Słowo wstępne
Pierwsza moja książka dotycząca maszyn elektrycznych wzbudzanych magnesami trwałymi zatytułowana "Mikromaszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi" ISBN 83-85718-16-8 ukazała się nakładem Wydawnictwa Politechniki Śląskiej w 1995 r. Drugą rozszerzoną w treści książkę "Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi" ISBN 83-7335-087-X wydało także Wydawnictwo Politechniki Śląskiej w 2002 r. Minęło już zatem 16 lat; w tym czasie nastąpił znaczący rozwój budowy maszyn elektrycznych wzbudzanych magnesami trwałymi, ich sterowania. Silniki te znajdują coraz szersze zastosowanie. Obecnie silniki elektryczne z komutacją elektroniczną i prądnice są budowane o mocy znamionowej od kilku watów do megawatów. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu stosunkowo tanich magnesów trwałych ferrytowych i neodymowych o dużej energii. Silniki z komutacją elektroniczną wzbudzane magnesami trwałymi są napędami uniwersalnymi, pracują w czterech ćwiartkach układu współrzędnych moment-prędkość obrotowa i mogą zastąpić każdy inny układ napędowy, mając lepsze od niego parametry i właściwości. Na przykład w stosunku do silników indukcyjnych zasilanych z przekształtników mają:
- wyższą sprawność energetyczną,
- kilkakrotnie większą przeciążalność momentem,
- kilkakrotnie większą dynamikę działania,
- wyższą prędkość obrotową, nawet kilkadziesiąt tysięcy obrotów na minutę, podczas gdy w silnikach indukcyjnych maksymalna prędkość obrotowa nie przekracza 10000 obr/min.
W stosunku do silników komutatorowych prądu stałego zasilanych z przetwornic energoelektronicznych mają:
- wyższą sprawność energetyczną, brak strat mocy wzbudzenia i strat komutacyjnych,
- wyższą przeciążalność momentem, gdyż w silniku z komutatorem mechanicznym dopuszczalna przeciążalność jest ograniczana iskrzeniem szczotek zagrażającym wzbudzeniem łuku okrężnego na komutatorze,
- większą dynamikę działania, gdyż mają mniejszy moment bezwładności i większą przeciążalność momentem, znacznie większą trwałość, która w silniku prądu stałego jest determinowana przez komutator i szczotki.
Budowa i rozwój napędów samochodowych hybrydowych i elektrycznych bazuje na maszynach elektrycznych wzbudzanych magnesami trwałymi. W Polsce wiodącym ośrodkiem w tematyce napędów silnikami wzbudzanymi magnesami trwałymi, także napędów samochodów elektrycznych, jest Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych Komel w Katowicach. W napędach przemysłowych najnowsze aplikacje magnesów trwałych doprowadziły do konstrukcji silników synchronicznych z rozruchem asynchronicznym poprzez bezpośrednie załączenia silnika do sieci, co umożliwia pracę silników dużej mocy zasilanych z sieci 6 kV i 10 kV, bez stosowania falowników. Pierwsze w Polsce konstrukcje tych silników i ich aplikacje w napędach dużej mocy powstały w Instytucie Komel i na Politechnice Wrocławskiej. W Instytucie Komel podjęto próby stosowania magnesów trwałych także w silnikach indukcyjnych mniejszych mocy, ich celem jest podniesienie efektywności energetycznej ponad poziom Eff1. (Klasyfikacja CEMEP wyróżnia trzy klasy sprawności silników indukcyjnych klatkowych: Eff3 - sprawność standardowa, Eff2 - sprawność ulepszona, Eff1 - sprawność najwyższa). Pracuję w Instytucie Komel od 1997 roku, byłem inicjatorem wprowadzenia tej tematyki do badań w Instytucie. Wyniki tych badań, publikowane i referowane na konferencjach, były inspiracją dla innych zespołów badawczych głównie na Politechnikach: Wrocławskiej, Opolskiej, Krakowskiej, Poznańskiej, Rzeszowskiej i Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym.Śledzę na bieżąco rozwój maszyn elektrycznych wzbudzanych magnesami trwałymi i w obecnym wydaniu książki starałem się uwzględnić te osiągnięcia, przede wszystkim w rozdziałach ósmym i dziewiątym. W rozdziale pierwszym, przedstawiłem także historię rozwoju elektrotechniki i maszyn elektrycznych, wskazując twórców i ich dokonania.
Aby dobrze zrozumieć pracę silnika z komutatorem elektronicznym, należy poznać zasadę działania i właściwości silnika prądu stałego z komutatorem mechanicznym o trzech działkach, gdyż są to maszyny analogiczne zarówno co do budowy, jak i działania. Dlatego zdecydowałem się powtórzyć tu, w pełnym zakresie, teorię silnika o trzech działkach komutatora z wydania pierwszego książki.
Słowa wdzięczności i podziękowania za możliwość współpracy kieruję do Kolegów z Instytutu Komel: dyrektora dr hab. inż. Jakuba Bernatta prof. Instytutu Komel, dr inż. Stanisława Gawrona, dr inż. Artura Polaka, dr inż. Roberta Rossy i mgr inż. Tomasza Wolnika. W książce tej korzystałem z Waszych prac, za co Wam serdecznie dziękuję. Dziękuję pani dr hab. inż. Barbarze Kulesz z Politechniki Śląskiej za korektę tekstu, z której skorzystałem. Dziękuję za recenzję tekstu tego wydania książki, za uwagi i korektę mojemu przyjacielowi prof. dr. hab. inż. Ignacemu Dudzikowskiemu z Politechniki Wrocławskiej i pani dr hab. inż. Barbarze Kulesz mojej najbliższej współpracownicy na Politechnice Śląskiej.
Gliwice, wrzesień 2017 r.
Tadeusz Glinka
1Historia rozwoju przetworników elektromechanicznych
1.1. Wstęp
1.2. Początkowy okres badań magnetyzmu i elektryczności
1.3. Twórcy elektrotechniki i maszyn elektrycznych
1.4. Rozwój teorii maszyn elektrycznych
1.5. Przemysł maszyn elektrycznych w Polsce
1.6. Podsumowanie
Literatura do rozdziału 1
1.1. Wstęp
Rozwój elektromechanicznych przetworników energii jest związany z odkryciem zjawisk i praw elektrotechniki. Historia rozwoju elektrotechniki jest dobrze znana i ma obszerną literaturę. Elektrotechnika jako nauka wywodzi się z fizyki, mechaniki i chemii. Wydzielenie się elektrotechniki jako samodzielnej nauki dokonało się w drugiej połowie XIX wieku. Wynalazki obejmujące przekazywanie informacji na odległość (telegraf, a później radio) oraz przetworniki elektromechaniczne były inspiracją zarówno do rozwoju teorii elektrotechniki, jak i nowych ciągle doskonalonych rozwiązań konstrukcyjnych przetworników elektromechanicznych, telegrafów, telefonów i radia. Przetwornikami elektromechanicznymi są prądnice i silniki, a także mikrofony i głośniki. Wynalazki z tematyki przetworników elektromechanicznych były inspiracją do powstawania i rozwoju innych rodzajów urządzeń elektrycznych. Dobrym przykładem jest radio, za twórcę którego początkowo uważano Guglielmo Marconiego (1874-1937), włoskiego fizyka i konstruktora, laureata Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w 1909 roku za wkład w rozwój telegrafii bezprzewodowej. Jednak bezprzewodowe nadawanie i odbieranie sygnałów za pomocą fal elektromagnetycznych było znane już od 1893 roku z patentów i eksperymentów Nikoli Tesli. Nikola Tesla wpisał się jako pionier elektrotechniki przede wszystkim w tematyce wirującego pola magnetycznego i przetworników elektromechanicznych prądu przemiennego. W 1896 roku, gdy Marconi składał pierwszy swój wniosek patentowy, Nikola Tesla posiadał już osiem patentów na generację fal wysokiej częstotliwości do celów transmisji. Procesy sądowe dotyczące unieważnienia patentów Marconiego ciągnęły się do 1943 roku, kiedy Sąd Najwyższy Stanów Zjednoczonych wydał prawomocny wyrok orzekający, że patenty Marconiego naruszają nie tylko patenty Tesli, w tym patent USA 645576, uważany obecnie za pierwszy patent "radiowy", ale również patenty innych wynalazców: Johna Stone i Olivera Lodge. Rozwój elektrotechniki, w początkowym pionierskim okresie, to jest w XIX wieku, jest tożsamy z rozwojem przetworników elektromechanicznych. Przypomnijmy genialnych twórców i najważniejsze daty tego rozwoju.
1.2. Początkowy okres badań magnetyzmu i elektryczności
Maszyny elektryczne należą do zbioru przetworników elektromechanicznych i charakteryzują się tym, że łączą w sobie pole magnetyczne i prąd elektryczny. Zjawisko elektrostatyki znali już starożytni Grecy. Tales z Miletu opisał zjawisko, że potarty kawałkiem futra bursztyn (gr. elektron) przyciąga skrawki różnych materiałów, lecz szybko traci właściwość przyciągania. Zjawisko magnetyzmu było znane w starożytności. Pierwotnie nazwą magnes określano rudy żelaza (magnetyt), które przyciągają kawałki żelaza lub inne magnesy. Magnesy początkowo używano w kompasach. Najdawniejsze urządzenie tego typu zostało skonstruowane w starożytnych Chinach. W nawigacji morskiej kompasy zaczęto stosować już w XII wieku. Dopiero William Gilbert (1544-1603), angielski fizyk i lekarz (rys. 1.1), jako pierwszy przeprowadził szczegółowe badania magnetyzmu. Odkrył zjawisko magnetyzmu ziemskiego i natężenie pola magnetycznego. Badał także elektryzowanie się ciał na skutek tarcia. Wykazał, że oprócz bursztynu można naelektryzować także inne materiały. Gilbert wprowadził do języka angielskiego nowe terminy, takie jak biegun magnetyczny, siła magnetyczna czy przyciąganie magnetyczne. Jako pierwszy spopularyzował termin "elektryczność". W 1600 roku opublikował, w języku łacińskim, dzieło De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (O magnesach i ciałach magnetycznych, oraz o wielkim magnesie Ziemi). Opisał w nim wiele doświadczeń z modelem Ziemi, z których wywnioskował, że Ziemia jest magnesem i dlatego igła kompasu wskazuje północ. Dziełem tym wszedł do historii jako twórca nowożytnej nauki o magnetyzmie.
Rys. 1.1. William Gilbert (1544-1603), angielski fizyk i lekarz
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/William_Gilbert_(fizyk)
Rys. 1.2. Otto von Guericke (1602-1686), niemiecki fizyk i inżynier
Źrółdło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Otto_von_Guericke
Rys. 1.3. Robert Boyle (1627-1691), chemik i fizyk brytyjski pochodzenia irlandzkiego
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Robert_Boyle
Poważne badania elektryczności zaczęto prowadzić dopiero w XVII i XVIII wieku. W 1651 roku Otto von Guericke (1602-1686), niemiecki fizyk i inżynier (rys. 1.2), wykorzystując zjawisko elektryzowania się ciał, zbudował pierwszą maszynę elektrostatyczną [1.16]. Robert Boyle (rys. 1.3) w 1675 roku zauważył, że oddziaływania elektrostatyczne przenikają próżnię. W 1729 roku Stephen Grey podzielił materiały na przewodniki i izolatory.
Rys. 1.4. Butelka lejdejska - pierwszy kondensator Ewalda von Kleita
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Butelka_lejdejska
W 1745 roku Ewald Jürgen Georg von Kleit (1700-1748) zbudował kondensator - butelkę lejdejską (rys. 1.4). Nazwę swą zawdzięcza fizykom z Lejdy, którzy odkryli efekt magazynowania ładunków elektrycznych w butelce z elektrodami wewnętrzną i zewnętrzną trzy miesiące później, lecz to oni zarejestrowali ją w Akademii w Paryżu. Wkrótce badania nad elektrostatyką doprowadziły do pojęcia prądu elektrycznego. Spostrzeżono, że zjawisku elektryzowania się ciał towarzyszy pojawianie się iskier, co nasunęło hipotezę o elektrycznym pochodzeniu piorunów, którą udowodnił doświadczalnie, w 1752 roku, Benjamin Franklin (rys. 1.5).
Rys. 1.5. Benjamin Franklin (1706-1790), amerykański polityk, drukarz, uczony, filozof i wolnomularz. Jeden z ojców - założycieli Stanów Zjednoczonych Ameryki
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin
Rys. 1.6. Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), fizyk francuski
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Charles_Coulomb
Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), fizyk francuski (rys. 1.6), od 1773 roku prowadził badania: magnetyzmu, teorii maszyn prostych i elektrostatyki. Od 1781 roku był członkiem Francuskiej Akademii Nauk. W 1785 roku na podstawie wielu precyzyjnych eksperymentów przeprowadzonych za pomocą wagi skręceń sformułował prawo nazwane od jego nazwiska prawem Coulomba, będące podstawowym prawem elektrostatyki: Siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Rozwinął teorię elektryzowania powierzchniowego przewodników. W 1786 roku odkrył zjawisko ekranowania elektrycznego, a w 1789 roku wprowadził pojęcie momentu magnetycznego [1.8-1.10].
W 1775 roku eksperymenty naukowe Alessandro Volty (1745-1827), włoskiego fizyka i chemika (rys. 1.7), doprowadziły do wynalezienia urządzenia wytwarzającego statyczny ładunek elektryczny - maszyny elektrostatycznej. W 1781 roku Volta skonstruował elektroskop, umożliwiający pomiary elektryczności. W 1782 roku skonstruował kondensator. W 1800 roku wynalazł ogniwo galwaniczne, tzw. stos Volty (rys. 1.8), poprzez zanurzenie płytek miedzi i cynku w wodnym roztworze kwasu siarkowego, a w 1801 roku zaprezentował go Napoleonowi Bonaparte [1.41]. Zafascynowany cesarz uczynił go hrabią, senatorem Królestwa Włoch, odznaczył go specjalnym medalem i wyznaczył mu bardzo wysoką stałą pensję. Prócz tego Volta otrzymał także Legię Honorową. W 1779 roku Alessandro Volta został profesorem fizyki na uniwersytecie w Pawii. Zajmował to stanowisko przez 25 lat. Jednak dopiero w XIX wieku badania w tym temacie zaczęły przyspieszać.
Rys. 1.7. Alessandro Volta (1745-1827), włoski fizyk i chemik
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta
Rys. 1.8. Naczyniowa bateria Volty [1.41]
1.3. Twórcy elektrotechniki i maszyn elektrycznych
Badania elektryczności prowadzone w XIX wieku przyniosły epokowe odkrycia, udało się ustalić i opisać najważniejsze prawa rządzące elektrycznością. Autorzy najważniejszych odkryć, które zdeterminowały obecną konstrukcję maszyn elektrycznych i transformatorów, zostaną przedstawieni w kolejności. Pierwszym był Hans Christian Oersted (1777-1851), duński fizyk i chemik, który odkrył zjawisko elektromagnetyzmu (rys. 1.9). W 1820 roku w prostym eksperymencie pokazał, że igła kompasu odchyla się pod wpływem prądu w przewodzie i tym samym odkrył zjawisko oddziaływania między elektrycznością i magnetyzmem [1.25].
Rys. 1.9. Hans Christian Oersted (1777-1851), duński fizyk i chemik, i jego pomnik w Kopenhadze
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Hans_Christian_?rsted
Doświadczenie Oersteda wykorzystał André Marie Amp?r (1775-1836), francuski fizyk i matematyk (rys. 1.10). Amp?r opracował teorię zjawiska łączącego prąd elektryczny z magnetyzmem. Postawił tezę, że prąd płynący przez cewkę złożoną z nawiniętych na walcu zwojów z drutu miedzianego wykazuje takie same właściwości jak magnes stały. Zbudował taką cewkę i na drodze doświadczalnej potwierdził postawioną tezę. Opisał matematycznie ilościowe zależności pomiędzy zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi i sformułował tzw. prawo Amp?ra: Całka liniowa wektora natężenia pola magnetycznego liczona po krzywej zamkniętej jest proporcjonalna do wypadkowego prądu otoczonego tą krzywą [1.1]. Prawo to wynika z matematycznego twierdzenia Stokesa (1817-1903): Cyrkulacja pola wektorowego po zamkniętym i zorientowanym konturze gładkim jest równa strumieniowi rotacji pola przez dowolną powierzchnię ograniczoną tym konturem. Twierdzenie to odgrywa ważną rolę w teorii pól: w mechanice płynów, równaniach Maxwella i wielu innych. Amp?r zaproponował podział nauki o elektryczności na dwa działy: elektrostatykę i elektrodynamikę, podział ten utrzymuje się do dnia dzisiejszego. Sformułował podstawy teoretyczne elektrodynamiki. Najważniejsza praca Amp?ra o elektryczności i magnetyzmie, zwieńczająca jego dokonania w tej dziedzinie, opublikowana w 1826 roku, była zatytułowana: Traktat o matematycznej teorii zjawisk elektrodynamicznych opartej wyłącznie na eksperymentach. W 1879 roku Maxwell pisząc o tym dziele nazwał Amp?ra Newtonem elektryki, a pracę scharakteryzował jako najbłyskotliwsze osiągnięcie nauki, gdyż z podanych formuł można wywieść wszystkie zjawiska elektrodynamiki. Amp?r jest uważany za twórcę podstaw współczesnej elektrodynamiki. Dzień 10 czerwca (rocznica śmierci Amp?ra) jest uznany jako święto elektryków.
Rys. 1.10. André Marie Amp?r (1775-1836), francuski fizyk i matematyk
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/André_Amp?re
Niezależnie od Oersteda, angielski fizyk i chemik Michael Faraday (1791-1867) (rys. 1.11) w 1821 roku zaobserwował ruch przewodników z prądem znajdujących się w polu magnetycznym. Wykorzystując to zjawisko Faraday zbudował prototyp przetwornika elektromechanicznego. W 1831 roku Faraday odkrył prawo indukcji elektromagnetycznej: Napięcie indukowane w cewce jest proporcjonalne do liczby zwojów cewki i szybkości zmiany (pochodnej) strumienia magnetycznego sprzęgniętego z tą cewką (rys. 1.12). Faraday jest uważany za ojca teorii pola elektromagnetycznego.
Rys. 1.11. Michael Faraday (1791-1867), angielski fizyk i chemik
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Michael_Faraday
Rys. 1.12. Demonstracja indukcji elektromagnetycznej przez Faradaya [1.11]
Prawo Faradaya ma podstawowe znaczenie w teorii elektromagnetyzmu. Indukcja elektromagnetyczna jest wykorzystana do wytwarzania prądu elektrycznego, co zademonstrował sam Faraday, budując pierwszą prądnicę unipolarną.
Charles Wheatstone (1802-1875) był naukowcem i wynalazcą angielskim: w tym harmonijki, stereoskopu (urządzenia do wyświetlania obrazów trójwymiarowych), szyfru Playfair (techniki szyfrowania) i innych (rys. 1.13). Jednak najbardziej znany jest jego wkład w rozwój telegrafii i mostka do pomiaru rezystancji, tzw. mostka Wheatstone'a, który opracował wspólnie z Samuelem Hunterem Christienem (1784-1865), brytyjskim naukowcem i matematykiem. Wheatstone pierwszy dokonał pomiaru prędkości prądu elektrycznego w przewodzie.
Rys. 1.13. Charles Wheatstone (1802-1875), naukowiec i wynalazca angielski
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Charles_Wheatstone
Wheatstone wspólnie z Williamem Fothergillem Cookiem (1806-1879) wynalazcą angielskim, wynaleźli telegraf elektryczny, który opatentowali w 1837 roku, a wraz z Johnem Lewis Ricardo (1812-1862) w 1846 roku założyli Electric Telegraph Company, pierwszą na świecie firmę telegraficzną. Za swoje wynalazki Wheatstone został uhonorowany tytułem szlacheckim. Wynaleziony przez Wheatstone'a i Cooka, na potrzeby telegrafu, komutator znalazł zastosowanie w maszynach elektrycznych prądu stałego.
Duży wkład w rozwój teorii elektrotechniki ma James Clerk Maxwell (1831-1879), szkocki fizyk i matematyk (rys. 1.14). Maxwell udowodnił, że elektryczność i magnetyzm tworzą jedno zjawisko, elektromagnetyzm. W 1861 roku wyprowadził cztery podstawowe równania elektrodynamiki wiążące pole elektryczne i pole magnetyczne, zwane od jego nazwiska równaniami Maxwella. Wykazał, że pole elektromagnetyczne ma postać fali i rozchodzi się w próżni z prędkością światła, wysnuł wniosek, że światło jest także falą elektromagnetyczną [1.13, 1.23].
Rys. 1.14. James Clerk Maxwell (1831-1879), szkocki fizyk i matematyk
Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell
Odkrycia elektromagnetyzmu, elektrodynamiki i komutatora zapoczątkowały rozwój elektromechanicznych przetworników energii. Fizyk i elektrotechnik Moritz Jacobi (1801-1874) urodził się w Poczdamie, lecz od 1837 roku mieszkał i pracował w Petersburgu (rys. 1.15). Jacobi zbudował pierwszy komutatorowy silnik elektryczny prądu stałego zasilany z baterii elektrycznej (rys. 1.16). W listopadzie 1834 roku Jacobi wysłał raport na temat tego silnika do Akademii Nauk w Paryżu, a latem 1835 roku opublikował szczegółowe memorandum naukowe, które było podstawą do nadania mu tytułu doktora honoris causa na Wydziale Filozoficznym Uniwersytetu w Królewcu [1.19]. W 1843 roku zbudował linię telegraficzną Petersburg-Carskie Sioło. Konstruował kable energetyczne, ogniwa elektryczne, aparaty telegraficzne. Stworzył podstawy galwanotechniki. Był członkiem Petersburskiej Akademii Nauk. Jacobi jest pierwszym, który zbudował wirujący silnik elektryczny (rys. 1.16).
