motor listrik awal
Eksperimen elektromagnetik Faraday, 1821 Motor listrik pertama adalah perangkat elektrostatik sederhana, dijelaskan dalam eksperimen oleh biarawan Skotlandia Andrew Gordon dan eksperimen Amerika Benjamin Franklin pada 1740-an. Prinsip teoretis di baliknya, hukum Coulomb, ditemukan oleh Henry Cavendish pada tahun 1771, tetapi belum dipublikasikan. Hukum itu ditemukan secara independen pada tahun 1785 oleh Charles-Augustin de Coulomb, yang menerbitkannya dan sekarang dikenal luas beserta namanya. [4] Sel elektrokimia [5] ditemukan oleh Alessandro Volta pada tahun 1799 memungkinkan untuk menghasilkan arus kontinu. Setelah penemuan interaksi antara arus dan medan magnet ini, yang dikenal sebagai interaksi elektromagnetik oleh Hans Christianrsted pada tahun 1820, banyak kemajuan segera dibuat. André-Marie Ampre hanya membutuhkan beberapa minggu untuk mengembangkan formula pertama untuk interaksi elektromagnetik dan untuk mengusulkan hukum gaya Ampre, yang menggambarkan interaksi arus listrik dan medan magnet. kekuatan mekanik. Pada tahun 1821, Michael Faraday mendemonstrasikan efek gerak rotasi untuk pertama kalinya. Sebuah kawat gantung bebas dicelupkan ke dalam bak air raksa di mana magnet permanen (PM) ditempatkan. Ketika arus dilewatkan melalui kawat, kawat berputar di sekitar magnet, menunjukkan bahwa arus menciptakan medan magnet melingkar yang rapat di sekitar kawat. [7] Motor tersebut biasanya ditunjukkan dalam eksperimen fisik, menggantikan air garam untuk merkuri (beracun). Roda Barlow adalah perbaikan awal pada demonstrasi Faraday itu, meskipun ini dan motor homopolar serupa tidak cocok untuk penggunaan praktis sampai akhir abad ini.
"Rotor Diri Elektromagnetik" oleh Jedlik, 1827 (Museum Seni Terapan, Budapest). Motor bersejarah masih bekerja dengan baik hari ini.
James Joule menunjukkan Kelvin sebuah motor listrik di Museum Hunterian di Glasgow pada tahun 1842
Pada tahun 1827, fisikawan Hungaria nyos Jedlik mulai bereksperimen dengan kumparan elektromagnetik. Setelah Jedlik memecahkan masalah teknis rotasi kontinu dengan penemuan komutator, ia menyebut perangkat awalnya sebagai "rotor mandiri elektromagnetik". Meskipun hanya digunakan untuk mengajar, pada tahun 1828 Jedrick mendemonstrasikan perangkat pertama yang berisi tiga komponen utama motor DC praktis: stator, rotor, dan komutator. Perangkat tidak menggunakan magnet permanen karena medan magnet komponen stasioner dan berputar hanya dihasilkan oleh arus yang mengalir melalui belitannya.
motor DC
Ilmuwan Inggris William Sturgeon menemukan motor DC komutator pertama yang mampu memutar mesin pada tahun 1832. Mengikuti pekerjaan Sturgeon, penemu Amerika Thomas Davenport membangun motor DC tipe komutator, yang dipatenkannya pada tahun 1837. Motor berjalan pada 600 putaran per menit dan bertenaga perkakas listrik dan mesin cetak. Karena tingginya biaya baterai primer, motor listrik tidak sukses secara komersial, dan Davenport bangkrut. Beberapa penemu mengikuti Sturgeon untuk mengembangkan motor DC, tetapi mereka semua mengalami masalah biaya baterai yang sama. Tanpa sistem distribusi daya yang tersedia pada saat itu, tidak ada pasar komersial yang sebenarnya untuk motor ini.
Setelah banyak upaya lain yang kurang lebih berhasil dengan perangkat berputar dan bolak-balik yang relatif lemah, Moritz von Jacobi dari Prusia menciptakan motor listrik berputar nyata pertama pada Mei 1834. Ini menghasilkan output mekanis yang luar biasa. Sepeda motornya memecahkan rekor dunia, yang ditingkatkan Jacobi empat tahun kemudian pada bulan September 1838. Moto keduanya cukup kuat untuk mengendarai 14-perahu orang di sungai yang lebar. Juga pada tahun 1839/40, pengembang lain berhasil membuat motor serupa, kemudian kinerjanya lebih tinggi.
Pada tahun 1855, Jedlik membangun sebuah alat yang mampu melakukan pekerjaan yang berguna dengan menggunakan prinsip-prinsip yang serupa dengan yang digunakan oleh sayap-putar elektromagnetiknya. Pada tahun yang sama, ia membangun model mobil listrik.
Titik balik utama datang pada tahun 1864, ketika Antonio Pacinotti pertama kali menggambarkan angker toroidal (walaupun awalnya disusun dalam generator DC (yaitu, generator)). Fitur ini memiliki kumparan yang dikelompokkan secara simetris yang tertutup satu sama lain dan terhubung ke batang komutator yang sikatnya memberikan arus yang hampir tidak berfluktuasi. Motor DC pertama yang sukses secara komersial mengikuti perkembangan Zénobe Gramme, yang pada tahun 1871 menemukan kembali desain Pacinotti dan mengadopsi beberapa solusi Werner Siemens.
Manfaat motor DC berasal dari reversibilitas motor, yang diumumkan oleh Siemens pada tahun 1867 dan ditemukan melalui pengamatan Pacinotti sampai pada tahun 1869 ketika Graham secara tidak sengaja membuktikannya, di Pameran Dunia Wina tahun 1873, ketika ia menempatkan dua Masing-masing dari perangkat DC ini berjarak 2 km satu sama lain, menggunakan salah satunya sebagai generator dan yang lainnya sebagai motor listrik.
Rotor drum diperkenalkan pada tahun 1872 oleh Friedrich von Hefner-Alteneck dari Siemens dan Halske untuk menggantikan jangkar cincin Pacinotti, sehingga meningkatkan efisiensi mesin. [6] Rotor berlaminasi diperkenalkan pada tahun berikutnya oleh Siemens & Halske, menghasilkan pengurangan rugi-rugi besi dan tegangan induksi yang lebih tinggi. Pada tahun 1880, Jonas Wenstrm menyediakan rotor dengan slot untuk mengakomodasi belitan, yang selanjutnya meningkatkan efisiensi.
Pada tahun 1886, Frank Julian Sprague menemukan motor DC praktis pertama, perangkat tanpa percikan yang mempertahankan kecepatan yang relatif konstan di bawah beban variabel. Sekitar waktu ini, penemuan listrik Sprague lainnya sangat meningkatkan kinerja distribusi daya jaringan (pekerjaan yang dilakukan sebelum masa Thomas Edison), memungkinkan daya dari motor listrik kembali ke jaringan, melalui kabel di atas kepala dan tiang troli memberi daya pada troli dan menyediakan sistem kontrol untuk operasi listrik. Hal ini mendorong Sprague untuk menemukan sistem troli listrik pertama yang menggunakan motor listrik di Richmond, Virginia pada tahun 1887-1888, lift listrik dan sistem kontrol pada tahun 1892, dan kereta bawah tanah listrik dengan mobil yang dikendalikan secara terpusat yang digerakkan secara independen. Yang terakhir ini pertama kali dipasang di Chicago pada tahun 1892 oleh South Side Elevated Railroad, di mana bahasa sehari-hari dikenal sebagai "L". Motor listrik Sprague dan penemuan-penemuannya yang terkait membangkitkan minat dan digunakan secara luas dalam motor listrik industri. Pengembangan motor listrik dengan efisiensi yang dapat diterima telah tertunda selama beberapa dekade karena kegagalan untuk mengenali pentingnya celah udara antara rotor dan stator. Desain yang efisien memiliki celah udara yang relatif kecil. Untuk alasan yang sama, mobil St. Louis, yang telah lama digunakan di ruang kelas untuk menggambarkan prinsip-prinsip gerak, sangat tidak efisien dan tidak terlihat seperti mobil modern.
Motor listrik telah merevolusi industri. Proses industri tidak lagi dibatasi oleh transmisi daya menggunakan poros, sabuk, udara tekan atau hidrolik. Sebagai gantinya, setiap mesin dapat dilengkapi dengan sumber dayanya sendiri, yang dapat dengan mudah dikontrol saat digunakan dan meningkatkan efisiensi transfer daya. Motor listrik yang digunakan dalam pertanian menghilangkan tenaga otot manusia dan hewan dari tugas-tugas seperti menangani biji-bijian atau memompa air. Penggunaan motor listrik di rumah mengurangi pekerjaan berat di rumah dan memungkinkan standar kenyamanan, kenyamanan, dan keamanan yang lebih tinggi. Saat ini, motor listrik mengkonsumsi lebih dari setengah listrik yang diproduksi di Amerika Serikat.
motor AC
Pada tahun 1824, fisikawan Prancis Franois Arago mengusulkan keberadaan medan magnet yang berputar, yang dikenal sebagai rotasi Arago, dengan membuka dan menutup sakelar secara manual, yang ditunjukkan oleh Walter Baily pada tahun 1879 sebagai motor induksi primitif pertama. Selama tahun 1880-an, banyak penemu berusaha untuk mengembangkan motor AC yang layak [31], karena keuntungan motor AC dalam transmisi tegangan tinggi jarak jauh diimbangi oleh ketidakmampuan untuk menjalankan motor AC.
Pada tahun 1885, Galileo Ferraris menemukan motor induksi tanpa komutator AC pertama. Ferrari memperbaiki desain pertamanya dengan memproduksi unit yang lebih maju pada tahun 1886. Pada tahun 1888, Royal Academy of Sciences di Turin menerbitkan studi rinci Ferrari tentang dasar pengoperasian motor listrik, tetapi pada saat itu menyimpulkan bahwa "perangkat yang didasarkan pada prinsip ini tidak dapat memiliki arti komersial sebagai motor listrik."
Kemungkinan pengembangan industri digagas oleh Nikola Tesla, yang menemukan motor induksi mandiri pada tahun 1887 dan mematenkannya pada Mei 1888. Pada tahun yang sama, Tesla mempresentasikan makalahnya tentang AIEE dari sistem baru untuk motor AC dan transformator seperti yang dijelaskan dalam tiga paten tipe motor kutub empat stator dua fase: satu dengan rotor empat kutub membentuk motor reluktansi yang tidak dapat memulai sendiri, dan yang lainnya dengan rotor belitan merupakan motor induksi yang dapat memulai sendiri, dan tipe ketiga adalah motor sinkron sejati, yang masing-masing memberikan daya eksitasi DC ke belitan rotor. Namun, paten yang diajukan oleh Tesla pada tahun 1887 juga menggambarkan motor induksi rotor hubung singkat. George Westinghouse telah memperoleh hak dari Ferraris ($1,000) dan segera membeli paten Tesla ($60,000, ditambah $2,50 per mobil bertenaga kuda yang dijual sampai tahun 1897 dibayar pada tahun 2010),[32] menyewa Tesla untuk mengembangkan motor listrik, dan menugaskan CF Scott untuk membantu Tesla; namun, Tesla meninggalkan tempat lain pada tahun 1889. [Kutipan berlebihan] Ditemukan bahwa motor induksi AC kecepatan konstan tidak cocok untuk trem, [31] tetapi para insinyur Westinghouse berhasil memasangnya untuk memberi daya pada operasi penambangan di Telluride, Colorado pada tahun 1891. [ 53][54][55] Westinghouse mewujudkan motor induksi praktis pertamanya pada tahun 1892 dan mengembangkan keluarga motor induksi polifase 60 Hz pada tahun 1893, tetapi motor Westinghouse awal ini dibuat dengan motor dua fase rotor belitan. BG Lamme selanjutnya mengembangkan rotor lilitan batang pemintal. [45]
Dalam mempromosikan pengembangan tiga fase, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky menemukan motor induksi tiga fase pada tahun 1889, yang merupakan jenis rotor tupai dan rotor belitan dengan varistor awal, dan pada tahun 1890 menemukan transformator tiga lengan. Antara AEG dan Maschinenfabrik Oerlikon, Doliwo-Dobrowolski dan Charles Eugene Lancelot Brown mengembangkan model yang lebih besar, sangkar tupai 20 hp dan rotor belitan 100 hp dengan varistor awal. Ini adalah motor asinkron tiga fase pertama yang cocok untuk operasi praktis. Winstrom telah mengembangkan mesin tiga fase yang serupa sejak tahun 1889. Pada Pameran Elektroteknik Internasional di Frankfurt pada tahun 1891, sistem tiga fase jarak jauh pertama berhasil didemonstrasikan. Itu dinilai pada 15 kV dan membentang 175 km dari Laufen Falls di Neckar. Pembangkit listrik Lauffen terdiri dari alternator 240 kW 86 V 40 Hz dan transformator step-up, sementara di pameran, transformator step-down memberi daya pada motor induksi tiga fase 100 hp yang menggerakkan air terjun buatan, mewakili transfer transformator asli. sumber energi. ] Induksi tiga fase sekarang digunakan di sebagian besar aplikasi komersial. Namun, dia mengklaim bahwa motor listrik Tesla tidak praktis karena denyut dua fase, mendorongnya untuk tetap pada pekerjaan tiga fase.
Pada tahun 1891, GE mulai mengembangkan motor asinkron tiga fase [45] pada tahun 1896, GE dan Westinghouse menandatangani perjanjian lisensi silang untuk desain rotor belitan batang, yang kemudian dikenal sebagai rotor sangkar. Perbaikan motor induksi berawal dari penemuan dan inovasi ini, sehingga motor induksi 100-tenaga kuda sekarang memiliki dimensi terpasang yang sama dengan motor 7.5-tenaga kuda tahun 1897.
komponen
Rotor motor (kiri) dan stator (kanan)
Rotor[sunting|sunting sumber]
Artikel utama: Rotor (listrik)
Pada motor listrik, bagian yang bergerak adalah rotor, yang memutar poros untuk mentransmisikan tenaga mekanik. Rotor biasanya berisi konduktor yang membawa arus yang berinteraksi dengan medan magnet stator untuk menciptakan gaya yang memutar poros. Atau, beberapa rotor membawa magnet permanen, sedangkan stator memegang konduktor.
bantalan
Rotor didukung oleh bantalan yang memungkinkan rotor berputar pada porosnya. Bantalan pada gilirannya didukung oleh rumah motor. Poros motor memanjang melalui bantalan ke bagian luar motor, di mana beban diterapkan. Karena gaya beban diterapkan di luar bantalan terluar, beban ditangguhkan. [59]
stator
Artikel utama: Stator
Stator adalah bagian tetap dari rangkaian elektromagnetik motor dan biasanya terdiri dari belitan atau magnet permanen. Inti stator terdiri dari banyak lembaran logam tipis yang disebut laminasi. Laminasi digunakan untuk mengurangi kehilangan energi yang akan terjadi jika inti padat digunakan.
celah udara
Jarak antara rotor dan stator disebut celah udara. Celah udara memiliki dampak yang signifikan dan biasanya sekecil mungkin, karena celah udara yang besar dapat memiliki dampak negatif yang kuat pada kinerja. Ini adalah sumber utama faktor daya rendah untuk operasi motor. Arus eksitasi meningkat seiring dengan meningkatnya celah udara. Oleh karena itu, celah udara harus diminimalkan. Selain kebisingan dan kerugian, celah kecil juga dapat menyebabkan masalah mekanis.
Rotor kutub menonjol
Berliku[sunting|sunting sumber]
Artikel utama: Berliku
Gulungan adalah kawat yang ditempatkan dalam kumparan, biasanya dililitkan di sekitar inti feromagnetik lunak yang dilaminasi, untuk membentuk kutub ketika diberi energi.
Motor datang dalam dua konfigurasi tiang medan dasar: menonjol dan tidak menonjol. Dalam mesin kutub menonjol, medan magnet kutub dibuat oleh belitan yang dililitkan pada kutub di bawah permukaan kutub. Pada mesin dengan kutub tidak menonjol atau medan terdistribusi atau rotor melingkar, belitan didistribusikan dalam slot muka kutub. [60] Sebuah motor kutub berbayang memiliki bagian melingkar dari kutub yang menghambat fase medan magnet kutub itu.
Konduktor dari beberapa motor listrik terdiri dari logam yang lebih tebal, seperti strip atau lembaran logam, biasanya tembaga, atau aluminium. Ini biasanya didorong oleh induksi elektromagnetik.
pembalik
Artikel utama: Komutator (listrik)
Motor DC kecil untuk mainan dan komutatornya
Komutator adalah mekanisme yang digunakan untuk mengganti input sebagian besar motor DC dan beberapa motor AC. Ini terdiri dari segmen cincin slip yang diisolasi satu sama lain dan dari poros. Arus jangkar motor disuplai melalui sikat stasioner yang bersentuhan dengan komutator yang berputar, yang menyebabkan pembalikan arus yang diperlukan dan saat rotor berputar dari kutub ke kutub. [61][62] Dengan tidak adanya pembalikan arus ini, motor akan mengerem hingga berhenti. Motor induksi komutasi eksternal dan motor magnet permanen menggantikan motor komutator elektromekanis, mengingat peningkatan teknologi di bidang pengontrol elektronik, kontrol tanpa sensor, motor induksi, dan motor magnet permanen.
Pasokan dan Kontrol Motor
Tenaga motor
Seperti disebutkan di atas, motor DC biasanya disuplai oleh komutator slip ring. Pergantian motor AC dapat dicapai dengan menggunakan komutator slip ring atau komutasi eksternal, dan dapat berupa tipe kontrol kecepatan tetap atau kecepatan variabel, dan juga dapat berupa tipe sinkron atau asinkron. Motor listrik tujuan umum dapat berjalan baik AC atau DC.
kontrol motorik
Dengan menyesuaikan tegangan DC yang diterapkan ke terminal, motor DC dapat berjalan pada kecepatan yang bervariasi.
Motor AC, biasanya berjalan pada kecepatan tetap, ditenagai langsung dari jaringan atau melalui starter lunak motor.
Motor AC yang beroperasi pada kecepatan variabel ditenagai oleh berbagai inverter daya, penggerak frekuensi variabel, atau teknologi komutator elektronik.
Istilah komutator elektronik sering dikaitkan dengan motor DC brushless self-commutated dan aplikasi motor reluktansi yang diaktifkan.
