Krótka historia elektrycznego silnika

Silnik elektryczny to urządzenie służące do przetwarzania energii elektrycznej na pracę mechaniczną. Głównymi jego częściami z reguły są: stojan z jedną lub kilkoma parami elektromagnesów oraz wirnik z uzwojeniem twornikowym.

 

Ze względu na rodzaj pobieranego prądu rozróżnia się silniki prądu stałego oraz zmiennego (synchroniczne i asynchroniczne). Ze względu na charakter prądu przemiennego: jednofazowe i trójfazowe. Z uwagi na zasadę działania: silniki indukcyjne (najczęściej spotykane), synchroniczne i komutatorowe (coraz rzadziej używane). W zależności od budowy wirnika wyodrębnia się silniki indukcyjne klatkowe i pierścieniowe. Wspólną grupę stanowią też silniki uniwersalne, które mogą

być zasilane prądem stałym i zmiennym, stosowane najczęściej do napędu sprzętu AGD i elektronarzędzi. A są jeszcze silniki indukcyjne liniowe, które upowszechniły się niedawno, o których nadmieniamy na koniec, osobno.

Pośród narzędzi albo ich agregatów, czyli urządzeń, które są najbardziej znamienne dla cywilizacji technicznej, do najważniejszych z pewnością należy silnik elektryczny. Jego nazwa oddaje najlepiej charakter ewolucji technicznej, a tym samym rozwoju przemysłu, do którego zalicza się energetykę. Elektryczność natomiast była znana człowiekowi od niepamiętnych czasów. Kojarzyła się głównie z piorunami i różnymi ładunkami elektrycznymi, których efektem było iskrzenie albo zdolność przyciągania innych materiałów. Trzeba było jednak długich wieków rozwoju nauki i techniki, zanim człowiek zdołał w pełni ją rozpoznać, zapanować nad nią i dostosować do sowich potrzeb. A odkrycie silnika elektrycznego i prądnicy – bo oba te urządzenia właściwie trzeba traktować zamiennie – łączy się bezpośrednio z odkryciem związku magnetyzmu z elektrycznością.

I tak, w roku 1820, Duńczyk Christaian Orested zauważył, że igła magnetyczna umieszczona równolegle do przewodu odchyla się, kiedy przez przewód ten przepływa prąd elektryczny. Odkrycie to zaintrygowało znamienitego już angielskiego uczonego Michaela Faradaya. Zadał on sobie pytanie, czy za pomocą pola magnetycznego nie da się wytworzyć elektrycznego prądu? Próbując znaleźć odpowiedź, przeprowadził wiele doświadczeń, w wyniku których udało mu się zaobserwować zjawisko, nazwane później indukcją elektromagnetyczną. Wykazał zatem, że przewód, w którym płynie prąd, działa podobnie jak magnes. Następnie zauważył, że w przewodniku powstaje prąd elektryczny, kiedy zbliżamy lub oddalmy od niego magnes. Odkrycie to stanowi podstawę działania prądnicy. A działanie prądnicy można w zasadzie zawsze odwrócić – gdy zasilamy ją prądem elektrycznym, zacznie pracować jak silnik. Samo doświadczenie Faradaya natomiast, zwane „obwody elektryczne’, było bardzo proste. Polegało na zanurzeniu jednego końca drutu w rtęci wypełniającej naczynie. Pośrodku naczynia umieścił magnes sztabkowy. Podłączając baterię do góry przewodu i rtęci w naczyniu, wprawił drut w ruch obrotowy wokół magnesu – zaczęło się kręcić.

Wykorzystując odkrycie Faradaya, już w roku 1822 Philip Barlow jako pierwszy skonstruował prototyp silnika elektrycznego – zwanego później Kołem Barlowa. Za twórcę maszyny elektrycznej uznaje się jednak Faradaya, który w 1831 roku zbudował pierwszy model silnika elektrycznego – była to owa słynna tzw. tarcza Faradaya. Pierwszą maszynę elektryczną mającą praktyczne znaczenie skonstruował jednak w 1834 roku fizyk rosyjski, niemieckiego pochodzenia, M.H. Jacobi. Jego silnik prądu stałego z komutatorem zastosowany został do napędu małego statku rzecznego. Natomiast pierwszy patent silnika elektrycznego został opracowany w roku 1837 przez Thomasa Davenporta (swój pierwszy silnik prądu stałego zbudował on już w roku 1834 i użył go do napędu kolejki elektrycznej – zabawki). Silnik z 1837 roku wyposażony był w elektromagnes i osiągał prędkość 450 obr./min, a konstruktor używał go do napędu wiertarki i tokarki do drewna. Nieco później Davenport zbudował jeszcze większy silnik, napędzający rotacyjną prasę drukarską, na której rozpoczął druk pierwszego w USA czasopisma poświęconego elektryczności.

Jak nadmieniliśmy wcześniej – gdy zasilać prądnicę prądem, zaczyna działać jak silnik – dlatego prądnica i silnik mają też wspólną historię. I tak, około 1845 roku, w prądnicach zaczęto wytwarzać potrzebne pole magnetyczne za pomocą elektromagnesów, zasilanych prądem z ogniw galwanicznych lub

z innych prądnic (co pozwalało uzyskiwać silniejsze prądy). Doniosłym upowszechnieniem konstrukcyjnym był wynalazek prądnicy samowzbudnej (słynne dynamo) dokonany przez W. von Siemensa w 1866 roku. Wykorzystał on znane od kilku lat zjawisko, że elektromagnes, przez który nie płynie żaden prąd, ma niewielkie, szczątkowe pole magnetyczne. Dzięki temu, po obrocie wirnika, pojawia się w tym ostatnim bardzo słaby prąd. Siemens obmyślił układ, w którym ten słaby prąd z wirnika zasilał elektromagnesy, aby wzmocnić ich pole magnetyczne, to zaś z kolei zwiększało natężenie prądu w wirniku itd., tak że po chwili prądnica pracowała już pełną mocą.

Dalszym udoskonaleniem tego rozwiązania była prądnica prądu stałego pomysłu A. Pacinottiego, którą ulepszył niejaki Gramme, młody stolarz modelowy z paryskiej fabryki maszyn elektrycznych, który później stał się zdolnym konstruktorem. Maszyna Gramme’a, choć pomyślana była jako prądnica samowzbudna, okazała się też dość dobrym silnikiem, pierwszym bardziej znanym silnikiem elektrycznym.

Po wynalezieniu w latach 1884-85 transformatora, pozwalającego przesyłać prąd zmienny o wysokim napięciu prawie bez strat na duże odległości, zaczęły wywalczać sobie pierwszeństwo maszyny prądu zmiennego. Decydującym krokiem w rozwoju silnika zmiennego prądu było wynalezienie silnika asynchronicznego, czyli indukcyjnego.

Nazwa „asynchroniczny” (niezgodny w czasie) pochodzi stąd, że prędkość obrotowa wirnika jest nieco mniejsza od prędkości wirowania pola magnetycznego. W silniku tym wirujące pole magnetyczne, powstające przy przepływie prądu zmiennego przez uzwojenie stojana, działa na prąd, który jest indukowany przez to pole w uzwojeniu wirnika. Powstają dzięki temu siły mechaniczne powodujące obrót wirnika. Takie silniki są pewne w działaniu i proste w budowie. Ważne jest przy tym to, że same ruszają po włączeniu prądu.

Pierwszy silnik asynchroniczny zbudował J. N. Tesla w 1887 roku, opierając się na wcześniejszych studiach G. Ferrarisa nad wirującym polem magnetycznym. Silnik Tesli był dwufazowy i dlatego obarczony poważnymi wadami. Znakomitym natomiast okazał się silnik trójfazowy, z wirnikiem klatkowym, zbudowany przez Polaka M. Doliwo-Dobrowolskiego w 1889 roku.

W tym mnogim obszarze odkryć wypadało by też wspomnieć „wynalazcę wynalazków”, czyli Thomasa Alva Edisona, który w 1880 roku zbudował miniaturowy silnik, aby napędzać pióro do sporządzania kropkowanych matryc powielaczowych. Silnik Edisona miał wymiary 2,5 cm na 4 cm i osiągał 4 tysiące obr./min, napędzając drgającą igłę w obsadce, która wykłuwała w matrycy otworki, układające się w kontur liter. Całość zasilała dwuogniskowa bateria. Elektroniczne pióro Edisona – wyprodukowano ich około 60 tysięcy sztuk! – skutecznie powielało dokumenty, a wyeliminował je dopiero wynalazek maszyny do pisania.

Kolejnym przełomem w wykorzystaniu i produkcji silników elektrycznych były silniki indukcyjne liniowe. I choć odkryto je jeszcze w XIX wieku, upowszechniły się dość późno, bo dopiero w drugiej połowie XX wieku. Trzeba nam przy tym nadmienić, iż silniki liniowe działają na podobnej zasadzie jak silniki indukcyjne prądu przemiennego, z tą różnicą, że zamiast pola magnetycznego wirującego występuje w nich pole przemieszczające się liniowo. Tym samym, zamiast ruchu obrotowego, który powstaje w zwykłym silniku wirującym, w silniku liniowym występuje ruch postępowy. To, co je bezspornie wyróżnia, to prędkość, niezawodność i szeroki zakres zastosowań – od super szybkich pociągów, przez cały szereg przesuwaczy, popychaczy, itd., po instalacje reaktorów atomowych i rakiet.

Pierwszy patent odnoszący się

do silników indukcyjnych liniowych złożony był już ponoć w 1890 r. przez burmistrza Pittsburgha. W 1895 r. powstał brytyjski patent złożony przez Jacquarda, Weavera i Electric Shuttle Company na silnik elektryczny do napędzania czółenka w krośnie. Pierwszą propozycję zastosowania silnika liniowego do napędu pociągu zgłoszono w 1905 r., ale dopiero po pół wieku zastosowano taki silnik w trakcji. Tak duże opóźnienie nie wynikało z przyczyn technicznych czy materiałowych, ale z braku potrzeb. Inne tańsze i prostsze formy napędu spełniały istniejące wówczas potrzeby, co do prędkości, przyspieszenia i pewności ruchu.

Pierwsze na większą skalę praktyczne zastosowanie silnika liniowego w transporcie nastąpiło dopiero w 1946 roku w USA – firma Westinghouse wykonała urządzenie pod nazwą „Electropult” do nadawania przyspieszenia samolotom na pasach startowych. Począwszy od 1950 roku silnik indukcyjny liniowy staje się obiektem ogólnego zainteresowania, a zakres tych zastosowań nie ogranicza się już tylko do przemysłu tekstylnego i trakcji.

W roku 1954, na przykład, zbudowano w Franborough w Anglii silnik liniowy prądu stałego o dużej prędkości, który w tunelu aerodynamicznym mógł nadawać masom kilku kg prędkość ok. 450 m/s. W latach sześćdziesiątych XX wieku wprowadzona zostaje nowa wersja, pośrednia, silników indukcyjnych o ruchu wahadłowym. A w ostatnich dziesięcioleciach XX wieku mnożą się już prace teoretyczne i wdrożeniowe nad silnikami liniowymi, skupiając uwagę badaczy i inżynierów zainteresowanych konstrukcją pojazdów bardzoszybkich.