初期の電気モーター
ファラデーの電磁実験、1821年 最初の電気モーターは、1740 年代にスコットランドの修道士アンドリュー ゴードンとアメリカの実験者ベンジャミン フランクリンによる実験で説明された単純な静電装置でした。 その背後にある理論的原理であるクーロンの法則は、1771 年にヘンリー キャベンディッシュによって発見されましたが、まだ公開されていません。 この法則は、1785 年にシャルル オーギュスタン ド クーロンによって独自に発見されました。 [4] 1799 年に Alessandro Volta によって発明された電気化学セル [5] は、連続電流の生成を可能にしました。 1820 年に Hans Christianrsted が電磁相互作用として知られる電流と磁場の間の相互作用を発見した後、すぐに多くの進歩がありました。 André-Marie Ampère が電磁相互作用の最初の公式を開発し、電流と磁場の相互作用を説明する Ampère の力の法則を提案するのに、わずか数週間しかかかりませんでした。 機械力。 1821年、マイケル・ファラデーが初めて回転運動の効果を実証しました。 永久磁石 (PM) が配置された水銀槽に自由にぶら下がっているワイヤーを浸しました。 電流がワイヤに流れると、ワイヤは磁石の周りを回転します。これは、電流がワイヤの周りに狭い円形の磁場を作成することを示しています。 [7] このようなモーターは通常、(有毒な) 水銀の代わりに塩水を使用して、物理実験で実証されています。 バーロウの車輪はファラデーの実証の初期の改良であったが、これらおよび類似の単極モーターは 19 世紀の終わりまで実用化に適していなかった。
「電磁セルフローター」ジェドリック作、1827年（応用芸術美術館、ブダペスト）。 歴史的なモーターは今日でもうまく機能します。
1842年、グラスゴーのハンテリアン博物館でケルビンに電気モーターを見せるジェームズ・ジュール
1827 年、ハンガリーの物理学者ニョス イェドリクが電磁コイルの実験を開始しました。 Jedlik は整流子の発明によって連続回転の技術的問題を解決した後、彼の初期の装置を「電磁セルフローター」と呼んだ。 これらは教育用にのみ使用されていましたが、1828 年に Jedrick は実用的な DC モーターの 3 つの主要コンポーネントである固定子、回転子、整流子を含む最初の装置を実証しました。 固定部品と回転部品の磁場は、それらの巻線を流れる電流によってのみ生成されるため、デバイスは永久磁石を使用しません。
DCモーター
英国の科学者であるウィリアム・スタージョンは、1832 年に機械を回転させることができる最初の整流子 DC モーターを発明しました。スタージョンの研究に続いて、アメリカの発明家であるトーマス・ダベンポートが整流子型の DC モーターを製造し、1837 年に特許を取得しました。モーターは毎分 600 回転で動作し、電動工具と印刷機。 一次電池のコストが高かったため、電気モーターは商業的に成功せず、ダベンポートは倒産しました。 何人かの発明者がスタージョンに続いて DC モーターを開発しましたが、全員が同じバッテリー コストの問題に直面しました。 当時は配電システムがなかったため、これらのモーターの実際の商用市場はありませんでした。
プロイセンのモリッツ・フォン・ヤコビ (Moritz von Jacobi) は 1834 年 5 月に最初の実際の回転電気モーターを作成しました。これは並外れた機械的出力を生み出します。 彼のバイクは世界記録を樹立し、4 年後の 1838 年 9 月にヤコビがそれを更新しました。彼の 2 台目のバイクは、幅の広い川で 14- 人乗りのボートを運転できるほどパワフルでした。 また、1839/40 年には、他の開発者が同様の、そしてより高性能なモーターを作ることに成功しました。
1855 年、Jedlik は、彼の電磁スピンウィングで使用されたものと同様の原理を使用して、有用な作業を行うことができる装置を構築しました。 同年、彼は電気自動車のモデルを作りました。
大きな転換点は、1864 年にアントニオ・パチノッティが最初にトロイダル アーマチュアについて説明したときに訪れました (ただし、元々は DC 発電機 (発電機) で考えられていました)。 この機能には、互いに閉じた対称的にグループ化されたコイルがあり、ブラシがほとんど変動しない電流を提供する整流子のバーに接続されています。 最初の商業的に成功した DC モーターは、1871 年にパチノッティの設計を再発明し、ヴェルナー シーメンスのソリューションのいくつかを採用したゼノーベ グラムの開発に続きました。
DC モーターの利点は、1867 年にシーメンスによって発表され、パチノッティの観察を通じて発見されたモーターの可逆性に由来します。1869 年にグラハムが偶然それを証明したとき、1873 年のウィーン万国博覧会で、彼が 2 つのそれぞれのこれらの DC デバイスは互いに 2 km 以内にあり、そのうちの 1 つを発電機として、もう 1 つを電気モーターとして使用します。
ドラム・ローターは 1872 年に Siemens と Halske のフリードリッヒ・フォン・ヘフナー・アルテネック (Friedrich von Hefner-Alteneck) によってパチノッティのリング・アーマチュアを置き換えるために導入され、それによって機械の効率が向上した。 [6] 翌年、Siemens & Halske によって積層ローターが導入され、鉄損が減少し、誘導電圧が高くなりました。 1880 年、Jonas Wenstrm は回転子に巻線を収容するスロットを設け、効率をさらに向上させました。
1886 年、Frank Julian Sprague は、最初の実用的な DC モーターを発明しました。これは、変動する負荷の下で比較的一定の速度を維持するスパークのないデバイスです。 この頃、スプラーグの他の電気的発明はグリッドの配電性能を大幅に改善し (トーマス・エジソンの在任前に行われた作業)、電気モーターからの電力が架線とトロリーポールを介してグリッドに戻ることを可能にし、トロリーに電力を供給し、電気操作のための制御システム。 これにより、スプラーグは 1887 年から 1888 年にかけてバージニア州リッチモンドで電気モーターを使用した最初の電気トロリー システムを発明し、1892 年には電気エレベーターと制御システムを発明し、独立して動力を与えられる中央制御車両を備えた電気地下鉄を発明しました。 後者は 1892 年にサウスサイド高架鉄道によってシカゴで最初に設置され、口語的に "L" として知られていました。 Sprague の電気モーターとその関連発明は関心を集め、産業用電気モーターで広く使用されました。 ローターとステーターの間の空隙の重要性を認識できていないため、許容できる効率を備えた電気モーターの開発は何十年も遅れています。 効率的な設計では、エア ギャップが比較的小さくなります。 同じ理由で、運動の原理を説明するために教室で長い間使用されてきたセントルイスの車は、非常に効率が悪く、現代の車のようには見えません。
電気モーターは業界に革命をもたらしました。 産業プロセスは、シャフト、ベルト、圧縮空気、または油圧を使用した動力伝達によってもはや制限されません。 代わりに、各マシンに独自の電源を装備することができます。これは、使用中に簡単に制御でき、電力伝達効率を向上させることができます。 農業で使用される電気モーターは、穀物の取り扱いや水の汲み上げなどの作業から人間や動物の筋肉の力を奪います。 家庭で電気モーターを使用すると、家庭での重労働が軽減され、より高い水準の利便性、快適性、安全性が実現します。 今日、電気モーターは、米国で生産される電力の半分以上を消費しています。
ACモーター
1824 年、フランスの物理学者フランソワ アラゴは、スイッチを手動で開閉することによって、アラゴ回転として知られる回転磁場の存在を提案しました。これは、ウォルター ベイリーが 1879 年に最初の原始的な誘導モーターとして実証しました。 1880 年代に、多くの発明者が実行可能な AC モーターの開発を試みました [31]。長距離にわたる高電圧伝送における AC モーターの利点は、AC モーターで動作できないことによって相殺されました。
1885 年、ガリレオ フェラーリスは最初の AC 整流子のない誘導電動機を発明しました。 フェラーリは、1886 年に、より高度なユニットを製造することで、彼の最初の設計を改良しました。この原理は、電気モーターとして商業的に重要ではありません。」
可能性のある産業開発は、1887 年に自己完結型の誘導モーターを発明し、1888 年 5 月に特許を取得したニコラ・テスラによって考案されました。同年、テスラは AC モーターと変圧器用の新しいシステムの AIEE に関する論文を発表しました。 2 相 4 固定子極モーター タイプの 3 つの特許: 1 つは非自己始動リラクタンス モーターを形成する 4 極ローターを備え、もう 1 つは巻線型ローターが自己始動誘導モーターを構成し、3 番目のタイプは真の同期モータで、それぞれロータ巻線に励起 DC 電力を供給します。 ただし、1887 年にテスラが提出した特許には、短絡回転子誘導電動機も記載されていました。 ジョージ ウェスティングハウスはフェラーリから権利を取得し (1 ドル、000)、すぐにテスラの特許を購入し (60 ドル、000、さらに 1897 年に 2010 年に支払われるまで販売された馬力車あたり 2.50 ドル)[32]、テスラを雇って電気モーターを開発し、CF スコットにテスラの支援を依頼しました。 しかし、テスラは 1889 年に別の場所を去った。 [過度の引用] 一定速度の AC インダクション モーターは路面電車には適していないことがわかった [31] が、ウェスティングハウスの技術者は 1891 年にコロラド州テルライドでの採掘作業に電力を供給するためにそれを改造することに成功した。 [ [53][54][55] ウェスティングハウスは 1892 年に最初の実用的な誘導電動機を実現し、1893 年に多相 60 Hz 誘導電動機のファミリーを開発したが、これらの初期のウェスティングハウスの電動機は巻線型の 2 相電動機で製造された。 BG Lamme はその後、スピニングロッドを巻いたローターを開発しました。 [45]
三相の開発を断固として進めたミハイル・ドリーヴォ=ドブロヴォルスキーは、1889年にリス回転子と始動バリスタ付きの巻線型回転子を兼ねた三相誘導電動機を発明し、1890年には三アーム変圧器を発明した。 AEG と Maschinenfabrik Oerlikon の間で、Doliwo-Dobrowolski と Charles Eugene Lancelot Brown は、より大きなモデル、20 馬力のリスかごと 100 馬力の始動バリスター付きの巻線ローターを開発しました。 これらは、実用的な操作に適した最初の三相非同期モーターでした。 Winstrom は 1889 年以来、同様の三相機械を開発してきました。1891 年にフランクフルトで開催された国際電気技術展で、最初の長距離三相システムが成功裏に実証されました。 定格は 15 kV で、ネッカー川のラウフェン滝から 175 km 伸びています。 ラウフェン発電所は 240 kW 86 V 40 Hz のオルタネーターと昇圧変圧器で構成されていますが、展示会では降圧変圧器が 100 馬力の三相誘導電動機に電力を供給し、人工滝に電力を供給しています。オリジナルトランスフォーマーのトランスファー。 エネルギー源。 ] 三相誘導は現在、大部分の商用アプリケーションで使用されています。 しかし、彼は、テスラの電気モーターは 2 相の脈動のために実用的ではないと主張し、3 相の仕事に固執するよう促しました。
1891 年、GE は 3 相非同期モーター [45] の開発を開始し、1896 年までに、GE とウェスティングハウスはバー巻線ローター (後にケージ ローターとして知られる) の設計に関する相互ライセンス契約に署名した。 誘導電動機の改良は、これらの発明と技術革新に端を発し、100-馬力の誘導電動機は現在、1897 年の 7.5- 馬力の電動機と同じ取り付け寸法になっています。
コンポーネント
モーターローター（左）とステーター（右）
ローター[編集]
主な記事: ローター (電動)
電気モーターでは、可動部分はローターであり、シャフトを回転させて機械的動力を伝達します。 ローターには通常、ステーターの磁場と相互作用してシャフトを回転させる力を生み出す電流を運ぶ導体が含まれています。 あるいは、固定子が導体を保持している間に、一部の回転子は永久磁石を搭載しています。
ベアリング
ローターは、ローターがその軸を中心に回転できるようにするベアリングによって支えられています。 ベアリングは、モーターハウジングによって支持されています。 モーターシャフトはベアリングを通ってモーターの外側に伸び、そこで負荷がかかります。 一番外側のベアリングの外側に荷重の力がかかるため、荷重は吊り下げられます。 [59]
ステーター
主な記事: ステータ
固定子は、モーターの電磁回路の固定部分であり、通常は巻線または永久磁石で構成されています。 固定子コアは、ラミネーションと呼ばれる多くの薄い金属シートで構成されています。 ラミネーションは、ソリッドコアを使用した場合に生じるエネルギー損失を減らすために使用されます。
エアギャップ
ローターとステーターの間の距離はエアギャップと呼ばれます。 エア ギャップは大きな影響を与えますが、エア ギャップが大きいとパフォーマンスに大きな悪影響を与える可能性があるため、通常はできる限り小さくします。 これは、モーター動作の低力率の主な原因です。 エアギャップが増加すると、励起電流が増加します。 したがって、エア ギャップを最小限に抑える必要があります。 ノイズと損失に加えて、小さなギャップも機械的な問題を引き起こす可能性があります。
突極ローター
ワインディング[編集 ソースを編集]
主な記事: ワインディング
巻線はコイルに配置されたワイヤで、通常は積層されたソフト強磁性コアの周りに巻き付けられ、通電時に極を形成します。
モーターには、突極と非突極の 2 つの基本的な界磁極構成があります。 突極機では、磁極面の下の磁極に巻かれた巻線によって磁極の磁場が作られます。 非突極または分散界磁または円形回転子機では、巻線は磁極面スロットに分散されます。 [60] シェードポールモーターは、ポールの磁場の位相を遅らせるポールのコイル状部分を有する。
一部の電気モーターの導体は、通常は銅またはアルミニウムの金属ストリップまたはシートなどのより厚い金属で構成されています。 これらは通常、電磁誘導によって駆動されます。
整流子
主な記事: 整流子 (電気)
玩具用小型DCモータとその整流子
整流子は、ほとんどの DC モーターと一部の AC モーターの入力を切り替えるために使用されるメカニズムです。 これは、互いに絶縁されたスリップ リング セグメントとシャフトから絶縁されたスリップ リング セグメントで構成されています。 モーターの電機子電流は、回転整流子と接触する固定ブラシを介して供給されます。これにより、必要な電流反転が発生し、ローターが極から極へと回転するときに、可能な限り最良の方法でモーターに電力を供給します。 [61][62] この電流反転がない場合、モーターはブレーキをかけて停止します。 電子制御装置、センサーレス制御、誘導モーター、および永久磁石モーターの分野における技術の向上により、外部整流誘導モーターおよび永久磁石モーターが電気機械整流モーターに取って代わりつつあります。
モーターの供給と制御
モーターのパワー
前述のように、DC モーターは通常、スリップ リング整流子によって供給されます。 AC モーターの転流は、スリップ リング整流子または外部転流を使用して実現でき、固定速度または可変速度制御タイプにすることができ、同期または非同期タイプにすることもできます。 汎用電気モーターは、AC または DC のいずれかを実行できます。
モーター制御
端子に印加される DC 電圧を調整することにより、DC モーターは可変速度で動作することができます。
通常は固定速度で動作する AC モーターは、グリッドから直接、またはモーター ソフト スターターを介して電力を供給されます。
可変速度で動作する AC モーターは、さまざまな電力インバーター、可変周波数ドライブ、または電子整流子技術によって電力を供給されます。
電子整流子という用語は、多くの場合、自己整流ブラシレス DC モーターおよびスイッチ リラクタンス モーターのアプリケーションに関連付けられています。
