Электродвигатель преобразует электроэнергию в энергию механического движения. Так же как и электрический генератор электродвигатель состоит обычно из статора и ротора, относясь к вращающимся электрическим машинам Выпускаются однако, двигатели у которых движущаяся часть совершает линейное (обычно прямолинейное движение (линейные двигатели).
Самым распространенным видом электродвигателей является трехфазный короткозамкнутый асинхронный двигатель принцип устройства которого представлен на рис. 1, роторная обмотка этого двигателя представляет собой систему массивных медных или алюминиевых стержней, размещенных параллельно друг другу в пазах ротора концы которых соединены между собой короткозамкнутыми кольцами.
Рис. 1. Принцип устройства короткозамкнутого асинхронного двигателя.
1- статор, 2 – ротор, 3 - вал, 4 - корпус
В случае применения алюминия вся обмотка (беличья клетка) обычно формируется путем литья под давлением. Вращающееся магнитное поле статора индуцирует в обмотке ротора ток, взаимодействие которого с магнитным полем статора приводит ротор во вращение. Скорость вращения ротора при этом всегда меньше чем магнитного поля статора и ее относительную разность со скоростью вращения магнитного поля статора (с синхронией скоростью) называют скольжением. Эта величина зависит от нагрузки на валу двигателя и составляет при полной нагрузке обычно 3… 5%. Для ступенчатого регулирования скорости может использоваться статорная обмотка с переключаемым числом полюсов по такому принципу могут выполняться, например, двух трех и четырехскоростные асинхронные двигатели. Для плавного регулирования скорости обычно осуществляется питание двигателя через регулируемый преобразователь частоты.
Для главного регулирования скорости асинхронного двигателя ниже номинальной ранее вместо короткозамкнутых двигателе использовались двигатели с фазным ротором, у которых роторная обмотка имеет такое же трехфазное исполнение как и статорная. Такая обмотка соединяется через контактные кольца, расположенные на валу двигателя с регулировочным реостатом где часть энергии потребляемой двигателем, превращается в тепло. Регулирование происходит, следовательно, за счет снижения КПД двигателя и в настоящее время применяется редко.
Короткозамкнутые асинхронные двигатели характеризуются своей компактностью и высокой надежностью, а также намного большим сроком службы, чем двигатели внутреннего сгорания. По размерам они обычно меньше и по массе легче, чем двигатели внутреннего сгорания той же мощности. Они могут изготовляться в очень большом диапазоне номинальных мощностей от нескольких ватт до нескольких десятков мегаватт. Двигатели малой мощности (до нескольких сотен ватт могут быть и однофазными.
Синхронные двигатели устроены так же, как и синхронные генераторы. При неизменной сетевой частоте они вращаются с постоянной скоростью не зависимо от нагрузки. Их преимуществом перед асинхронными двигателями считается то, что они не потребляют из сети реактивную энергию, а могут отдавать ее в сеть покрывая этим потребление реактивной энергии другими электроприемниками. Синхронные двигатели не подходят для частых пусков и применяются, главным образом, при относительно стабильной механической нагрузке и тогда, когда требуется постоянная скорость вращения.
Двигатели постоянного тока
используются при необходимости плавного регулирования скорости. Это достигается путем изменения тока якоря и/или возбуждения при помощи полупроводниковых устройств (раньше - с помощью регулировочных реостатов) или путем изменения напряжения питания. Так как в настоящее время легко и без существенного изменения КПД (при помощи преобразователей частоты) осуществляется и плавное регулирование скорости двигателей переменного тока, то двигатели постоянного тока, из-за их большей стоимости, больших размеров и дополнительных потерь, возникающих при регулировании, стали применяться значительно реже, чем раньше.
Шаговые двигатели приводят в движение при помощи импульсов напряжения. При каждом импульсе ротор двигателя поворачивается на определенный угол (например, на несколько градусов). Такие двигатели используются в тихоходных механизмах, требующих обычно еще точного позиционирования. Могут изготовляться, например, двигатели, совершающие один обо рот за сутки или даже за год.
Линейные двигатели используются для линейного движения, когда преобразование вращающегося движения в линейное при помощи механических передач или других устройств невозможно или неприемлемо. Наиболее часто применяются асинхронные линейные двигатели, но существуют также синхронные и шаговые линейные двигатели и даже двигатели постоянного тока.
Основными преимуществами электрических двигателей перед двигателями внутреннего сгорания могут считаться
- меньшие размеры, меньшая масса и меньшая стоимость,
- намного более высокий КПД (обычно 90 ..95%),
- лучшая регулируемость (обычно с сохранением высокого КПД),
- высокая надежность и долгий срок службы,
- меньший шум и меньшая вибрация при работе,
- быстрый и беспроблемный (при необходимости - плавный) пуск,
- намного более простая эксплуатация,
- отсутствие потребления топлива и, как результат, отсутствие выбросов продуктов сгорания в окружающую среду,
- легкое присоединение к любым рабочим машинам и механизмам.
Применение электродвигателей может оказаться проблемным в случае, когда они должны размещаться на переносных и передвижных устройствах или на транспортных средствах. Для электропитания в таких случаях могут применяться, в зависимости от дальности и характера передвижения,
- гибкие кабели,
- контактные провода или контактные шины,
- размещаемые на передвижных средствах источники питания (аккумуляторы, топливные элементы, двигатель-генераторы и т. п.).
Во многих случаях эти способы питания ограничивают маневренность или дальность пробега транспортных средств (особенно автомобилей) или других передвижных машин в такой степени что применение двигателей внутреннего сгорания остается более рациональным. Первый электродвигатель был не электромагнитным, а электростатическим и его изготовил в 1748 году издатель и общественный деятель города Филадельфия (Philadelphia, США) Бенджамин Франклин (Benjamin Franklin, 1706-1790). Ротор этого двигателя представлял собой зубчатый диск, на зубья которого действовали импульсные силы притяжения и отталкивания, вызываемые электростатическими разрядами, диск совершал 12...15 оборотов в минуту и мог нести до 100 серебряных монет. Первые электромагнитные двигатели (приборы, в которых либо проводник, через который протекал ток вращался вокруг стержневого магнита (рис. 2), совершая при этом работу - перемешивая ртуть, либо стержневой магнит вращался вокруг проводника с током, изобрел в 1821 году ассистент Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday).
Рис. 2. Принцип устройства опытного прибора Майкла Фарадея для демонстрации электрического вращения.
1 - вращающийся металлический стержень, 2 - стержневой магнит, 3 - стеклянный или фарфоровый сосуд, 4 - ртуть, 5 – уплотнение, i - ток
Первый (качающийся) двигатель, который, в принципе, можно было бы соединить с приводимой рабочей машиной, изготовил в 1831 году учитель математики и природоведения школы мальчиков города Албани (Albany, США) Джозеф Генри (Joseph Henry, 1797-1878); принцип устройства этого двигателя представлен на рис. 3.
Рис. 3. Принцип устройства качающегося электродвигателя Джозефа Генри.
1 - постоянные магниты, 2 - качающийся электромагнит, 3 - вал, 4 - ртутные контакты.
После двигателя Генри было создано еще несколько различных опытных электродвигателей возвратно-поступательного движения. Первый вращающийся электродвигатель создал с целью реального применения 8 апреля 1834 года инспектор порта Пиллау rPiilau, Восточная Пруссия), инженер-строитель Мориц Герман Яко6и (Moritz Hermann Jacobi. 1801-1874), изучавший самостоятельно электротехнику в библиотеке и в лабораториях Кенигсбергского университета. Восьмиполюсный двигатель, у которого как статор, так и ротор состояли из четырех подковообразных электромагнитов и который совершал 80… 120 оборотов в минуту, получал питание из батареи гальванических элементов напряжением 6V. Мощность его на валу была приблизительно 15 W а КПД - около 13%. Якоби исследовал и совершенствовал свои двигатель, между прочим, в Тартуском университете, профессором гражданской архитектуры которого он был избран в 1835 году.
Мориц Герман (позже, в России - Борис Семенович) Якоби родился в 1801 году в Потсдаме (Potsdam, Германия) в зажиточной семье и получил хорошее домашнее образование; уже в юношестве он одинаково свободно владел немецким, английским и французским языками и отлично знал также латынь и древнегреческий язык. В 1828 году он окончил Геттингенский университет (Gottingen Германия) с квалификацией архитектора, работал затем на строительстве дорог, а в 1833 году переехал в Кенигсберг, где его младший брат Карл Густав Яков Якоби (Carl Gustav Jacob Jacobi, 1804-1851) был профессором математики. Он стал работать инспектором порта Пиллау и посещать Кенигсбергский университет для приобретения знаний по электротехнике. В 1834 году он построил вышеупомянутый двигатель, а в 1835 году, по инициативе профессора астрономии Тартуского университета Фридриха Георга Вильгельма Струве (Friedrich Georg Wilhelm Struve, 1793-1864) он был избран профессором гражданской архитектуры этого университета. Его двигатель вызвал интерес в Петербурге, и в 1837 году Якоби был прикомандирован к столичной Академии Наук для разработки электропривода военных кораблей, оставаясь до 1840 года официально на службе в Тартуском университете. В 1838 году Якоби испытал на Неве первый в мире электропривод с вращающимся двигателем (установленный на морском боте), но дальнейшие исследования показали, что для электропитания привода, к сожалению, нет технически и экономически пригодного источника энергии.
В 1839 году Якоби был избран членом-корреспондентом, а в 1842 году - членом Академии Наук и в дальнейшем занимался, в основном, развитием электромагнитного телеграфа, гальванотехники и метрологии. Неоднократно он встречался с Майклом Фарадеем, известными французскими и немецкими физиками того времени.
В середине 19-го века было разработано еще несколько разновидностей двигателей постоянного тока, но их практическому применению воспрепятствовали малая мощность и, как установил уже Якоби, недостаточная экономическая эффективность источников электропитания того времени - гальванических элементов и примитивных электромашинных генераторов. Более широко применение электродвигателей стало возможным только в 1866 году после появления генераторов постоянного тока с самовозбуждением.
После появления многофазной системы переменного тока немецкая фирма АЭГ стала исследовать возможности использования асинхронных двигателей, изобретенных ее главным инженером Михаилом Доливо-Добровольским (на немецкий лад Michael von Dolivo-Dobrowolsky) и представил 8 марта 1889 заявление на патентование короткозамкнутого асинхронного двигателя. После этого началось широкое применение надежных и высокоэффективных двигателей переменного тока. В настоящее время все вышеназванные электродвигатели достигли очень высокого технического уровня и находят широчайшее применение в стационарных установках, а в последнее время все чаще и в средствах передвижения.
Электродвигатель – это электротехническое устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Сегодня повсеместно применяются электромоторы в промышленности для привода различных станков и механизмов. В домашнем хозяйстве они установлены в стиральной машине, холодильнике, соковыжималке, кухонном комбайне, вентиляторах, электробритвах и т. п. Электродвигатели приводят в движение, подключенные к ней устройства и механизмы.
В этой статье Я расскажу о самых распространенных видах и принципах работы электрических двигателей переменного тока, широко используемых в гараже, в домашнем хозяйстве или мастерской.
Как работает электродвигатель
Двигатель работает на основе эффекта , обнаруженного Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращение.
Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться. В результате рамка повернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент. На рисунке это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.
В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.
В быту же постоянные магниты используются в детских игрушках на батарейках.
В других же более мощных двигателях используются только электромагниты или обмотки. Вращающаяся часть с ними называется ротор, а неподвижная- статор.
Виды электродвигателей
Сегодня существуют довольно много электродвигателей разных конструкций и типов. Их можно разделить по типу электропитания :
- Переменного тока , работающие напрямую от электросети.
- Постоянного тока , которые работают от батареек, АКБ, блоков питания или других источников .
По принципу работы:
- Синхронные , в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
- Асинхронные , самый простой и распространенный вид мотора. В них нет щеток и обмоток на роторе.
Синхронный мотор вращается синхронно с магнитным полем, которое его вращает, а у асинхронного ротор вращается медленнее вращающегося магнитного поля в статоре.
Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателя
В корпусе асинхронного
двигателя укладываются обмотки статора (для 380 Вольт их будет 3), которые создают вращающееся магнитное поле. Концы их для подключения выводятся на специальную клеммную колодку. Охлаждаются обмотки, благодаря вентилятору, установленному на вале в торце электродвигателя.
Ротор
, являющиеся одним целым с валом, изготавливается из металлических стержней, которые замыкаются между собой с обоих сторон, поэтому он и называется короткозамкнутым.
Благодаря такой конструкции отпадает необходимость в частом периодическом обслуживании и замене токоподающих щеток, многократно увеличивается надежность, долговечность и безотказность.
Как правило, основной причиной поломки асинхронного мотора является износ подшипников, в которых вращается вал.
Принцип работы.
Для того что бы работал асинхронный двигатель необходимо, что бы ротор вращался медленнее электромагнитного поля статора, в результате чего наводится ЭДС (возникает электроток) в роторе. Здесь важное условие, если бы ротор вращался с такой же скоростью как и магнитное поле, то в нем по закону электромагнитной индукции не наводилось бы ЭДС и, следовательно не было бы вращения. Но в реальности, из-за трения подшипников или нагрузки на вал, ротор всегда будет вращаться медленнее.
Магнитные полюса постоянно вращаются в обмотках мотора, и постоянно меняется направление тока в роторе. В один момент времени, например направление токов в обмотках статора и ротора изображено схематично в виде крестиков (ток течет от нас) и точек (ток на нас). Вращающееся магнитное поле изображено изображено пунктиром.
Например, как работает циркулярная пила . Наибольшие обороты у нее без нагрузки. Но как только мы начинаем резать доску, скорость вращения уменьшается и одновременно с этим ротор начинает медленнее вращаться относительно электромагнитного поля и в нем по законам электротехники начинает наводится еще большей величины ЭДС. Вырастает потребляемый ток мотором и он начинает работать на полной мощности. Если же нагрузка на вал будет столь велика, что его застопорит, то может возникнуть повреждение короткозамкнутого ротора из-за максимальной величины наводимой в нем ЭДС. Вот почему важно подбирать двигатель, подходящей мощности. Если же взять большей, то неоправданными будут энергозатраты.
Скорость вращения ротора зависит от количества полюсов. При 2 полюсах скорость вращения будет равна скорости вращения магнитного поля, равного максимум 3000 оборотов в секунду при частоте сети 50 Гц. Что бы понизить скорость вдвое, необходимо увеличить количество полюсов в статоре до четырех.
Весомым недостатком асинхронных двигателей является то, что они подаются регулировке скорости вращения вала только при помощи изменения частоты электрического тока. А так не возможно добиться постоянной частоты вращения вала.
Принцип работы и устройство синхронного электродвигателя переменного тока
Данный вид электродвигателя используется в быту там, где необходима постоянная скорость вращения, возможность ее регулировки, а так же если необходима скорость вращения более 3000 оборотов в минуту (это максимум для асинхронных).
Синхронные моторы устанавливаются в электроинструменте, пылесосе, стиральной машине и т. д.
В корпусе синхронного
двигателя переменного тока расположены обмотки (3 на рисунке), которые также намотаны и на ротор или якорь (1). Их выводы припаяны к секторам токосъемного кольца или коллектора (5), на которые при помощи графитовых щеток (4) подается напряжение. При чем выводы расположены так, что щетки всегда подают напряжение только на одну пару.
Наиболее частыми поломками коллекторных двигателей является:
- Износ щеток или их плохой их контакт из-за ослабления прижимной пружины.
- Загрязнение коллектора. Чистите либо спиртом или нулевой наждачной бумагой.
- Износ подшипников.
Принцип работы. Вращающий момент в электромоторе создается в результате взаимодействия между током тока якоря и магнитным потоком в обмотке возбуждения. С изменением направления переменного тока будет меняться и направление магнитного потока одновременно в корпусе и якоре, благодаря чему вращение всегда будет в одну сторону.
Регулировка скорости вращения меняется методом изменения величины подаваемого напряжения. В дрелях и пылесосах для этого используется реостат или переменное сопротивление.
Изменение направления вращения происходит также как и у двигателей постоянного тока, о которых Я расскажу в
Содержание:
Выполнение механической работы - это главный процесс в нашем материальном мире. По этой причине появление электродвигателей стало важнейшим событием в развитии человеческой цивилизации. Именно эти устройства понесли на себе весь груз промышленного производства. Это и обеспечило, в конце концов, так называемую научно-техническую революцию. В любых электрических движках в основу конструкции положено открытие взаимодействия проводов с проходящим по ним электрическим током.
О том, какие результаты были достигнуты за время, прошедшее с этого открытия, и будет рассказано нашим читателям. Напомним, что взаимодействие запитанных электротоком проводов обнаружил Андре Ампер в 1820 году. После этого события была создана конструкция, способная усилить это взаимодействие - соленоид. Катушка с ферромагнитным сердечником при сближении с постоянным магнитом или другой аналогичной катушкой воздействовала на них со значительным усилием. Поэтому оставалось только придумать такое конструктивное решение, которое позволит максимально увеличить взаимодействие соленоидов и придаст ему необходимое направление.
Превращение электроэнергии в механическую работу
Два соленоида могут либо притягиваться, либо отталкиваться. Их взаимодействие определяется полюсами. Одноименные - отталкиваются, разноименные - притягиваются. Поэтому не составляет особого труда догадаться о конструктивном решении, позволяющем получить вращение вала:
- Вал и соленоид объединяются в жесткую конструкцию. Соленоид располагается так, чтобы создаваемые силовые линии магнитного поля были перпендикулярны оси вращения вала. Полученный элемент двигателя называется ротором, а также индуктором.
- Вокруг ротора располагаются несколько других соленоидов для его притяжения. Чтобы направление было явно задано, а вращение равномерно, их должно быть как минимум три. Полученный элемент движка называется статором.
- Статор или ротор в разных конструкциях моторов могут также иметь название якорь. Суть якоря электрического двигателя заключена в его сходстве со своим корабельным тезкой. Для корабельного якоря характерна прикрепленная цепь, соединяющая его с кораблем. А строение якоря электрического движка включает в себя либо ротор, либо статор, а также присоединенный к нему электрический шнур. Он используется для подключения к источнику питания. То есть вместо якоря с цепью получается ротор или статор со шнуром питания - в этом и заключено их сходство и происхождение названия элемента движка.
- Статор состоит из стальных пластин, которые уменьшают потери электроэнергии, создаваемые вихревыми токами. В результате получается конструкция из обмоток с сердечниками, охватывающая ротор. Они образуют отверстие цилиндрической формы. В него входит цилиндрический ротор с некоторым зазором относительно статора. Такая конструкция электрических двигателей самая распространенная.
Однако для решения некоторых задач необходимо применение иных конструкций. Это может быть, например, расположение ротора снаружи статора или отсутствие вала по причине линейного перемещения элементов двигателя относительно друг друга.
Простейшим линейным двигателем является электромагнит с втягивающимся сердечником. Для того чтобы более точно управлять перемещением подвижной части линейного движка, в нем используется необходимое число взаимодействующих магнитных элементов. Электромагнитами могут быть либо все, либо их часть - это постоянные магниты.
Как видно из рассмотренных примеров, принцип работы электродвигателя использует магнитные поля. Они - следствие как постоянного тока, так и переменного. Но в любом случае принцип действия электродвигателя - это переход электроэнергии в энергию движения.
Электропитание источником переменного напряжения
Двигатель переменного тока наиболее широко используется. Это обусловлено переменным напряжением в большинстве электросетей. Электродвигатели переменного тока подключаются к ним с использованием минимального количества дополнительных устройств. Для любого из приборов надежность и долговечность являются главными качествами. Для этого конструкция должна иметь минимум потенциально уязвимых элементов. Наиболее значимыми из них являются контакты. Меньше контактов - больше надежности.
Устройство и принцип работы электродвигателя с максимальной надежностью основаны на явлении электромагнитной индукции. Это явление используется в трансформаторах. Создание гальванически развязанных электрических цепей - это их важнейшее назначение. Аналогично создаются гальванически развязанные статорные и роторные цепи. Под напряжением пребывают только обмотки статора. Возникающая в роторе электромагнитная индукция приводит к взаимодействию магнитных полей. Но принцип работы электродвигателя переменного тока - это не только индукция. Кроме нее должно существовать условие, обеспечивающее возникновение однонаправленной силы, без которой вращение невозможно. Для этого необходимо пространственное перемещение электромагнитного поля.
С этой целью устройство электродвигателя переменного тока предусматривает одно из следующих конструктивных решений:
- использование однофазного источника переменного напряжения с фазосдвигающим элементом с двумя парами полюсов;
- подключение к трехфазному источнику питания обмоток статора с тремя парами полюсов;
- применение коммутатора, переключающего взаимодействующие обмотки.
Движимые перемещающимся магнитным полем
Электродвигатель, принцип работы которого определяет электромагнитная индукция, работает следующим образом. В его роторе отсутствуют контакты. Переменное магнитное поле с максимумом, перемещающимся вокруг ротора, вызывает в нем токи, создающие собственное электромагнитное поле. Существование этих токов возможно только при отставании ротора от движущегося максимума электромагнитного поля статора.
Иначе не получится электромагнитной индукции, условием которой является пересечение силовых линий и проводника. Движки, в которых скорости перемещения поля статора и ротора отличаются друг от друга, называются асинхронными. Асинхронный электродвигатель , устройство которого показано далее, в основном имеет одинаковую конструкцию статора, но разные варианты исполнения ротора.
Самыми распространенными являются короткозамкнутый ротор и другая его конструкция, именуемая «беличьей клеткой». В последнем варианте ротора получается более эффективная индукция. Однако и конструкция при этом менее технологичная. Но в этих двух разновидностях асинхронного двигателя лишь один недостаток - большой пусковой ток.
Чтобы регулировать процесс пуска, потребовалась третья конструкция ротора, называемая «фазной». Но если где-то прибыло, значит, где-то и убыло. У фазного ротора появились контакты - кольца и щетки. А контакты - главная проблема электротехники. Выигрывая в экономичности, проигрываем в долговечности и эксплуатационных расходах. За щетками и кольцами необходим уход и периодическая замена, в результате чего фазный ротор применяется намного реже. Появление мощных полупроводниковых приборов делает возможным регулировку любого асинхронного двигателя в пределах коммутационных возможностей этих приборов. Поэтому сегодня фазный ротор - это архаичная конструкция.
Но если ротор изготовить из специального материала, который обладает некоторой остаточной намагниченностью, скорости поля статора и вращения ротора станут одинаковыми. Под воздействием статора в роторе такого движка из-за свойств его материала не могут возникать токи с величиной, достаточной для движения. Но это и не нужно. Материал способен многократно усиливать внешнее электромагнитное поле и становиться постоянным магнитом. И такой магнитный ротор будет тянуться за электромагнитным полем статора. Такой двигатель называется синхронно-гистерезисным.
К сожалению, гистерезисный ротор имеет высокую себестоимость материала. А поскольку мощность движка напрямую связана с его размерами, большие и мощные синхронные двигатели с гистерезисным ротором из-за его высокой цены не производятся. Вместо этого делается постоянный электромагнит с питанием через кольца. Так менее надежно, но гораздо дешевле.
Скорость вращения синхронных и асинхронных движков определяет частота напряжения питания и число пар полюсов. Эта особенность - их большой недостаток. Ведь частота электросети составляет 50–60 Гц, и без применения дополнительного оборудования, через которое придется подключать двигатель, изменить ее невозможно. А это значительно усложняет и удорожает установку. По этой причине в управляемом электроприводе для возможности широкого диапазона регулирования оборотов применяется другой двигатель, о котором будет рассказано далее.
Чтобы разобраться в том, как работает электромотор с коллектором, надо обратиться к опытам с рамкой, расположенной между полюсами магнитов. Это классический опыт для демонстрации взаимодействия проводника с током и магнитного поля. На изображениях далее наглядно показан результат этого взаимодействия.
Но сила, вращающая рамку, зависит от ее положения относительно полюсов. По мере вращения она постепенно уменьшается. И по этой причине рамка останавливается. Чтобы вращение продолжалось, для конкретной конструкции рамки с магнитами потребуется больше рамок. При этом каждая из них подключается к своей паре скользящих контактов. Они образуются парой щеток и парой пластин - ламелей.
Движок, в котором реализован принцип вращения рамки в магнитном поле, содержит ротор с большим числом обмоток - рамок. Ламели собраны в специальном конструктивном элементе - коллекторе. Если магнитное поле создается постоянными магнитами, вращение возможно только при постоянном напряжении на щетках коллектора. Это и есть двигатель постоянного тока (сокращенно ДПТ).
Скорость вращения ротора этого движка зависит только от напряжения на щетках коллектора. Если вместо постоянного магнита применить электромагнит, получится универсальный мотор, способный работать как при постоянном, так и при переменном напряжении. Полярность статора и ротора будет изменяться одновременно, сохраняя направление действия силы, вращающей ротор. Универсальный мотор - это тот самый движок, который широко применяется в регулируемых приводах.
Разновидностью ДПТ и универсального двигателя можно считать униполярный движок. У его конструкции нет коллектора, но есть щетки. Появление мощных полупроводниковых приборов позволило создавать роторы без колец и коллекторов. Но при этом принцип работы электродвигателя не изменился.
Электродвигатели – это устройства, в которых электрическая энергия превращается в механическую. В основе принципа их действия лежит явление электромагнитной индукции.
Однако способы взаимодействия магнитных полей, заставляющих вращаться ротор двигателя, существенно различаются в зависимости от типа питающего напряжения – переменного или постоянного.
В основе принципа работы электродвигателя постоянного тока лежит эффект отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов и притягивания разноименных. Приоритет ее изобретения принадлежит русскому инженеру Б. С. Якоби. Первая промышленная модель двигателя постоянного тока была создана в 1838 году. С тех пор его конструкция не претерпела кардинальных изменений.
В двигателях постоянного тока небольшой мощности один из магнитов является физически существующим. Он закреплен непосредственно на корпусе машины. Второй создается в обмотке якоря после подключения к ней источника постоянного тока. Для этого используется специальное устройство – коллекторно-щеточный узел. Сам коллектор – это токопроводящее кольцо, закрепленное на валу двигателя. К нему подключены концы обмотки якоря.
Чтобы возник вращающий момент, необходимо непрерывно менять местами полюса постоянного магнита якоря. Происходить это должно в момент пересечения полюсом так называемой магнитной нейтрали. Конструктивно такая задача решается разделением кольца коллектора на секторы, разделенные диэлектрическими пластинами. Концы обмоток якоря присоединяются к ним поочередно.
Чтобы соединить коллектор с питающей сетью используются так называемые щетки – графитовые стержни, имеющие высокую электрическую проводимость и малый коэффициент трения скольжения.Обмотки якоря не подключены к питающей сети, а посредством коллекторно-щеточного узла соединены с пусковым реостатом. Процесс включения такого двигателя состоит из соединения с питающей сетью и постепенного уменьшения до нуля активного сопротивления в цепи якоря. Электромотор включается плавно и без перегрузок.
Особенности использования асинхронных двигателей в однофазной цепи
Несмотря на то, что вращающееся магнитное поле статора проще всего получить от трехфазного напряжения, принцип действия асинхронного электродвигателя позволяет ему работать и от однофазной, бытовой сети, если в их конструкцию будут внесены некоторые изменения.
Для этого на статоре должно быть две обмотки, одна из которой является «пусковой». Ток в ней сдвигается по фазе на 90° за счет включения в цепь реактивной нагрузки. Чаще всего для этого
Практически полная синхронность магнитных полей позволяет двигателю набирать обороты даже при значительных нагрузках на валу, что и требуется для работы дрелей, перфораторов, пылесосов, «болгарок» или полотерных машин.
Если в питающую цепь такого двигателя включен регулируемый , то частоту его вращения можно плавно менять. А вот направление, при питании от цепи переменного тока, изменить не удастся никогда.
Такие электромоторы способны развивать очень высокие обороты, компактны и имеют больший вращающий момент. Однако наличие коллекторно-щеточного узла снижает их моторесурс – графитовые щетки достаточно быстро истираются на высоких оборотах, особенно если коллектор имеет механические повреждения.Электродвигатели имеют самый большой КПД (более 80 %) из всех устройств, созданных человеком. Их изобретение в конце XIX века вполне можно считать качественным цивилизационным скачком, ведь без них невозможно представить жизнь современного общества, основанного на высоких технологиях, а чего-либо более эффективного пока еще не придумано.
Синхронный принцип работы электродвигателя на видео
Электрический двигатель - неоценимое изобретение человека. Благодаря этому устройству наша цивилизация за последние сотни лет ушла далеко вперёд. Это настолько важно, что принцип работы электродвигателя изучают ещё со школьной скамьи. Круговое вращение электроприводного вала легко трансформируется во все остальные виды движения. Поэтому любой станок, созданный для облегчения труда и сокращения времени на изготовление продукции, можно приспособить под выполнение множества задач. Каков же принцип действия электродвигателя, как он работает и каково его устройство - обо всём этом понятным языком рассказывается в представленной статье.
Как работает двигатель постоянного тока
Подавляющее большинство электрических машин работает по принципу магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней ток, то её вытолкнет наружу. Как это возможно? Дело в том, что проходя по проводнику, ток формирует вокруг себя круговое магнитное поле по всей длине провода. Направление этого поля определяют по правилу буравчика (винта). При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается. То есть среда становится упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки (правило правой руки используется для генераторов, а правило левой руки подходит только для двигателей). Эта сила называется «амперовой» и её величина определяется по закону Ампера F=BхIхL, где В - значение магнитной индукции поля; I - ток, циркулирующий в проводнике; L - длина провода.
Это явление использовали как основной принцип работы первых электродвигателей, этот же принцип используют и поныне. В двигателях постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля применяются постоянные магниты. В электромоторах средней и большой мощности однородное магнитное поле создают с помощью обмотки возбуждения или индуктора.
Рассмотрим принцип создания механического движения с помощью электричества более подробно. На динамической иллюстрации показан простейший электромотор. В однородном магнитном поле вертикально располагаем проволочную рамку и пропускаем по ней ток. Что происходит? Рамка проворачивается и по инерции двигается какое-то время до достижения горизонтального положения. Это нейтральное положение - мёртвая точка — место, где воздействие поля на проводник с током равно нулю. Чтобы движение продолжилось, нужно добавить ещё хотя бы одну рамку и обеспечить переключение направление тока в рамке в нужный момент. На обучающем видео внизу страницы хорошо виден этот процесс.
Принцип действия современных электродвигателей
Современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полясами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе. Принцип его работы следующий. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части — «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо. Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение. Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора - специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя.
Таким образом, обмотка якоря передаёт вращающий момент на вал электромотора, а тот в свою очередь приводит в движение рабочие механизмы любого оборудования, такого как, например, станок для сетки рабицы. Хотя в этом случае используется переменного тока, основной принцип его работы идентичен принципу действия двигателя постоянного тока - это выталкивание проводника с током из магнитного поля. Только у асинхронного электромотора вращающееся магнитное поле, а у электродвигателя постоянного тока - поле статичное.
Продолжая тему двигателя постоянного тока нужно отметить, что принцип действия электродвигателя основывается на инвертировании постоянного тока в якорной цепи, чтобы не было торможения, и вращение ротора поддерживалось в постоянном ритме. Если изменить направление тока в возбуждающей обмотке статора, то, согласно правилу левой руки, изменится направление вращения ротора. То же самое произойдёт, если мы поменяем местами щёточные контакты, подводящие питание от источника к якорной обмотке. А вот если поменять «+» «-» и там и там, то направление вращения вала не изменится. Поэтому, в принципе, для питания такого мотора можно использовать и переменный ток, т.к. ток в индукторе и якоре будет меняться одновременно. На практике такие устройства используются редко.
Что касается электрической схемы включения двигателя, то их несколько и они показаны на рисунке. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря делается из большого количества витков тонкой проволоки. При таком подключении коммутируемый коллектором ток будет значительно меньше из-за большого сопротивления и пластины не будут сильно искрить и выгорать. Если делать последовательное соединение обмоток индуктора и якоря, то обмотка индуктора делается из провода большего диаметра с меньшим количеством витков, т.к. весь якорный ток устремляется через статорную обмотку. При таких манипуляциях с пропорциональным изменением значений тока и количества витков, намагничивающая сила остаётся постоянной, а качественные характеристики устройства становятся лучше.
На сегодняшний день двигатели постоянного тока мало используются на производстве. Из недостатков этого типа электрических машин можно отметить быстрый износ щёточно-коллекторного узла. Преимущества - хорошие характеристики запуска, лёгкая регулировка частоты и направления вращения, простота устройства и управления.
