC derivam da reversibilidade do motor, que foi anunciada pela Siemens em 1867 e descoberta através das observações de Pacinotti chegou a 1869 quando Graham acidentalmente provou isso, na Feira Mundial de Viena de 1873, quando colocou os dois esses dispositivos DC estão a 2 km um do outro, usando um deles como gerador e o outro como motor elétrico.
O rotor de tambor foi introduzido em 1872 por Friedrich von Hefner-Alteneck da Siemens e Halske para substituir a armadura de anel de Pacinotti, aumentando assim a eficiência da máquina. [6] Rotores laminados foram introduzidos no ano seguinte pela Siemens & Halske, resultando em perdas de ferro reduzidas e tensões induzidas mais altas. Em 1880, Jonas Wenstrm forneceu ao rotor ranhuras para acomodar os enrolamentos, melhorando ainda mais a eficiência.
Em 1886, Frank Julian Sprague inventou o primeiro motor DC prático, um dispositivo sem faísca que mantinha uma velocidade relativamente constante sob cargas variáveis. Nessa época, as outras invenções elétricas de Sprague melhoraram muito o desempenho de distribuição de energia da rede (trabalho feito antes do mandato de Thomas Edison), permitindo que a energia dos motores elétricos retornasse à rede, através de fios aéreos e postes de trole que alimentam os troles e fornecem o sistema de controle para operação elétrica. Isso levou Sprague a inventar o primeiro sistema de bonde elétrico usando motores elétricos em Richmond, Virgínia em 1887-88, um elevador elétrico e sistema de controle em 1892 e um metrô elétrico com carros controlados centralmente alimentados de forma independente. Este último foi instalado pela primeira vez em Chicago em 1892 pela South Side Elevated Railroad, onde era coloquialmente conhecido como o "L". O motor elétrico de Sprague e suas invenções relacionadas geraram interesse e encontraram amplo uso em motores elétricos industriais. O desenvolvimento de motores elétricos com eficiência aceitável foi adiado por décadas devido à falta de reconhecimento da importância crítica do entreferro entre o rotor e o estator. Projetos eficientes têm entreferros relativamente pequenos. Pela mesma razão, o carro de St. Louis, muito usado nas salas de aula para ilustrar os princípios do movimento, é extremamente ineficiente e não se parece com um carro moderno.
Os motores elétricos revolucionaram a indústria. Os processos industriais não são mais limitados pela transmissão de energia usando eixos, correias, ar comprimido ou hidráulica. Em vez disso, cada máquina pode ser equipada com sua própria fonte de energia, que pode ser facilmente controlada durante o uso e melhorar a eficiência da transferência de energia. Os motores elétricos usados na agricultura removem a força muscular humana e animal de tarefas como manuseio de grãos ou bombeamento de água. O uso de motores elétricos em casa reduz o trabalho pesado em casa e permite padrões mais elevados de conveniência, conforto e segurança. Hoje, os motores elétricos consomem mais da metade da eletricidade produzida nos Estados Unidos.
motor CA
Em 1824, o físico francês Franois Arago propôs a existência de um campo magnético rotativo, conhecido como rotação de Arago, abrindo e fechando manualmente um interruptor, que Walter Baily demonstrou em 1879 como o primeiro motor de indução primitivo. Durante a década de 1880, muitos inventores tentaram desenvolver motores CA viáveis [31], pois as vantagens dos motores CA na transmissão de alta tensão em longas distâncias eram compensadas pela incapacidade de funcionar em motores CA.
Em 1885, Galileo Ferraris inventou o primeiro motor de indução AC sem comutador. Ferraris melhorou seus primeiros projetos produzindo unidades mais avançadas em 1886. Em 1888, a Academia Real de Ciências de Turim publicou o estudo detalhado de Ferraris sobre a base para a operação de motores elétricos, mas na época concluiu que "um dispositivo baseado em este princípio não pode ter qualquer significado comercial como motor elétrico."
O possível desenvolvimento industrial foi concebido por Nikola Tesla, que inventou seu motor de indução autônomo em 1887 e o patenteou em maio de 1888. Nesse mesmo ano, Tesla apresentou seu artigo sobre o AIEE de um novo sistema para motores CA e transformadores conforme descrito em três patentes de tipos de motores de quatro estatores bifásicos de quatro pólos: um com um rotor de quatro pólos formando um motor de relutância sem partida automática e o outro com O rotor bobinado constitui um motor de indução de partida automática e o terceiro tipo é um verdadeiro motor síncrono, que fornece respectivamente energia CC de excitação aos enrolamentos do rotor. No entanto, uma patente registrada por Tesla em 1887 também descreveu um motor de indução de rotor de curto-circuito. George Westinghouse adquiriu os direitos de Ferraris ($1,000) e imediatamente comprou as patentes de Tesla ($60,000, mais $2,50 por carro-cavalo vendido até 1897 pago em 2010),[32] contratou a Tesla para desenvolver o motor elétrico e encomendou CF Scott para ajudar a Tesla; no entanto, Tesla partiu para outro lugar em 1889. [Citações excessivas] Verificou-se que o motor de indução AC de velocidade constante não era adequado para bondes, [31] mas os engenheiros da Westinghouse o adaptaram com sucesso para alimentar uma operação de mineração em Telluride, Colorado em 1891. [ 53][54][55] A Westinghouse realizou seu primeiro motor de indução prático em 1892 e desenvolveu uma família de motores de indução polifásicos de 60 Hz em 1893, mas esses primeiros motores Westinghouse foram construídos com motores bifásicos de rotores bobinados. BG Lamme desenvolveu posteriormente o rotor bobinado de haste giratória. [45]
Ao promover firmemente o desenvolvimento do trifásico, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky inventou o motor de indução trifásico em 1889, que é um rotor de esquilo e um tipo de rotor bobinado com um varistor de partida, e em 1890 inventou o transformador de três braços. Entre a AEG e a Maschinenfabrik Oerlikon, Doliwo-Dobrowolski e Charles Eugene Lancelot Brown desenvolveram modelos maiores, uma gaiola de esquilo de 20 hp e um rotor bobinado de 100 hp com um varistor de partida. Estes foram os primeiros motores assíncronos trifásicos adequados para operação prática. Winstrom vem desenvolvendo máquinas trifásicas semelhantes desde 1889. Na Exposição Eletrotécnica Internacional em Frankfurt em 1891, o primeiro sistema trifásico de longa distância foi demonstrado com sucesso. É avaliado em 15 kV e se estende por 175 km de Laufen Falls no Neckar. A central elétrica de Lauffen é composta por um alternador de 240 kW 86 V 40 Hz e um transformador elevador, enquanto na exposição um transformador abaixador alimenta um motor de indução trifásico de 100 hp que alimenta uma cascata artificial, representando a transferência do transformador original. fonte de energia. ] A indução trifásica é agora usada na grande maioria das aplicações comerciais. No entanto, ele alegou que os motores elétricos de Tesla eram impraticáveis devido a pulsações de duas fases, levando-o a manter seu trabalho trifásico.
Em 1891, a GE começou a desenvolver o motor assíncrono trifásico [45] em 1896, a GE e a Westinghouse assinaram um acordo de licenciamento cruzado para o projeto do rotor de enrolamento de barras, mais tarde conhecido como rotor de gaiola. As melhorias no motor de indução surgiram dessas invenções e inovações, de modo que o 100-motor de indução de potência agora tem as mesmas dimensões instaladas que o motor de 7,5-cavalos de potência de 1897.
componentes
Rotor do motor (esquerda) e estator (direita)
Rotor[editar|editar código-fonte]
Ver artigo principal: Rotor (elétrico)
Em um motor elétrico, a parte móvel é o rotor, que gira o eixo para transmitir energia mecânica. O rotor normalmente contém condutores que transportam correntes que interagem com o campo magnético do estator para criar uma força que gira o eixo. Alternativamente, alguns rotores carregam ímãs permanentes, enquanto os estatores seguram os condutores.
consequência
O rotor é suportado por rolamentos que permitem que o rotor gire em torno de seu eixo. Os rolamentos, por sua vez, são suportados pela carcaça do motor. O eixo do motor se estende através do rolamento até a parte externa do motor, onde a carga é aplicada. Como a força da carga é aplicada fora do rolamento mais externo, a carga é suspensa. [59]
estator
Ver artigo principal: Estator
O estator é a parte fixa do circuito eletromagnético do motor e geralmente consiste em enrolamentos ou ímãs permanentes. O núcleo do estator consiste em muitas folhas de metal finas chamadas laminações. As laminações são usadas para reduzir as perdas de energia que resultariam se um núcleo sólido fosse usado.
entreferro
A distância entre o rotor e o estator é chamada de entreferro. Os entreferros têm um impacto significativo e geralmente são tão pequenos quanto possível, pois grandes entreferros podem ter um forte impacto negativo no desempenho. É a principal fonte de baixo fator de potência para a operação do motor. A corrente de excitação aumenta à medida que o entreferro aumenta. Portanto, o entreferro deve ser minimizado. Além de ruídos e perdas, pequenas folgas também podem causar problemas mecânicos.
Rotor de pólo saliente
Enrolamento[editar|editar código-fonte]
Ver artigo principal: enrolamento
Um enrolamento é um fio colocado em uma bobina, geralmente enrolado em torno de um núcleo ferromagnético macio laminado, para formar pólos quando energizado.
Os motores vêm em duas configurações básicas de pólos de campo: salientes e não salientes. Em uma máquina de pólos salientes, o campo magnético dos pólos é criado por enrolamentos enrolados nos pólos abaixo das faces dos pólos. Em máquinas de pólo não saliente ou de campo distribuído ou rotor circular, os enrolamentos são distribuídos em ranhuras de face de pólo. [60] Um motor de polo sombreado tem uma parte enrolada de um polo que retarda a fase do campo magnético desse polo.
Os condutores de alguns motores elétricos consistem em metal mais espesso, como tiras ou folhas de metal, geralmente cobre ou alumínio. Estes são geralmente acionados por indução eletromagnética.
comutador
Ver artigo principal: Comutador (elétrico)
Pequeno motor DC para brinquedos e seu comutador
Um comutador é um mecanismo usado para alternar a entrada da maioria dos motores CC e alguns motores CA. Consiste em segmentos de anéis coletores isolados entre si e do eixo. A corrente de armadura do motor é fornecida através de escovas estacionárias em contato com o comutador rotativo, o que provoca a inversão de corrente necessária e conforme o rotor gira de pólo a póloAlimente o motor da melhor maneira possível. [61][62] Na ausência desta reversão de corrente, o motor irá frear até parar. Os motores de indução comutados externamente e de ímã permanente estão substituindo os motores comutados eletromecânicos, dada a tecnologia aprimorada nas áreas de controladores eletrônicos, controle sem sensor, motores de indução e motores de ímã permanente.
Fornecimento e controle do motor
Potência do motor
Como mencionado acima, os motores CC são normalmente alimentados por comutadores de anéis deslizantes. A comutação do motor CA pode ser conseguida usando um comutador de anel deslizante ou comutação externa, e pode ser do tipo de controle de velocidade fixa ou variável, e também pode ser do tipo síncrono ou assíncrono. Os motores elétricos de uso geral podem funcionar em CA ou CC.
Controle motor
Ao ajustar a tensão CC aplicada aos terminais, os motores CC podem funcionar em velocidades variáveis.
Os motores CA, geralmente funcionando em velocidade fixa, são alimentados diretamente da rede ou através de um soft starter do motor.
Os motores CA que operam em velocidade variável são alimentados por vários inversores de potência, inversores de frequência variável ou tecnologias de comutador eletrônico.
O termo comutador eletrônico é frequentemente associado a aplicações de motores CC sem escovas autocomutados e motores de relutância comutada.
