Принцип работы эл двигателя: Принцип работы электродвигателя — полезная информация от специалистов ООО ПТЦ «Привод»

Принципы работы электрического двигателя для чайников

Июнь 29, 2014

52683 просмотров

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:

1. Переменного тока, работающие напрямую от электросети.
2. Постоянного тока, которые работают от батареек, АКБ, блоков питания или других источников постоянного тока.

По принципу работы:

1. Синхронные, в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
2. 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:

1. Износ щеток или их плохой их контакт из-за ослабления прижимной пружины.
2. Загрязнение коллектора. Чистите либо спиртом или нулевой наждачной бумагой.
3. 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 следующей статье.
• Самое главное о синхронных двигателях Я постарался изложить, более подробно Вы можете прочитать на них на Википедии.
• Режимы работы электродвигателя в следующей статье.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока

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 асинхронный двигатель 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.

 • Скачать лекцию: двигатели постоянного тока 

Свежие записи:

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения

Дмитрий Левкин

Конструкция синхронного электродвигателя с обмоткой возбуждения

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)

Принцип работы

Постоянная скорость вращения синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.

Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора

Статор: вращающееся магнитное поле

На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение. В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется вращающееся магнитное поле можно прочитать в статье «Трехфазный асинхронный электродвигатель».

Взаимодействие между вращающимся (у статора) и постоянным (у ротора) магнитными полями

Ротор: постоянное магнитное поле

Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже.

Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля.

Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил.

Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом

Синхронная скорость

Скорость с которой вращается магнитное поле может быть вычислена по следующему уравнению:

• где Ns – частота вращения магнитного поля, об/мин,
• f – частота тока статора, Гц,
• p – количество пар полюсов.

Это значит, что скорость синхронного электродвигателя может очень точно контролироваться изменением частоты питающего тока. Таким образом эти электродвигатели подходят для высокоточных приложений.

Прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?

Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора будет притягиваться к южному полюсу вращающегося магнитного поля, и начнет двигаться в том же направлении.

Но так как ротор имеет определенный момент инерции, его стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля будет замещен северным полюсом. Таким образом появятся отталкивающие силы.

В результате чего ротор начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом ротор не сможет запуститься.

Демпферная обмотка — прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Чтобы реализовать самозапуск синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора размещается «беличья клетка», которая также называется демпферной обмоткой.

При запуске электродвигателя катушки ротора не возбуждаются.

Под действием вращающегося магнитного поля, индуцируется ток в витках «беличьей клетки» и ротор начинает вращаться подобно тому, как запускаются асинхронные двигатели.

Когда ротор достигает своей максимальной скорости, подается питание на обмотку возбуждения ротора. В результате, как говорилось ранее, полюса ротора сцепляются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью.

При вращении ротора с синхронной скоростью, относительное движение между белечьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю.

Это значит, что отсутствует ток в короткозамкнутых витках, а следовательно «беличья клетка» не оказывает воздействия на синхронную работу электродвигателя.

Выход из синхронизма

Синхронные электродвигатели имеют постоянную скорость независящую от нагрузки (при условии что нагрузка не превышает макимально допустимую). Если момент нагрузки больше, чем момент создаваемый самим электродвигателем, то он выйдет из синхронизма и остановиться. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут быть причинами выхода двигателя из синхронизма.

Синхронный компенсатор

Синхронные электродвигатели могут также использоваться для улучшения коэффициента мощности системы. Когда единственной целью использования синхронных электродвигателей является улучшение коэффициента мощности их называют синхронными компенсаторами. В таком случае вал электродвигателя не соединяется с механической нагрузкой и вращается свободно.

Принципы работы электрического двигателя для чайников

Главная › Электрика ›

26.05.2019

Курс электрических машин посвящён изучению принципов построения, конструкций, технических и эксплуатационных характеристик трансформаторов, а также генераторов и двигателей постоянного и переменного тока. Этот курс является основным разделом электротехники, наряду с теорией линейных электрических цепей и электрическим приводом.

• Цель курса – получение базовых знаний в области теории электрических машин, достаточных для специалистов технических направлений подготовки неэлектротехнических профилей, а также для всех желающих познакомиться с основами электротехники и получить навыки решения задач, связанных с эксплуатацией электрических машин.
• При изучении каждого из десяти разделов курса используются виртуальные лаборатории, характер которых соответствует задачам повседневной инженерной практики.
• После окончания курса слушатели будут знать принципы построения, конструкции, технические и эксплуатационные характеристики трансформаторов, генераторов и двигателей постоянного и переменного тока, а также приобретут навыки решения задач, связанных с эксплуатацией электрических машин.

Программа курса

1. Катушка с магнитопроводом в цепи переменного тока.
2. Преобразование энергии трансформатором.
3. Специальные типы трансформаторов и их применение в технике.
4. Магнитные поля бесколлекторных машин.
5. Конструкция, принцип действия и характеристики асинхронного двигателя.
6. Управление асинхронным двигателем. Специальные типы двигателей.
7. Конструкция принцип действия и характеристики синхронных машин.
8. Синхронные двигатели.
9. Двигатели постоянного тока.
10. Управление двигателем постоянного тока. Специальные типы коллекторных машин и вентильные двигатели.

Каждая тема предполагает изучение в течение одной недели.

На 6-й и 12-й неделях запланированы упражнения по пройденному материалу.

В курсе имеется два типа дедлайна (предельного срока выполнения оценивающих мероприятий):
– мягкий дедлайн, при котором необходимо выполнить все оценивающие мероприятия текущей недели до ее завершения;

– жесткий дедлайн, при котором на выполнение оценивающих мероприятий после мягкого дедлайна дополнительно выделяется еще две недели, по окончании которых доступ к соответствующим мероприятиям закрывается.

Принципы работы электрического двигателя для чайников Ссылка на основную публикацию

Электрические машины постоянного тока: виды и принцип их работы

Машины постоянного тока представляют собой возвратную электрическую машину, в которых происходит процесс преобразования энергии. В машинах, где механическая энергия преобразуется в электрическую, называются генераторами. Они предназначены для выработки электроэнергии. Для работы необходимо наличие какого-либо двигателя (дизеля, паровой или водяной турбины), который будет вращать вал генератора.

Обратное преобразование энергий происходит в электродвигателях. Они приводят в движение колесные пары локомотивов, вращают валы вентиляторов и т.д. Для работы необходимо подсоединение электродвигателя с источником электроэнергии посредством проводов.

Принцип работы электрических машин постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции, а также законов, которые определяют взаимодействие электрических токов и магнитных полей.

Эти машины включают в себя неподвижную и вращающуюся части. В конструкцию неподвижной части, или статора входят станина, главные и дополнительные полюса, подшипниковые щиты и щеточная траверса с графитовыми или медно-графитовыми щетками.

Вращающаяся часть, или ротор, в электрических машинах постоянного тока именуются якорем.

Якорь, снабженный коллектором, в электродвигателях играет роль преобразователя частоты, а в генераторах – выпрямителя.

При вращении машины происходит перемещение якоря и статора относительно друг друга. Статор создает магнитное поле, а в обмотке якоря индуцируется э. д. с. Возникает ток, который при воздействии с магнитным полем создает электромагнитные силы, отвечающие за процесс преобразования энергии.

Электрические машины постоянного тока в зависимости от наличия или отсутствия коммутации бывают обычными и униполярными, а по расположению вала — вертикальными и горизонтальными.

По типу переключателей тока их можно подразделить на машины с щеточно-коллекторным и электронным переключателем. Последние называются еще вентильными электродвигателями.

По мощности они делятся на микромашины мощностью до 0,5 кВт, а также, машины малой, средней и большой мощности — 0,5-10 кВт, 10-200 кВт и более 200 кВт соответственно.

По частоте вращения различают тихоходные (до 300 об/мин), средней быстроходности (300-500 об/мин), быстроходные (1500-6000 об/мин) и сверхбыстроходные (более 6000 об/мин) электрические машины постоянного тока.

Устройство и принцип действия синхронного двигателя

Синхронный электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его также можно использовать в качестве генератора. Чаще всего он применяется в компрессорах, прокатных станках, поршневых насосах и другом подобном оборудовании. Рассмотрим принцип действия синхронного электродвигателя, его характеристики и свойства.

Устройство синхронного электродвигателя

Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:

• Неподвижной части (якорь или статор).
• Подвижной части (ротор или индуктор).
• Вентилятора.
• Контактных колец.
• Щеток.
• Возбудителя.

Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами).

Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали.

Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.

Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.

Принцип работы синхронного электродвигателя

Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения.

Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения.

При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.

В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.

Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:

• Асинхронный. Обмотки индуктора замыкаются с помощью реостата. Вращающееся магнитное поле, возникающее при включении напряжения, пересекает короткозамкнутую обмотку, установленную на роторе. В ней индуцируются токи, взаимодействующие с вращающимся полем статора. По достижении синхронной скорости крутящий момент начинает уменьшаться и сводится к нулю после замыкания магнитного поля.
• С помощью вспомогательного двигателя. Для этого синхронный двигатель механически соединяется со вспомогательным (двигателем постоянного тока либо трехфазным индукционным двигателем). Постоянный ток подается только после того, как вращение двигателя достигает скорости, близкой к синхронной. Магнитное поле замыкается, и связь со вспомогательным двигателем прекращается.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

• Работу при высоком значении коэффициента мощности.
• Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
• Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
• Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
• Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

• Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
• Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
• Сложность пуска.
• Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

• Для улучшения коэффициента мощности.
• В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.

Устройство и принцип работы электродвигателя переменного тока

Содержание

• 1 Электрические двигатели: разновидности
  • 1.1 Коллекторные двигатели
  • 1.2 Асинхронные двигатели
  • 1.3 Синхронные двигатели
• 2 Как работают электрические двигатели
  • 2.1 Асинхронные двигатели
• 3 Работа синхронных двигателей

Двигатели электрические выпускают синхронные, асинхронные, коллекторные, каждому присущи особенности работы. Минус большой: сеть интернет дает скудные представления о различиях в работе, принципе действия. Можем читать обзоры про синхронные электродвигатели, не понять в итоге главного: нюансов! Почему на ГЭС используются такие генераторы, в быту моторов-зеркал не видно (двигатель переменного тока обратим)?

Электрические двигатели: разновидности

Сразу скажем, не ставили целью довести вниманию читателей исчерпывающую информацию по указанной теме. Невозможно объять необъятное. Будут рассматриваться случаи, опущенные литературой. Информация вроде выложен, систематизировать издателям недосуг. Поможем понять, как функционируют виды электродвигателей. Начнем простым перечислением.

Двигатель коллекторного типа

Коллекторные двигатели

Часто путают с синхронными. Обнаруживаются угольные щетки. Этим сходство ограничивается, частота вращения коллекторных двигателей меняется в широких пределах, каждый может лицезреть на примере стиральной машины. Управление скоростью осуществляется путем коммутации обмоток, подстройкой значения действующего напряжения (изменяется угол отсечки вольтажа промышленной частоты).

Главным отличием устройств является наличие коллектора. Своеобразная секционная конструкция, насаженная на вал. Составлена множеством катушек, равномерно идущих кругом. Коллектор обеспечивает последовательную коммутацию, чтобы поле постепенно двигалось вкруг вала. Цепляясь за статор, ротор начинает движение.

К недостаткам коллекторных двигателей причисляют хрупкость (для промышленности). В быту тип устройств доминирующие. Простым путем осуществляется регулировка скорости (отсечкой части периода синусоиды). Коллекторных двигателей видим другие минусы/плюсы, упоминали ранее, сейчас изучим особенности. Наличие на валу секционированного барабана.

Можно поставить вместо него магнит, вращать поле статора? Да, получим синхронный двигатель (типичный пример – помпы стиральных машин). Можно питать обмотку постоянным током, вращать поле статора? Да, будет синхронный двигатель. Видите, коллектор однозначно дает понять тип устройства.

Асинхронные двигатели

Чаще применяются промышленностью. Получаем простоту конструкции, кучу плюшек. Ударопрочность, вибропрочность: отсутствие угольных щеток. Взамен получается кипа конструкций. Семейство самое многочисленное.

Асинхронный двигатель

Во-первых, ротор. Может быть короткозамкнутым, фазным. Первое означает: на вал насажена конструкция (для уменьшения веса силуминовая), где вставлены прожилки меди. Закорочено периметром двумя кольцами. Получается барабан, иногда называемый беличьей клеткой.

Возникает поле под действием вращающейся ЭДС статора, в отличие от коллекторных запуск асинхронных двигателей постоянным током не производят. Вторичное отличие. Первичное назвали: к ротору не подходят контакты (исключая пусковой реостат), вал увенчан беличьей клеткой, вывод о принадлежности однозначный. Что касается фазных асинхронных машин, питание катушек ротора производится через токосъемные кольца. Вал подхватывается, постепенно набирает обороты.

Синхронные двигатели

Тип устройств, составить понятие о котором, согласно заметкам сети попросту невозможно. Отличие простое: поле настолько сильное, что захватывается без проблем, не проскальзывает, как в случае с асинхронными или (в меньшей степени) коллекторными двигателями. Обеспечивается постоянным магнитом чаще, либо обмотка возбуждения находится на роторе. Статор снабжается переменным напряжением нужной частоты.

Скорость вращения зависит от частоты сети питания. Полюсов только два, поэтому составляет 25 Гц (1500 об/мин). Черта, по которой можно предположить: видим синхронный двигатель – кратное, целое число. Ключевым является совпадение скорости вращения вала и частоты напряжения питания. Многое зависит от количества полюсов. Например, на ГЭС генераторы работают на частоте вала 1-2 Гц, промышленные 50 Гц получаются путем намотки многочисленных катушек статора, соединенных параллельно.

Как работают электрические двигатели

Асинхронные двигатели

Кратенько описали внешние отличия электрических двигателей, теперь пара слов по поводу устройства и функционирования. Асинхронные двигатели при помощи статора создают по оси вращающееся магнитное поле. Барабан беличьей клетки редко изготавливается из ферромагнитных материалов (если вообще имеет место быть). В противном случае нагрев вышел бы значительным. Фактически получается индукционная печь.

Силуминовый барабан вдоль линий магнитного поля содержит медные проводники. Разница в проводимости такова, что не проводится изоляции: ток несут красно-коричневые жилы. Поле, индуцированное статором ЭДС, слабое. Применяются специальные меры, помогающие разогнать вал. Магнитное поле ротора плохо цепляется, асинхронный двигатель стоит столбом. Действенная мера противодействия проблеме ограничивается созданием двойной беличьей клетки: вдоль барабана проходит на некоторой глубине второй ряд медных жил. Объединены торцами единой сетью.

На запуске частота тока, глубина проникновения поля велики. Включаются в работу оба слоя беличьей клетки. По мере разгона разница нивелируется, падает до нуля. Амплитуда поля снижается, рабочим остается внешний слой беличьей клетки. Обратите внимание, догнать поле ротор бессилен, проскальзывает, запаздывает. Поэтому двигатели получили название асинхронных. Англичане делают проще – зовут индукционными.

Если поле вращать со скоростью ротора, ЭДС перестает наводиться. Последует замедление, цикл повторится, начавшись разгоном. Ротор по-прежнему будет отставать от поля. Так работает устройство короткозамкнутого типа. Фазный ротор (спасибо Википедия), содержащий трехфазную обмотку, выполняет несколько функций, согласно назначению устройства:

• Подпитывается электричеством через кольцо токосъемника. Теперь ротор получает фазу и наводит на статоре ЭДС. Постепенно вал подхватывается полем, дальнейший процесс описан выше.
• Подпитывается постоянным током. Образуется синхронный двигатель.
• Снабжается реостатами, дросселями, регулирующими скорость.
• Реализует управление инвертором (усложненный первый случай).

Принцип действия асинхронных двигателей: используется наведенная ЭДС, скорость вращения неспособна догнать поле (пропадают токи). Иначе тип мотора меняется (синхронный). Для регуляции скорости часто используется амплитуда питающего напряжения. Способ годится двигателям асинхронного типа с короткозамкнутым, фазным ротором. Перечислим методики:

Работа двигателя переменного тока

• Для машин с короткозамкнутым ротором годятся:
  1. Регулирование частоты напряжения питания.
  2. Изменение числа пар полюсов статора. В результате меняется скорость вращения поля, давая нужный эффект.
• Для машин с фазным ротором допускается:
  1. Вводить реостат в цепь питания. Растут потери на скольжение, закономерно изменяя скорость.
  2. Применять специальные вентили. Энергия скольжения выпрямляется схемой Ларионова, подается в виде постоянного напряжения вспомогательному электрическому двигателю, нарезающему импульсы через управляемые извне тиристоры. Мощность, которая обычно терялась бы, возвращается. Через вал вспомогательного двигателя, трансформатор, обмотки которого частично включены в сеть питания. Управление скоростью выполняют внедрением дополнительной ЭДС. Делается либо напрямую (через источник питания), либо сдвигом угла включения тиристоров относительно питания. Частота отклоняется от номинала.
  3. Двигатель двойного питания является вариантом реализации регулировки скорости в оборудовании с фазным ротором. Тип чаще применяется для реализации схем генераторов. Ротор уплывает частотой вращения – двигатель все-таки асинхронный. Статор, ротор питаются отдельно. Позволяет для каждой обмотки задавать частоту, закономерно приводит к нужным изменениям скорости.

Асинхронным двигателям годится изменение амплитуды питания. Наибольшим КПД обладают вентильные схемы, самые дорогие.

Двигатель асинхронного типа

Работа синхронных двигателей

Проходились по коллекторным двигателям – рассказывали, как конструировать – поэтому пропускаем сегодня семейство. Бессильны иначе рассказать вещи гораздо интереснее: ведется много споров на форумах. Собираемся рассмотреть не совсем синхронные двигатели – генератор. Наподобие украшающих ГЭС.

Вы никогда не задумывались, как регулируется скорость вращения турбины, когда на лопасть падает поток воды? Створками направляющего аппарата? Нет. Генератор требует подпитки не только постоянным током, но и переменным. Первое подаётся на ротор, а второе – на статор. В результате вал не мог бы даже стронуться с места, но ему помогает вода. А вот энергия торможения потока уже преобразуется в ЭДС рабочих катушек статора, намотанных рядом со вспомогательными.

Фактически имеем на руках устройство электродвигателя переменного тока, среди обмоток большая часть генерирующих, снимается частота 50 Гц. Синхронность обеспечивается питающими напряжениями. Если вода слишком напирает, ток возбуждения растет, срыв оборотов предотвращается. Параллельно увеличивается выходная мощность электростанции. Частота определяет характеристики снимаемого напряжения, касательно номинала 50 Гц не допускаются отклонения более долей процента (0,1%).

Вал вращается со скоростью 1-2 оборота в секунду. Многочисленными генераторными обмотками, соединенными параллельно образует нужную форму синусоиды. Подчеркиваем, частота поддерживается напряжением возбуждения, следовательно, именно к нему и предъявляются повышенные требования. Требуется получить больше мощности электростанции, просто заслонки направляющего аппарата приоткрываются, масса воды начинает падать вниз. Лопасть быстрее не двигается, увеличивается ток возбуждения, закономерно вызывает возникновение более сильных полей.

Принцип действия электродвигателя переменного тока копирует сказанное, отсутствуют генераторные обмотки. Требуется получить больше мощности – увеличьте напряжение возбуждения, амплитуду по цепи питания. Усиливается сцепление полей, исключая проскальзывание. Понятно, большая масса вала неспособна набрать за мгновение 50 Гц (и не набирает), оборудование, изготовленное правильно, за короткий период достигает режима. Скорость зависит от количества полюсов.

Не успели сегодня рассмотреть технические характеристики электродвигателей переменного тока, многократно делали прежде, применительно к различного рода устройствам. Полагаем,  в будущем обзоры могут вновь повернуться к теме бушпритом.

Электродвигатель переменного тока | Техника и человек

Электрические двигатели давно и прочно заняли лидирующие позиции среди силовых агрегатов различного типа оборудования. Их можно найти в автомобиле и в пылесосе, в сложнейших станках и в обычных детских игрушках. Они есть практически везде, хотя и отличаются между собой типом, строением и рабочими характеристиками.

Электродвигатели – это силовые агрегаты, способные превращать электрическую энергию в механическую. Различают два их основных вида: двигатели переменного и постоянного тока. Разница между ними, как понятно из названия, заключается в типе питающего тока. В данной статье речь пойдет о первом виде – электродвигателе переменного тока

Устройство и принцип работы

Основная движущая сила любого электрического двигателя – электромагнитная индукция. Электромагнитная индукция, если описать ее в двух словах – это появление силы тока в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле. Источником переменного магнитного поля является неподвижный корпус двигателя с размещенными на нем обмотками – статор, подключенный к источнику переменного тока. В нем расположен подвижный элемент – ротор, в котором и возникает ток. По закону Ампера на заряженный проводник, помещенный в магнитное поле, начинает действовать электродвижущая сила – ЭДС, которая вращает вал ротора. Таким образом, электрическая энергия, которая подается на статор, превращается в механическую энергию ротора. К вращающемуся валу можно подключать различные механизмы, выполняющие полезную работу.

Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные. Разница между ними в том, что в первых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной скоростью, а во вторых ротор вращается медленнее, чем магнитное поле. Отличаются они и по устройству, и по принципу работы.

Асинхронный двигатель

Устройство асинхронного двигателя

На статоре асинхронного двигателя закреплены обмотки, создающие переменное вращающееся магнитное поле, концы которой выводятся на клеммную коробку. Поскольку при работе двигатель нагревается, на его валу устанавливается вентилятор системы охлаждения.

Ротор асинхронного двигателя выполнен с валом как одно целое. Он представляет собой металлические стержни, замкнутые между собой с двух сторон, из-за чего такой ротор еще именуется короткозамкнутым. Своим видом он напоминает клетку, поэтому его часто называют «беличьим колесом» Более медленное вращение ротора в сравнении с вращением магнитного поля – результат потери мощности при трении подшипников. Кстати, если бы не было этой разницы в скорости, ЭДС бы не возникала, а без нее не было бы и тока в роторе и самого вращения.

Магнитное поле вращается за счет постоянной смены полюсов. При этом соответственно меняется направление тока в обмотках. Скорость вращения вала асинхронного двигателя зависит от числа полюсов магнитного поля.

Синхронный двигатель

Устройство синхронного двигателя

Устройство синхронного электродвигателя немного отличается. Как понятно из названия, в этом двигателе ротор вращается с одной скоростью с магнитным полем. Он состоит из корпуса с закрепленными на нем обмотками и ротора или якоря, снабженного такими же обмотками. Концы обмоток выводятся и закрепляются на коллекторе. На коллектор или токосъемное кольцо подается напряжение посредством графитовых щеток. При этом концы обмоток размещены таким образом, что одновременно напряжение может подаваться только на одну пару.

В отличие от асинхронных на ротор синхронных двигателей напряжение подается щетками, заряжая его обмотки, а не индуцируется переменным магнитным полем. Направление тока в обмотках ротора меняется параллельно с изменением направления магнитного поля, поэтому выходной вал всегда вращается в одну сторону. Синхронные электродвигатели позволяют регулировать скорость вращения вала путем изменения значения напряжения. На практике для этого обычно используются реостаты.

Краткая история создания

Впервые возможность превратить электричество в механическую энергию открыл британский ученый М.Фарадей еще в 1821 году. Его опыт с проводом, помещенным в ванну с ртутью, оснащенной магнитом, показал, что при подключении провода к источнику электроэнергии он начинает вращаться. Этот нехитрый опыт наверняка многие помнят по школе, правда, ртуть там заменяется безопасным рассолом. Следующим шагом в изучении этого феномена было создание униполярного двигателя – колеса Барлоу. Никакого полезного применения он так и не нашел, зато наглядно демонстрировал поведение заряженного проводника в магнитном поле.

На заре истории электродвигателей ученые пытались создать модель с сердечником, двигающимся в магнитном поле не по кругу, а возвратно-поступательно. Такой вариант был предложен, как альтернатива поршневым двигателям. Электродвигатель в привычном для нас виде впервые был создан в 1834 году русским ученым Б. С. Якоби. Именно он предложил идею использования вращающегося в магнитном поле якоря, и даже создал первый рабочий образец.

Первый асинхронный двигатель, в основе работы которого заложено вращающееся магнитное поле, появился в 1870 году. Авторами эффекта вращающегося магнитного поля независимо друг от друга стали два ученых: Г.Феррарис и Н. Тесла. Последнему принадлежит также идея создания бесколлекторного электродвигателя. По его чертежам были построены несколько электростанций с применением двухфазных двигателей переменного тока. Следующей более удачной разработкой оказался трехфазный двигатель, предложенный М.О. Доливо-Добровольским. Его первая действующая модель была запущена в 1888 году, после чего последовал ряд более совершенных двигателей. Этот русский ученый не только описал принцип действия трехфазного электродвигателя, но и изучал различные типы соединений фаз (треугольник и звезда), возможность использование разных напряжений тока. Именно он изобрел пусковые реостаты, трехфазные трансформаторы, разработал схемы подключения двигателей и генераторов.

Особенности электродвигателя переменного тока, его достоинства и недостатки

На сегодня электродвигатели являются одними из самых распространенных видов силовых установок, и тому есть немало причин. У них высокий КПД порядка 90%, а иногда и выше, довольно низкая себестоимость и простая конструкция, они не выделяют вредных веществ в процессе эксплуатации, дают возможность плавно менять скорость во время работы без использования дополнительных механизмов типа коробки передач, надежны и долговечны.

Среди недостатков всех типов электромоторов — отсутствие высокоемкостного аккумулятора электроэнергии для автономной работы.

Основное отличие электродвигателя переменного тока от его ближайшего родственника – электродвигателя постоянного тока – заключается в том, что первый питается переменным током. Если сравнивать их функциональные возможности, первый менее мощный, у него сложно регулировать скорость в широком диапазоне, он имеет меньший КПД.

Если же сравнивать асинхронный и синхронный электродвигатель переменного тока, то первый имеет более простую конструкцию и лишен «слабого звена» — графитовых щеток. Именно они обычно первыми выходят из строя при поломке синхронных двигателей. Вместе с тем, у него сложно получить и регулировать постоянную скорость, которая зависит от нагрузки. Синхронные двигатели позволяют регулировать скорость вращения с помощью реостатов.

Сфера применения

Электродвигатели переменного тока широко используются практически во всех сферах. Ими оснащаются электростанции, их используют в автомобиле- и машиностроении, есть они и в домашней бытовой технике. Простота их конструкции, надежность, долговечность и высокий показатель КПД делает их практически универсальными.

Асинхронные двигатели нашли применение в приводных системах различных станков, машин, центрифуг, вентиляторов, компрессоров, а также бытовых приборов. Трехфазные асинхронные двигатели являются наиболее распространенными и востребованными. Синхронные двигатели используются не только в качестве силовых агрегатов, но и генераторов, а также для привода крупных установок, где важно контролировать скорость.

Схема подключения электродвигателя к сети

Электродвигатели переменного тока бывают трех и однофазные.
Асинхронные однофазные двигатели имеют на корпусе 2 вывода и подключить их к сети не составляет трудности. Т.к. вся бытовая электрическая сеть в основном однофазная 220В и имеет 2 провода — фаза и ноль. С синхронными все намного интереснее, их тоже можно подключить с помощью 2 проводов, достаточно обмотки ротора и статора соединить. Но соединять их нужно так, чтобы обмотки однополюсного намагничивания ротора и статора располагались напротив друг друга.
Сложности представляют двигатели для 3ех фазной сети. Ну во-первых у таких двигателей в основном в клеммной коробке 6 выводов и это означает что обмотки двигателя нужно подключать самому, а во-вторых их обмотки можно подключать разными способами — по типу «звезда» и «треугольник». Ниже приведен рисунок соединения клем в клеммной коробке, в зависимости от типа соединения обмоток.

Подключение одного и того же электродвигателя разным способом в одну и туже электрическую сеть приведет к потреблению разной мощности. При этом не правильное подключение электродвигателя, может привести к расплавлению обмоток статора.

Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в  раз.  Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/660 В. Если в сети линейное напряжение 660 В, то обмотку статора следует соединить звездой, а если 380 В, то треугольником. В обоих случаях напряжение на обмотке каждой фазы будет 380 В. Выводы обмоток фаз располагают на панели таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних. В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).

 

Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рисунке. Обмотка ротора этого двигате­ля соединена с пусковым реостатом ЯР, создающим в цепи рото­ра добавочное сопротивление Rдобав.

Принцип работы электродвигателя. Принцип работы электродвигателя переменного тока

Похожие презентации:

3D печать и 3D принтер

Видеокарта. Виды видеокарт

Анализ компании Apple

Трансформаторы тока и напряжения

Транзисторы

Устройство стиральной машины LG. Электрика

Конструкции распределительных устройств. (Лекция 15)

Электробезопасность. Правила технической эксплуатации электроустановок

Магнитные пускатели и контакторы

Работа на радиостанциях КВ и УКВ диапазонов. Антенны военных радиостанций. (Тема 5.1)

1. Принцип работы электродвигателя. Принцип работы электродвигателя переменного тока

Подготовила
Ученица 9-В класса
ТООШ 1-3 ст.
Штемпель Виктория

2. Электродвигатель

Сегодня представить себе
человеческую цивилизацию и
высокотехнологическое
общество без электричества
невозможно. Одним из
основных аппаратов, которые
обеспечивают работу
электрических приборов,
является двигатель. Эта
машина нашла самое
широкое распространение: от
промышленности
(вентиляторы, дробилки,
компрессоры) до бытового
использования (стиральные
машины, дрели и прочее). Но
в чем состоит принцип
работы электродвигателя

3. Назначение

Принцип работы
электродвигателя и его
основные цели заключаются
в передаче рабочим органам
необходимой для совершения
технологических процессов
механической энергии. Сам
двигатель вырабатывает ее
за счет потребляемой из
сети электроэнергии. По
сути говоря, принцип работы
электродвигателя
заключается в
преобразовании
электрический энергии в
механическую. Количество
вырабатываемой им
механической энергии за одну
единицу времени называется
мощностью
В зависимости от характеристик
питающей сети можно выделить два
основных типа двигателя: на
постоянном и на переменном токе.
Наиболее распространенными
машинами постоянного тока являются
моторы с последовательным,
независимым и смешанным
возбуждением.
Примерами двигателей
на переменном токе
могут выступить
синхронные и
асинхронные машины.
Несмотря на кажущееся
разнообразие,
устройство и принцип
работы
электродвигателя
любого назначения
основаны на
взаимодействии
проводника с током и
магнитным полем либо
же постоянного магнита
( ферромагнитного
объекта) с магнитным
полем.

5. Изменение направления тока относительно магнита

Для того чтобы изменить направление движения заряженных частиц в проводнике рамки с током,
необходимо устройство, которое бы задавало это направление в зависимости от расположения
проводников. Такая конструкция реализована благодаря использованию скользящих контактов, которые
служат для подвода к рамке тока. При замене одним кольцом двух, когда рамка поворачивается на
половину оборота, направление тока меняется на противоположное, а крутящий момент его сохраняет.
Важно учесть, что одно кольцо собрано из двух половинок, которые изолированы друг от друга.

6. Конструкция машины постоянного тока

Вышеприведенный пример – это
принцип работы электродвигателя
постоянного тока. Реальная машина,
естественно, имеет более сложную
конструкцию, где используются
десятки рамок, образующих обмотку
якоря. Проводники этой обмотки
размещены в специальных пазах в
цилиндрическом ферромагнитном
сердечнике. Концы обмоток
присоединены к изолированных
кольцам, которые образуют
коллектор. Обмотка, коллектор и
сердечник – это якорь, вращающийся
в подшипниках на корпусе самого
двигателя. Магнитное поле
возбуждения создается полюсами
постоянных магнитов, которые
расположены в корпусе. Обмотка
подключается к питающей сети, и ее
можно включать как независимо от
цепи якоря, так и последовательно. В
первом случае электродвигатель
будет иметь независимое
возбуждение, во втором –
последовательное. Также
существует конструкция со
смешанным возбуждением, когда
используются сразу два типа
подключения обмотки

7. Какие бывают двигатели? Типы электродвигателей. Асинхронные

В основу работы любых электродвигателей
положен принцип электромагнитной
индукции. Электродвигатель состоит из
неподвижной части — статора (для
асинхронных и синхронных движков
переменного тока) либо индуктора (для
движков постоянного тока) и подвижной
части — ротора (для асинхронных и
синхронных движков переменного тока) либо
якоря (для движков постоянного тока). В роли
индуктора на маломощных двигателях
постоянного тока нередко используются
постоянные магниты. Все двигатели, грубо
говоря можно поделить на два вида:
двигатели постоянного тока двигатели
переменного тока (асинхронные и

8. Двигатели постоянного тока

По неким мнениям данный
двигатель возможно еще
назвать синхронной машиной
постоянного тока с
самосинхронизацией. Простой
движок, являющийся машиной
постоянного тока, состоит из
постоянного магнита на
индукторе (статоре), 1-го
электромагнита с очевидно
выраженными полюсами на
якоре ( двухзубцового якоря с
явно выраженными полюсами и
с одной обмоткой),
щёточноколлекторного узла с
2-мя пластинами (ламелями) и
2-мя щётками. Простой
двигатель имеет 2 положения
ротора (2 «мёртвые точки»), из
которых неосуществим
самозапуск, и неравномерный
крутящий момент. В первом
приближении магнитное поле
полюсов статора равномерное (

English     Русский Правила

Принцип работы электродвигателя — HiSoUR История культуры

Электродвигатель представляет собой электромеханический преобразователь (электрическая машина), который преобразует электрическую энергию в механическую. В обычных электродвигателях генерируются магнитные поля с токопроводящими проводниками, взаимные силы притяжения и отталкивания которых приводятся в движение.  Таким образом, электродвигатель является аналогом очень аналогичного сконструированного генератора, который преобразует мощность двигателя в электрическую. Электродвигатели обычно генерируют вращающиеся движения, но они также могут использоваться для создания трансляционных движений (линейный привод). Электродвигатели используются для управления многими оборудованием, машинами и транспортными средствами.

Принцип действия
Электродвигатели — это устройства, которые преобразуют электрическую энергию в механическую энергию. Средствами этого преобразования энергии в электродвигателях является магнитное поле. Существуют различные типы электродвигателей, и каждый тип имеет разные компоненты, структура которых определяет взаимодействие электрических и магнитных потоков, которые вызывают силу или крутящий момент двигателя.

Основной принцип заключается в том, что описание того, как сила вызвано взаимодействием точечного электрического заряда q в электрическом и магнитном полях, является законом Лоренца:

где:
q: пунктуальный электрический заряд
E: Электрическое поле
v: скорость частиц
B: плотность магнитного поля

В случае чисто электрического поля выражение уравнения сводится к:

Сила в этом случае определяется только зарядом q и электрическим полем E. Это кулоновская сила действует вдоль проводника, создающего электрический поток, например, в катушках статора индукционных машин или в роторе двигателей постоянного тока.

В случае чисто магнитного поля:

Сила определяется зарядом, плотностью магнитного поля B и скоростью нагрузки v. Эта сила перпендикулярна магнитному полю и направлению скорости нагрузки. Обычно в движении имеется много нагрузок, поэтому удобно переписать выражение в терминах плотности заряда Fv (сила в единице объема):

К продукту  он известен как плотность тока J (ампер на квадратный метр):

Тогда полученное выражение описывает силу, возникающую при взаимодействии тока с магнитным полем:

Это основной принцип, объясняющий, как возникают силы в электромеханических системах, таких как электродвигатели. Однако полное описание для каждого типа электродвигателя зависит от его компонентов и конструкции.

Линейный двигатель
Линейный двигатель — это по существу любой электродвигатель, который был «разворачиван», так что вместо создания крутящего момента (вращения) он создает прямолинейную силу вдоль своей длины.

Линейные двигатели чаще всего являются асинхронными двигателями или шаговыми двигателями. Линейные двигатели обычно встречаются во многих роликовых подстаканниках, где быстрое движение безмоторного вагона контролируется рельсом. Они также используются в поездах маглева, где поезд «летает» над землей. В меньших масштабах, в 1985 году эскалатор HP 7225A использовал два линейных шаговых двигателя для перемещения пера вдоль осей X и Y.

электромагнетизм

Сила и момент
Основная цель подавляющего большинства мировых электродвигателей состоит в том, чтобы электромагнитно индуцировать относительное перемещение в воздушном зазоре между статором и ротором для получения полезного крутящего момента или линейной силы.

Согласно закону силы Лоренца сила обмоточного проводника может быть задана просто:

или в более общем плане, для обработки проводников с любой геометрией:

Наиболее общие подходы к вычислению сил в двигателях используют тензоры.

Мощность
Где rpm — скорость вала, а T — момент, механическая мощность двигателя Pem определяется,

в британских единицах с Т, выраженным в фунтах,
 (лошадиная сила), и,

в единицах СИ с угловой скоростью вала, выраженной в радианах в секунду, и Т, выраженной в Ньютонометрах,
 (Вт).

Для линейного двигателя с силой F, выраженной в ньютонах и скоростью v, выраженной в метрах в секунду,

 (Вт).

В асинхронном или асинхронном двигателе соотношение между скоростью двигателя и мощностью воздушного зазора, пренебрегая скин-эффектом, определяется следующим:
 , где

Rr — сопротивление ротора
I _r ² — квадрат тока, индуцированного в роторе
s — проскальзывание двигателя; т.е. разница между синхронной скоростью и скоростью скольжения, которая обеспечивает относительное движение, необходимое для индукции тока в роторе.

Назад emf
Так как обмотки якоря постоянного тока или универсального двигателя движутся через магнитное поле, они имеют индуцированное в них напряжение. Это напряжение имеет тенденцию противостоять напряжению питания двигателя и поэтому называется «назад электродвижущей силой (ЭДС)». Напряжение пропорционально скорости движения двигателя.Задняя ЭДС двигателя плюс падение напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки и щетках должны быть равны напряжению на щетках.  Это обеспечивает фундаментальный механизм регулирования скорости в двигателе постоянного тока. Если механическая нагрузка увеличивается, двигатель замедляется; результаты обратной волны в нижней части спины, и больше тока извлекается из питания. Этот увеличенный ток обеспечивает дополнительный крутящий момент для баланса новой нагрузки.
В компьютерах с переменным током иногда полезно учитывать источник обратной волны emf в машине; в качестве примера это вызывает особую озабоченность по поводу тесного регулирования скорости асинхронных двигателей на VFD.

потери
Потери двигателя связаны главным образом с резистивными потерями в обмотках, потерями в сердечнике и механическими потерями в подшипниках, а также возникают аэродинамические потери, особенно там, где присутствуют охлаждающие вентиляторы.

Потери также возникают при коммутации, искровых механических коммутаторах и электронных коммутаторах, а также рассеивают тепло.

КПД
Для расчета эффективности двигателя механическая выходная мощность делится на электрическую входную мощность:
 ,

где  является эффективность преобразования энергии,  электрическая входная мощность, и  механическая выходная мощность:

где  это входное напряжение,  входной ток, T — выходной крутящий момент, и  — выходная угловая скорость.  Аналитически можно получить точку максимальной эффективности. Обычно он составляет менее 1/2 крутящего момента.

Различные регулирующие органы во многих странах внедрили и внедрили законодательство, поощряющее производство и использование электродвигателей с более высокой эффективностью.

Коэффициент добротности
Эрик Лайтвейт предложил метрику, чтобы определить «доброту» электродвигателя: 

Куда:
 коэффициент добротности (коэффициенты выше 1, вероятно, будут эффективными)
 — площади поперечного сечения магнитной и электрической цепи
 представляют собой длины магнитных и электрических цепей
 является проницаемость сердечника
 — это угловая частота, с которой двигатель

Из этого он показал, что наиболее эффективные двигатели, вероятно, будут иметь относительно большие магнитные полюса. Однако это уравнение относится только к моделям без ПМ.

Параметры производительности

Момент затяжки моторов
Все электромагнитные двигатели, которые включают в себя упомянутые здесь типы, вызывают крутящий момент от векторного произведения взаимодействующих полей.  Для расчета крутящего момента необходимо знать поля в воздушном зазоре. Как только они были установлены путем математического анализа с использованием FEA или других инструментов, крутящий момент можно вычислить как интеграл всех векторов силы, умноженных на радиус каждого вектора. Ток, текущий в обмотке, создает поля, а для двигателя с использованием магнитного материала поле не линейно пропорционально току. Это затрудняет вычисление, но компьютер может выполнить многие расчеты.

Как только это будет сделано, цифра, связывающая ток с крутящим моментом, может использоваться как полезный параметр для выбора двигателя. Максимальный крутящий момент для двигателя будет зависеть от максимального тока, хотя это, как правило, будет использоваться только до тех пор, пока термические соображения не будут иметь приоритет.

При оптимальном проектировании в пределах заданного ограничения насыщения ядра и для заданного активного тока (т. Е. Крутящего момента), напряжения, числа пар полюсов, частоты возбуждения (т. Е. Синхронной скорости) и плотности потока воздушного зазора все категории электродвигателей или генераторы будут демонстрировать практически такой же максимальный непрерывный крутящий момент вала (т. е. рабочий крутящий момент) в заданной области воздушного зазора с обмотками и глубиной заднего железа, которая определяет физические размеры электромагнитного сердечника. В некоторых приложениях требуется крутящий момент за максимальный рабочий крутящий момент, такой как короткие всплески крутящего момента для ускорения электромобиля от остановки. Всегда ограниченные насыщением магнитного сердечника или безопасным повышением температуры и напряжением, способность к крутящим моментам за пределы максимального рабочего момента значительно отличается между категориями электродвигателей или генераторов.

Емкость для всплесков крутящего момента не следует путать с возможностью ослабления поля. Ослабление поля позволяет электрической машине работать за пределы заданной частоты возбуждения.  Ослабление поля выполняется, когда максимальная скорость не может быть достигнута за счет увеличения приложенного напряжения. Это относится только к двигателям с регулируемыми по току полям и, следовательно, не может быть достигнуто с помощью двигателей с постоянными магнитами.

Электрические машины без топологии трансформаторной схемы, такие как WRSM или PMSM, не могут реализовать всплески крутящего момента выше максимального расчетного момента без насыщения магнитного сердечника и любого увеличения тока как бесполезного. Кроме того, блок ПМСМ с постоянными магнитами может быть поврежден непоправимо, если попытки всплесков крутящего момента превышают максимальный крутящий момент.

Электрические машины с топологией трансформаторной схемы, такие как индукционные машины, индукционные двухкомпонентные электрические машины, а также индукционные или синхронные машины с двунаправленным раневым ротором (WRDF), демонстрируют очень высокие всплески крутящего момента, поскольку активный ток, индуцированный ЭДС, на любом стороны трансформатора противостоят друг другу и, таким образом, не влияют на плотность магнитного потока магнитного сердечника, связанного с трансформатором, что в противном случае привело бы к насыщению ядра.

Электрические машины, которые полагаются на индукционные или асинхронные принципы, замыкают один порт схемы трансформатора, и в результате реактивный импеданс трансформаторной цепи становится доминирующим по мере увеличения скольжения, что ограничивает величину активного (то есть реального) тока. Тем не менее реализуются всплески крутящего момента, которые в два-три раза превышают максимальный расчетный крутящий момент.

Синхронная двухсторонняя машина (BWRSDF) с бесколлекторным раневым ротором является единственной электрической машиной с истинно двухполярной топологией трансформаторной схемы (т.е. оба порта независимо возбуждены без короткого замыкания). Известно, что топология схемы с двумя портированными трансформаторами нестабильна и требует многофазного узла щетки скольжения для распространения ограниченной мощности на комплект обмотки ротора. Если бы имелись прецизионные средства для мгновенного регулирования угла крутящего момента и скольжения для синхронной работы во время движения или генерации при одновременном обеспечении бесщеточной мощности на намотке ротора, активный ток машины BWRSDF не зависел бы от реактивного сопротивления схемы трансформатора и значительно превышающие максимальный рабочий крутящий момент и намного превосходящие практические возможности любого другого типа электрической машины.  Рассчитаны крутящие моменты, превышающие восьмикратный рабочий крутящий момент.

Плотность непрерывного крутящего момента
Постоянная плотность крутящего момента обычных электрических машин определяется размером зоны воздушного зазора и глубиной заднего железа, которые определяются степенью мощности набора обмоток якоря, скоростью машины и достижимыми характеристиками воздушно- плотность потока зазоров до насыщения ядра. Несмотря на высокую коэрцитивность постоянных магнитов неодима или самария-кобальта, постоянная плотность крутящего момента практически одинакова среди электрических машин с оптимально разработанными намотками арматуры. Непрерывная плотность крутящего момента относится к способу охлаждения и допустимого периода эксплуатации перед разрушением при перегреве обмоток или повреждении постоянным магнитом.

Другие источники утверждают, что различные топологии e-machine имеют разную плотность крутящего момента. Один источник показывает следующее:

Тип электрической машины	Удельная плотность крутящего момента (Нм / кг)
SPM — бесщеточный переменного тока, токовая проводимость 180 °	1,0
SPM — бесщеточный переменного тока, токовая проводимость 120 °	0. 9-1.15
IM, асинхронная машина	0,7-1,0
IPM, внутренняя машина с постоянными магнитами	0,6-0,8
VRM, машина с удвоенным показателем сопротивления	0,7-1,0

где — удельная плотность крутящего момента нормализована до 1,0 для SPM — бесщеточный переменного тока, токовая проводимость 180 °, SPM — машина для поверхностного постоянного магнита.

Плотность крутящего момента примерно в четыре раза больше для электродвигателей, которые охлаждаются жидкостью, по сравнению с воздушными охлаждением.

Источник сравнения постоянного тока (DC), асинхронных двигателей (IM), синхронных двигателей с постоянными магнитами (PMSM) и переключаемых двигателей с сопротивлением (SRM) показал:

Характеристика	Округ Колумбия	Я	PMSM	SRM
Плотность крутящего момента	3	3,5	5	4
Удельная мощность	3	4	5	3,5

Другой источник отмечает, что синхронные машины с постоянными магнитами до 1 МВт имеют значительно более высокую плотность крутящего момента, чем индукционные машины.

Непрерывная плотность мощности
Непрерывная плотность мощности определяется продуктом непрерывной плотности крутящего момента и постоянным диапазоном крутящего момента электрической машины.

Специальные магнитные двигатели

ротационный

Безрулевой или бесколлекторный роторный двигатель
Ничто в принципе ни одного из двигателей, описанных выше, не требует, чтобы железные (стальные) части ротора фактически вращались. Если мягкий магнитный материал ротора выполнен в виде цилиндра, то (за исключением эффекта гистерезиса) крутящий момент действует только на обмотки электромагнитов. Воспользовавшись этим фактом, используется бесконтактный или безредукторный двигатель постоянного тока, специализированный вариант постоянного двигателя постоянного тока. Оптимизированные для быстрого ускорения, эти двигатели имеют ротор, который построен без какого-либо железного сердечника. Ротор может иметь форму намоточного цилиндра или самонесущую конструкцию, содержащую только магнитную проволоку и связующий материал.  Ротор может помещаться внутри магнитов статора; магнитно-мягкий неподвижный цилиндр внутри ротора обеспечивает обратный путь для магнитного потока статора. Вторая компоновка имеет корзину намотки ротора, окружающую магниты статора. В этой конструкции ротор помещается внутри магнитно-мягкого цилиндра, который может служить корпусом для двигателя, а также обеспечивает обратный путь для потока.

Поскольку ротор намного легче по массе, чем обычный ротор, образованный из медных обмоток на стальных ламинатах, ротор может ускоряться намного быстрее, часто достигая механической постоянной времени в течение одного мс. Это особенно верно, если на обмотках используется алюминий, а не более тяжелая медь. Но поскольку в роторе нет металлической массы, чтобы действовать как теплоотвод, даже небольшие двигатели без сердечника часто должны охлаждаться принудительным воздухом. Перегрев может быть проблемой для бесконтактных двигателей постоянного тока. Современное программное обеспечение, такое как Motor-CAD, может помочь увеличить тепловой КПД двигателей, хотя и находится на стадии проектирования.

Среди этих типов — типы дисков-роторов, более подробно описанные в следующем разделе.

Вибрирующий сигнал сотовых телефонов иногда генерируется крошечными цилиндрическими типами полей с постоянными магнитами, но существуют также дискообразные типы, которые имеют тонкий многополярный магнит на диске, и преднамеренно неуравновешенную формованную пластиковую роторную структуру с двумя связанными бесколлекторными катушками. Металлические щетки и плоский коммутатор переключаются на катушки ротора.

Связанные приводы с ограниченным ходом не имеют сердечника и связанной катушки, размещенной между полюсами тонких постоянных магнитов с высоким потоком. Это быстрые позиционеры для жестких дисков (жестких дисков). Хотя современный дизайн значительно отличается от современного громкоговорителя, он все еще свободно (и неправильно) называется структурой «звуковой катушки», поскольку некоторые более ранние жесткие диски с дисковым накопителем перемещаются по прямым линиям и имеют структуру привода, громкоговорителя.

Блин или осевой роторный двигатель
Печатный якорь или двигатель блинчика имеют обмотки в виде диска, работающего между массивами магнитов с высоким потоком. Магниты расположены в окружности, обращенной к ротору, с промежутком между ними, чтобы образовать осевой воздушный зазор. Эта конструкция широко известна как двигатель блинчика из-за ее плоского профиля. У технологии было много фирменных наименований с момента ее создания, например ServoDisc.

Печатная арматура (первоначально сформированная на печатной плате) в печатном двигателе якоря выполнена из перфорированных медных листов, которые ламинируются вместе с использованием передовых композитов для образования тонкого жесткого диска.Печатная арматура имеет уникальную конструкцию в мире мостового мотора, поскольку она не имеет отдельного кольцевого коммутатора. Щетки запускаются непосредственно на поверхности якоря, что делает весь дизайн очень компактным.

Альтернативным методом изготовления является использование намотанной медной проволоки, уложенной плоской с центральным обычным коммутатором, в форме цветка и лепестка.  Обмотки обычно стабилизируются с помощью электрических систем эпоксидной заливки. Это наполненные эпоксиды, которые имеют умеренную, смешанную вязкость и длительное время гелеобразования. Они выделяются низкой усадкой и низкой экзотермией и обычно UL 1446 признаются в качестве заливающего компаунда, изолированного по 180 ° C, класса H.

Уникальным преимуществом бесщеточных двигателей постоянного тока является отсутствие зубцов (изменения крутящего момента, вызванные изменением притяжения между железом и магнитами). Паразитные вихревые токи не могут образовываться в роторе, поскольку он абсолютно невозможен, хотя железные роторы ламинируются. Это может значительно повысить эффективность, но контроллеры с переменной скоростью должны использовать более высокую скорость переключения (& gt; 40 кГц) или постоянный ток из-за пониженной электромагнитной индукции.

Эти двигатели были первоначально изобретены для привода ведущих магнитных ленточных накопителей, где минимальное время для достижения рабочей скорости и минимальной остановки было критическим.  Масляные моторы широко используются в высокопроизводительных сервоуправляемых системах, роботизированных системах, промышленной автоматизации и медицинских устройствах. Благодаря разнообразию доступных конструкций технология используется в приложениях от высокотемпературных военных до недорогих насосов и базовых сервоприводов.

Другой подход (Magnax) — использовать один статор, зажатый между двумя роторами. Одна такая конструкция обеспечивала максимальную мощность 15 кВт / кг, устойчивую мощность около 7,5 кВт / кг. Этот беспилотный двигатель с осевым потоком имеет более короткий путь потока, удерживая магниты дальше от оси. Конструкция позволяет иметь нулевой обмотки; 100 процентов обмоток активны. Это усиливается благодаря использованию медной проволоки прямоугольного сечения. Двигатели могут быть сложены для параллельной работы.Нестабильность сводится к минимуму за счет того, что два диска ротора накладывают равные и противоположные силы на диск статора. Роторы соединены непосредственно друг с другом через кольцо вала, отменяя магнитные силы.

Двигатели Magnax имеют диаметр от 15 до 5,4 метра (5,9 дюйма на 17 футов 8,6 дюйма).

Серводвигатель
Сервомотор — это двигатель, который часто продается как полный модуль, который используется в системе управления с обратной связью по положению или скорости.Сервомоторы используются в таких применениях, как станки, пленочные плоттеры и другие технологические системы. Двигатели, предназначенные для использования в сервомеханизме, должны иметь хорошо документированные характеристики для скорости, крутящего момента и мощности. Кривая скорости и крутящего момента очень важна и имеет высокое соотношение для серводвигателя. Также важны динамические характеристики отклика, такие как индуктивность обмотки и инерция ротора; эти факторы ограничивают общую производительность петли сервомеханизма. Большие, мощные, но медленно реагирующие серво-петли могут использовать обычные двигатели переменного или постоянного тока и системы привода с обратной связью по положению или скорости на двигателе.  По мере увеличения требований к динамическому реагированию используются более специализированные конструкции двигателей, такие как бесконтактные двигатели.Превосходные характеристики мощности и ускорения электродвигателей переменного тока по сравнению с двигателями постоянного тока имеют тенденцию поддерживать синхронные приводы с постоянным магнитом, BLDC, индукционные и SRM-приводы.

Сервосистема отличается от некоторых применений шагового двигателя тем, что обратная связь по положению постоянно, пока двигатель работает. Шаговая система по своей сути работает с разомкнутым контуром — полагаясь на двигатель, чтобы не «пропустить шаги» для краткосрочной точности — с любой обратной связью, такой как «домашний» переключатель или датчик положения, являющийся внешним по отношению к двигательной системе. Например, при запуске типичного компьютерного принтера с точечной матрицей его контроллер превращает привод шагового двигателя печатающей головки в его левый предел, где датчик положения определяет исходное положение и останавливается.  Пока питание включено, двунаправленный счетчик в микропроцессоре принтера отслеживает положение печатающей головки.

Шаговый двигатель
Шаговые двигатели являются часто используемым двигателем, когда требуются точные вращения. В шаговом двигателе внутренний ротор, содержащий постоянные магниты или магнитно-мягкий ротор с выступающими полюсами, управляется набором внешних магнитов, которые переключаются электронным способом. Шаговый двигатель можно также рассматривать как крест между электродвигателем постоянного тока и ротационным соленоидом. Когда каждая катушка включается поочередно, ротор выравнивается с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбужденного поля. В отличие от синхронного двигателя, при его применении шаговый двигатель не может вращаться непрерывно; вместо этого он «шагает» — начинается, а затем быстро останавливается снова — от одного положения к другому, когда обмотки возбуждения возбуждаются и обесточиваются последовательно. В зависимости от последовательности ротор может поворачиваться вперед или назад, и он может в любое время изменять направление, останавливаться, ускоряться или замедляться.

Простые драйверы шагового двигателя полностью активируют или полностью обесточивают обмотки возбуждения, приводя ротор к «зубчатому колесу» к ограниченному числу положений;более сложные драйверы могут пропорционально управлять мощностью обмоток поля, позволяя роторам располагаться между точками зубчатого колеса и тем самым вращаться чрезвычайно плавно. Этот режим работы часто называют микрошагом. Управляемые компьютером шаговые двигатели являются одной из самых универсальных форм позиционирующих систем, особенно в части цифровой сервоуправляемой системы.

Шаговые двигатели можно легко поворачивать под определенным углом дискретными шагами, и, следовательно, шаговые двигатели используются для позиционирования головки чтения / записи в дисководах гибких дисков. Они использовались с той же целью в компьютерных дисках в эпоху до гигабайта, где точность и скорость, которые они предлагали, были достаточными для правильного позиционирования головки чтения / записи на жестком диске. По мере увеличения плотности дисков ограничения скорости и скорости шаговых двигателей сделали их устаревшими для жестких дисков — ограничение точности сделало их непригодными для использования, а ограничение скорости сделало их неконкурентоспособными, поэтому новые жесткие диски используют системы с головным приводом с голосовой катушкой. (Термин «звуковая катушка» в этой связи является историческим, он относится к структуре в типичном (коническом) громкоговорителе. Эта структура использовалась некоторое время для размещения головок. Современные приводы имеют поворотную катушку, катушки качания назад и вперед, что-то вроде лопасти вращающегося вентилятора. Тем не менее, как звуковая катушка, современные проводники катушки привода (магнитный провод) движутся перпендикулярно силовым линиям магнитного поля.)

Шаговые двигатели использовались и по-прежнему часто используются в компьютерных принтерах, оптических сканерах и цифровых фотокопировальных устройствах для перемещения оптического сканирующего элемента, каретки печатающей головки (точечной матрицы и струйных принтеров) и валиков или подающих роликов.  Аналогично, многие компьютерные плоттеры (которые с начала 1990-х годов были заменены крупноформатными струйными и лазерными принтерами) использовали вращающиеся шаговые двигатели для движения пера и валика; типичными альтернативами здесь были либо линейные шаговые двигатели, либо серводвигатели с аналоговыми системами управления с замкнутым контуром.

Так называемые кварцевые аналоговые наручные часы содержат наименьшие обычные шаговые двигатели; они имеют одну катушку, набирают очень мало энергии и имеют постоянный магнитный ротор. Такой же двигатель работает от кварцевых часов с батарейным питанием. Некоторые из этих часов, например, хронографы, содержат более одного шагового двигателя.

Тесно связанные с проектированием трехфазные синхронные двигатели переменного тока, шаговые двигатели и SRM классифицируются как тип двигателя с переменным сопротивлением. Шаговые двигатели были и остаются часто используемыми в компьютерных принтерах, оптических сканерах и компьютерах с числовым программным управлением (ЧПУ), таких как маршрутизаторы, плазменные резцы и токарные станки с ЧПУ.

Немагнитные двигатели
Электростатический двигатель основан на притяжении и отталкивании электрического заряда.Обычно электростатические двигатели сочетаются с обычными моторами на катушках.Обычно они требуют высоковольтного источника питания, хотя очень маленькие двигатели используют более низкие напряжения. Обычные электродвигатели вместо этого используют магнитное притяжение и отталкивание и требуют большого тока при низких напряжениях. В 1750-е годы первые электростатические двигатели были разработаны Бенджамином Франклином и Эндрю Гордоном. Сегодня электростатический двигатель часто используется в микроэлектромеханических системах (МЭМС), где их приводные напряжения составляют менее 100 вольт, а движущиеся заряженные пластины намного легче изготавливать, чем катушки и железные сердечники. Кроме того, молекулярный механизм, который управляет живыми клетками, часто основан на линейных и вращающихся электростатических двигателях.

Пьезоэлектрический двигатель или пьезомотор — это тип электродвигателя, основанный на изменении формы пьезоэлектрического материала при приложении электрического поля. Пьезоэлектрические двигатели используют обратный пьезоэлектрический эффект, при котором материал производит акустические или ультразвуковые колебания для создания линейного или вращательного движения. В одном механизме удлинение в одной плоскости используется для того, чтобы сделать ряд растяжек и удерживание положения, подобно тому, как движется гусеница.

В двигательной силовой установке с электрическим приводом используется технология электродвигателей для запуска космических аппаратов в космическом пространстве, причем большинство систем основано на электрическом питании пропеллента на высокой скорости, причем некоторые системы основаны на принципах электродинамической привязки движений к магнитосфере.

Электрические двигатели: классификация, устройство, принцип работы

Пример HTML-страницы

Электрический двигатель – специальная машина (ее еще называют электромеханическим преобразователем), с помощью которой электроэнергия преобразовывается в механическое движение.

Побочный эффект такой конвертации – выделение тепла.

При-этом современные двигатели обладают очень высоким КПД, который достигает 98%, в результате чего их использование экономически более выгодно по сравнению с двигателями внутренного сгорания. Электрические двигатели используются во всех сферах народного хозяйства, начиная от бытового применения, заканчивая военной техникой.

Содержание

1. Электрические двигатели и их разновидности
2. По принципу работы электродвигатели переменного тока бывают
3. Преимущества и недостатки асинхронных двигателей
4. Особенности работы синхронных двигателей

Электрические двигатели и их разновидности

Как известно с базового школьного курса физики, ток бывает переменным и постоянным. В бытовой электросети – переменный ток. Батарейки, аккумуляторы и другие мобильные источники питания предоставляют постоянный ток.

 

Электродвигатели постоянного тока характеризуются хорошими эксплуатационными и динамическими характеристиками.

 Такие изделия широко используются в подъемных машинах, буровых станках, полимерном оборудовании, в некоторых агрегатах экскаваторов.

По принципу работы электродвигатели переменного тока бывают

• асинхронными;
• синхронными.

Подробное сравнение этих видов машин можно почитать тут.

Синхронные двигатели – электрические машины, где скорость вращения ротора полностью идентична частоте магнитного поля. Учитывая эту особенность, такие устройства актуальны там, где необходима стабильная высокая скорость вращения: насосы, крупные вентиляторы, генераторы, компрессоры, стиральные машины, пылесосы, практически все электроинструменты.

Особое внимание среди синхронных устройств, заслуживают шаговые двигатели. Они обладают несколькими обмотками. Такой подход позволяет с высокой точностью изменять скорость вращения таких электродвигателей.

Асинхронными двигателями называют такие машины, в которых скорость ротора отличается от частоты движения магнитного поля.

Нашли свое применение в подавляющем большинстве отраслей народного хозяйства: в приводах дымососов, транспортерах, шаровых мельницах, наждачных, сверлильных станках, в холодильном оборудовании, вентиляторах, кондиционерах, микроприводах.

Максимальная скорость вращения асинхронных установок – 3000 об/мин.

Интересное видео о двигателях смотрите ниже:

Асинхронные электродвигатели могут обладать фазным и короткозамкнутым ротором.

Короткозамкнутый ротор более распространен.

Такие двигатели обладают следующими преимуществами:

• относительно одинаковая скорость вращения при разных уровнях нагрузки;
• не боятся непродолжительных механических перегрузок;
• простая конструкция;
• несложная автоматизация и пуск;
• высокий КПД (коэффициент полезного действия).

Электродвигатели с короткозамкнутым контуром требуют большой пусковой ток.

Если невозможно реализовать выполнение этого условия, то используют устройства с фазным ротором. Они обладают такими достоинствами:

• хороший начальный вращающий момент;
• нечувствительны к кратковременным перегрузкам механической природы;
• постоянная скорость работы при наличии нагрузок;
• малый пусковой ток;
• с такими двигателями применяют автоматические пусковые устройства;
• могут в небольших пределах изменять скорость вращения.

К основным недостаткам асинхронных двигателей относят то, что изменять их скорость работы можно только посредством изменения частоты электрического тока.

Кроме того, частота вращения – относительна. Она колеблется в небольших пределах. Иногда это недопустимо.

Интересное видео об асинхронных электродвигателях смотрите ниже:

Особенности работы синхронных двигателей

Все синхронные двигатели обладают такими преимуществами:

1. Они не отдают и не потребляют реактивную энергию в сеть. Это позволяет уменьшить их габариты при сохранении мощности. Типичный синхронный электродвигатель меньше асинхронного.
2. В сравнении с асинхронными устройствами, менее чувствительны к скачкам напряжения.
3. Хорошая сопротивляемость перегрузкам.
4. Такие электрические машины способны поддерживать постоянную скорость вращения, если уровень нагрузок не превышает допустимые пределы.

В любой бочке, есть ложка с дегтем. Синхронным электродвигателям присущи такие недостатки:

• сложная конструкция;
• затрудненный пуск в ход;
• довольно сложно изменять скорость вращения (посредством изменения значения частоты тока).

Сочетание всех этих особенностей делает синхронные двигатели невыгодными при мощностях до 100 Вт. А вот на более высоких уровнях производительности, синхронные машины показывают себя во всей красе.

Электродвигатель

— введение, работа, детали и использование

В начале 1800-х годов Майкл Фарадей раскрывал аспекты и использование электричества.

Электродвигатель, в целом хорошо известный как двигатель, является одним из самых больших достижений в области науки. Жизнь, которую мы ведем сегодня, связана с изобретением двигателей, иначе мы использовали бы электричество только для того, чтобы зажечь лампочку. Электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Проще говоря, электродвигатель — это устройство, используемое для производства вращательной энергии.

Принцип работы электродвигателя

Принцип действия электродвигателя заключается в том, что когда катушка помещается в магнитное поле и через нее проходит ток, катушка вращается.

Работа электродвигателя

Теперь давайте начнем с работы электродвигателя. Схематическое изображение электродвигателя показано ниже.

Прежде чем мы поймем, как это работает, давайте посмотрим на части электродвигателя. Базовая конструкция электродвигателя состоит из прямоугольного провода, двух сильных магнитов и аккумулятора. Если нас спросят, каковы два основных компонента электродвигателя, ответом будут магниты для создания магнитного поля и катушка для демонстрации эффекта магнитного поля.

Детали электродвигателя

• Прямоугольная катушка ABCD.

• Два сильных магнита, которые могут быть любого типа, будь то подковообразный или стержневой магнит. Они используются для создания сильного магнитного поля.

• Разрезные кольца используются для вращения прямоугольной катушки.

• Щетки используются в качестве контакта между разрезными кольцами.

Рабочий

• Теперь при пропускании электрического тока через прямоугольную катушку ABCD. Мы замечаем, что ток между плечами BC и AD параллелен магнитному полю, тогда как ток между AB и CD перпендикулярен магнитному полю. Поэтому магнитное поле будет действовать только на плечи AB и CD.

• Согласно правилу левой руки Флеминга, в плече АВ сила направлена ​​вниз, а магнитное поле направлено с севера на юг. Точно так же в руке CD направление силы направлено вверх.

• Следовательно, силы в плечах AB и CD направлены в противоположные стороны, это приведет к вращению прямоугольной катушки ABCD.

• После половины оборота кольцо Q соприкоснется со щеткой X, а кольцо P соприкоснется с Y, это приведет к изменению направления тока.

• Поскольку направление тока изменилось, направление сил в плечах AB и CD также изменится, поэтому катушка продолжает вращаться в том же направлении.

После изучения двигателей обычно возникает вопрос, каково использование электродвигателей. Электродвигатели широко используются в большинстве бытовых приборов, таких как вентиляторы, смесители и т. д.

Применение электродвигателей

• Они используются в электрических вентиляторах.

• Используются в стиральных машинах.

• Используется в водяных насосах.

Типы электродвигателей

Три основных типа электродвигателей — это двигатели постоянного тока, двигатели переменного тока и другие двигатели специального назначения.

Ниже перечислены подтипы и пояснения к двигателям постоянного и переменного тока, а также двигателям специального назначения:

(A) Двигатель постоянного тока: Электродвигатель, который используется для преобразования постоянного электрического тока в механическую работу, называется двигателем постоянного тока. Различные типы двигателей постоянного тока включают шунтирующий двигатель постоянного тока, двигатель с независимым возбуждением, серийный двигатель, двигатель постоянного тока с постоянными магнитами и составной двигатель.

1. Шунтовой двигатель постоянного тока. Подобно обмоткам якоря и обмоткам возбуждения, обмотки шунтирующего двигателя постоянного тока соединены параллельно; эта параллельная связь называется шунтом, а обмотка называется шунтирующей обмоткой.

2. Двигатель с независимым возбуждением. В этом типе двигателя обмотки якоря сделаны более прочными для создания большего потока, а соединение между статором и ротором построено с использованием различных источников питания. Электродвигатель с независимым возбуждением управляется из каскада.

3. Двигатель постоянного тока – обмотки ротора в этом типе двигателя соединены последовательно. Двигатель постоянного тока работает по простому закону электромагнетизма. Электромагнитный закон гласит, что для создания электродвижущей силы электромагнитное поле приводится во взаимодействие с электрической цепью. Электромагнитный закон приводит к вращательному движению двигателя. Этот тип двигателя в основном используется в автомобилях или лифтах в качестве стартеров.

4. Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами. Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами или постоянный магнит поставляется со встроенным магнитом, который постоянно находится внутри двигателя. Этот магнит обеспечивает формирование крайне необходимого для работы электродвигателя магнитного поля.

5. Составной двигатель постоянного тока. Составной двигатель постоянного тока представляет собой сочетание последовательного двигателя постоянного тока и шунтирующего двигателя постоянного тока. Поскольку в этом двигателе присутствуют как последовательная, так и шунтирующая обмотки, пуск и ротор соединены друг с другом через соединение последовательной и шунтирующей обмотки.

(B) Двигатель переменного тока: AC в двигателе переменного тока означает переменный ток, который используется для его работы. Этот тип двигателя обычно состоит из внешней и внутренней частей; внешний статор состоит из катушек, через которые пропускается переменный заряд или ток для создания вращения в магнитном поле. В то время как внутренняя часть ротора соединена с выходным валом, который генерирует второе магнитное поле при вращении. Двумя основными типами двигателей переменного тока являются синхронный двигатель и асинхронный двигатель.

Ниже приведены объяснения работы двух типов двигателей переменного тока:

1. Асинхронный двигатель. Асинхронный двигатель — это тип двигателя переменного тока, который работает на асинхронной скорости; поэтому его также называют асинхронным двигателем. Этот двигатель использует электромагнитную индукцию для преобразования электрической энергии в механическое движение двигателя. Существует два типа асинхронных двигателей: двигатель с короткозамкнутым ротором и двигатель с фазной обмоткой.

2. Синхронный двигатель- Синхронный двигатель работает от трехфазной сети. Статор генерирует ток вращающегося поля, от которого также зависит работа ротора. Когда точность вращения очень высока, эти типы двигателей можно использовать в робототехнике и автоматике.

(C) Двигатель специального назначения: Проще говоря, двигатели специального назначения включают в себя все другие типы двигателей, кроме двигателей переменного тока и двигателей постоянного тока общего назначения. Некоторыми из широко используемых двигателей специального назначения являются шаговые двигатели, бесщеточные двигатели постоянного тока, гистерезисные двигатели и реактивные двигатели.

Ниже приведены пояснения по работе этих двигателей специального назначения:

1. Шаговый двигатель. Эффективной альтернативой стабильному вращению является шаговое вращение, которое может быть обеспечено шаговыми двигателями. Мы знаем, что угол поворота любого ротора составляет 180 градусов. Однако в шаговых двигателях этот угол поворота делится на несколько шагов, например 9.шаг 20 градусов. Некоторые приложения шаговых двигателей включают генераторы, плоттеры, изготовление схем и инструменты управления технологическим процессом.

2. Бесщеточный двигатель постоянного тока. Бесщеточные двигатели постоянного тока были разработаны для достижения высокого качества работы при меньшем занимаемом пространстве. Эти типы двигателей меньше, чем двигатели переменного тока. Отсутствие коммутатора и токосъемного кольца восполняется имплантацией контроллера в шаговый двигатель.

3. Двигатель с гистерезисом. Двигатель с гистерезисом имеет самую уникальную работу из всех двигателей. Это синхронный двигатель, в котором вращательная сила в роторе создается с использованием гистерезиса и вихревых токов. Движение в роторе достигается за счет вращающегося потока обмотки статора.

4. Реактивный двигатель. Этот тип двигателя представляет собой однофазный синхронный двигатель и обычно применяется в генераторах сигналов и регистраторах. Вспомогательная обмотка обеспечивает стабильную скорость двигателя.

Знаете ли вы?

Электрогенераторы – это оборудование, работающее в обратном направлении. Электрогенераторы производят электричество за счет вращения.

Как работают электромобили? | Объяснение электрических двигателей

Как работает двигатель электромобиля?

Электромобили работают, подключаясь к точке зарядки и получая электричество из сети. Они хранят электричество в перезаряжаемых батареях, которые питают электродвигатель, вращающий колеса. Электромобили разгоняются быстрее, чем автомобили с двигателями на традиционном топливе, поэтому управлять ими легче.

 

Как работает зарядка?

Вы можете зарядить электромобиль, подключив его к общественной зарядной станции или к домашнему зарядному устройству. По всей Великобритании есть множество зарядных станций, чтобы оставаться полностью заряженными, пока вы находитесь вне дома. Но чтобы получить лучшее предложение для домашней зарядки, важно выбрать правильный тариф на электроэнергию для электромобиля, чтобы вы могли тратить меньше денег на зарядку и больше экономить на счетах.

 

Электромобили и их модельный ряд

Расстояние, которое вы можете проехать на полной зарядке, зависит от автомобиля. Каждая модель имеет различный диапазон, размер батареи и эффективность. Идеальным электромобилем для вас будет тот, который вы сможете использовать для своих обычных поездок без необходимости останавливаться и подзаряжаться на полпути. Ознакомьтесь с нашими вариантами лизинга электромобилей.

 

Какие существуют типы электромобилей?

Существует несколько различных типов электромобилей (EV). Некоторые работают исключительно на электричестве, их называют чистыми электромобилями. А некоторые также могут работать на бензине или дизельном топливе, они называются гибридными электромобилями.

• Подключаемый к электросети  — Это означает, что автомобиль работает только на электричестве и получает всю свою мощность, когда он подключен к сети для зарядки. Для работы этого типа не требуется бензин или дизель, поэтому он не производит никаких выбросов, как традиционные автомобили.
• Подключаемый гибрид  — Эти автомобили в основном работают на электричестве, но также имеют двигатель на традиционном топливе, поэтому вы также можете использовать бензин или дизель, если они разрядятся. При работе на топливе эти автомобили будут производить выбросы, а при работе на электричестве — нет. Подключаемые гибриды могут быть подключены к источнику электроэнергии для подзарядки аккумулятора.
• Гибридно-электрический — Они работают в основном на топливе, таком как бензин или дизельное топливо, но также имеют электрическую батарею, которая подзаряжается посредством рекуперативного торможения. Они позволяют переключаться между использованием топливного двигателя и режимом «EV» одним нажатием кнопки. Эти автомобили не могут быть подключены к источнику электроэнергии и полагаются на бензин или дизельное топливо.

 

Что такое внутренние части электромобиля?

Электромобили имеют на 90% меньше движущихся частей, чем автомобили с ДВС (двигатель внутреннего сгорания). Вот разбивка частей, которые заставляют электромобиль двигаться:

• Электродвигатель/Moto r – обеспечивает мощность для вращения колес. Это может быть тип постоянного / переменного тока, однако двигатели переменного тока более распространены.
• Инвертор   – преобразует электрический ток в форме постоянного тока (DC) в переменный ток (AC).
• Трансмиссия   – Электромобили имеют односкоростную трансмиссию, которая передает мощность от двигателя на колеса.
• Аккумуляторы   – Храните электроэнергию, необходимую для работы электромобиля. Чем выше кВт батареи, тем выше диапазон.
• Зарядка   — Подключитесь к розетке или точке зарядки электромобиля, чтобы зарядить аккумулятор.

 

 

Аккумуляторы для электромобилей – объяснение емкости и кВтч

Киловатты (кВт) – это единица мощности (сколько энергии требуется устройству для работы). Киловатт-час (кВтч) — это единица энергии (показывает, сколько энергии было использовано), например. лампочка на 100 Вт потребляет 0,1 кВт каждый час. В среднем дом потребляет 3100 кВтч энергии в год. Электромобиль потребляет в среднем 2000 кВтч энергии в год.

 

Зарядка электромобиля

 

Как зарядить электромобиль?

Вы можете зарядить электромобиль, подключив его к розетке или к зарядному устройству. По всей Великобритании есть множество зарядных станций, чтобы оставаться полностью заряженными, пока вы находитесь вне дома. Существует три типа зарядных устройств:

Трехконтактная вилка  — стандартная трехконтактная вилка, которую можно подключить к любой розетке на 13 ампер.

 

 С розеткой  — точка зарядки, к которой можно подключить кабель типа 1 или типа 2.

 

Привязной — точка зарядки с кабелем, подключенным к разъему типа 1 или типа 2.

 

 

Сколько времени занимает зарядка электромобиля?

Также есть три скорости зарядки электромобиля:

• Медленная — обычно до 3 кВт. Часто используется для зарядки на ночь или на рабочем месте. Время зарядки: 8-10 часов.
• Быстрый — обычно рассчитан на 7 кВт или 22 кВт. Как правило, устанавливаются на автостоянках, в супермаркетах, развлекательных центрах и домах с парковкой во дворе. Время зарядки: 3-4 часа.
• Rapid — обычно от 43 кВт. Совместим только с электромобилями, которые имеют возможность быстрой зарядки. Время зарядки: 30-60 минут.

 

 

Зарядка в разное время года

Погода влияет на то, сколько энергии потребляет ваш электромобиль. У вас больше радиус действия летом и меньше зимой.

 

Зарядка на ходу

Не забудьте скачать приложение Zap-Map, чтобы найти ближайшую зарядную станцию, когда вы в пути.

 

Как далеко вы можете проехать на одной полной зарядке?

Запас хода электромобиля зависит от емкости аккумулятора (кВтч). Чем больше мощность батареи электромобиля, тем больше мощность и тем дальше вы путешествуете. Вот примеры того, как далеко может пройти зарядка некоторых электромобилей:

• Volkswagen e-Golf — пробег: 125 миль — эквивалентно путешествию из Бристоля в национальный парк Сноудония.
• Hyundai Kona Electric — пробег: 250 миль — эквивалент поездки из Лондона в Озерный край.
• Jaguar I-Pace — дальность действия: 220 миль — эквивалентно поездке из Эдинбурга в Бирмингем

20.2 Двигатели, генераторы и трансформаторы — физика

Раздел Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Объяснять, как работают электродвигатели, генераторы и трансформаторы
• Объясните, как коммерческая электроэнергия производится, передается и распределяется

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим учащимся освоить следующие стандарты:

• (5) Учащийся знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
  • (ГРАММ) исследовать и описывать взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.

Основные термины раздела

электродвигатель

генератор

трансформатор

Электродвигатели, генераторы и трансформаторы

Как мы узнали ранее, на проводник с током в магнитном поле действует сила — вспомним F=IℓBsinθF=IℓBsinθ . Электродвигатели, которые преобразуют электрическую энергию в механическую, являются наиболее распространенным приложением магнитной силы на проводах с током. Двигатели состоят из проволочных петель в магнитном поле. Когда ток проходит через петли, магнитное поле оказывает на петли крутящий момент, который вращает вал. При этом электрическая энергия преобразуется в механическую работу. На рис. 20.23 показан схематический чертеж электродвигателя.

Рисунок 20.23 Крутящий момент в токовой петле. Вертикальная проволочная петля в горизонтальном магнитном поле прикреплена к вертикальному валу. Когда ток проходит через проволочную петлю, на нее действует крутящий момент, заставляющий вращать вал.

Давайте рассмотрим силу, действующую на каждый сегмент петли на рис. 20.23, чтобы найти крутящие моменты, возникающие вокруг оси вертикального вала, — это приведет к полезному уравнению для крутящего момента в петле. Считаем магнитное поле однородным на прямоугольной петле шириной w и высотой ℓ,ℓ, как показано на рисунке. Сначала рассмотрим силу, действующую на верхний сегмент петли. Для определения направления силы воспользуемся правилом правой руки. Ток идет слева направо внутрь страницы, а магнитное поле идет слева направо в плоскости страницы. Согните правые пальцы от текущего вектора к вектору магнитного поля, и ваш правый большой палец указывает вниз. Таким образом, сила на верхнем сегменте направлена ​​вниз, что не создает крутящего момента на валу. Повторение этого анализа для нижнего сегмента — пренебрегая небольшим зазором, где выходят провода — показывает, что сила на нижнем сегменте направлена ​​вверх, снова не создавая крутящего момента на валу.

Рассмотрим теперь левый вертикальный сегмент петли. Снова используя правило правой руки, мы находим, что сила, действующая на этот сегмент, перпендикулярна магнитному полю, как показано на рис. 20.23. Эта сила создает крутящий момент на валу. Повторение этого анализа на правом вертикальном сегменте петли показывает, что сила на этом сегменте направлена ​​в направлении, противоположном силе на левом сегменте, таким образом создавая равный крутящий момент на валу. Таким образом, общий крутящий момент на валу вдвое превышает крутящий момент на одном из вертикальных сегментов петли.

Чтобы найти величину крутящего момента при вращении проволочной петли, рассмотрите рис. 20.24, на котором показан вид проволочной петли сверху. Напомним, что крутящий момент определяется как τ=rFsinθ,τ=rFsinθ, где F — приложенная сила, r — расстояние от оси вращения до места приложения силы, а θ — угол между r и Ф . Обратите внимание, что при вращении петли ток в вертикальных сегментах петли всегда перпендикулярен магнитному полю. Таким образом, уравнение F=IℓBsinθF=IℓBsinθ дает величину силы на каждом вертикальном сегменте как F=IℓB.F=IℓB. Расстояние r от вала до места приложения этой силы составляет w /2, поэтому крутящий момент, создаваемый этой силой, равен

τsegment=rFsinθ=w/2IℓBsinθ=(w/2)IℓBsinθ.

20.10

Поскольку есть два вертикальных сегмента, общий крутящий момент в два раза больше, или

τ=wIℓBsinθ. τ=wIℓBsinθ.

20.11

Если у нас есть многократная петля с Н витками, мы получаем Н -кратный крутящий момент одиночной петли. Используя тот факт, что площадь петли равна A=wℓ;A=wℓ; выражение для крутящего момента становится равным

τ=NIABsinθ.τ=NIABsinθ.

20,12

Это крутящий момент на петле с током в однородном магнитном поле. Можно показать, что это уравнение справедливо для петли любой формы.

Рисунок 20.24 Вид сверху на проволочную петлю с рис. 20.23. Магнитное поле создает силу F на каждом вертикальном сегменте проволочной петли, которая создает крутящий момент на валу. Обратите внимание, что токи Iin и IoutIin и Iout имеют одинаковую величину, потому что они оба представляют ток, протекающий в проводной петле, но IinIin течет в страницу, а IoutIout выходит из страницы.

Из уравнения τ=NIABsinθ,τ=NIABsinθ видно, что крутящий момент равен нулю, когда θ=0,θ=0. По мере вращения проволочной петли крутящий момент увеличивается до максимального положительного крутящего момента wℓBwℓB, когда θ=90°.θ=90°. Затем крутящий момент снова уменьшается до нуля по мере того, как проволочная петля поворачивается до θ=180°.θ=180°. От θ=180°, θ=180° до θ=360°, θ=360°, крутящий момент отрицательный. Таким образом, крутящий момент меняет знак каждые пол-оборота, поэтому проволочная петля будет совершать возвратно-поступательные колебания.

Чтобы катушка продолжала вращаться в том же направлении, ток меняется на противоположный, когда катушка проходит через θ=0 и θ=180°, θ=0 и θ=180° с помощью автоматических переключателей, называемых щетки , как показано на рисунке 20.25.

Рисунок 20.25 (а) Поскольку угловой момент катушки переносит ее через θ = 0, θ = 0, щетки меняют направление тока, и крутящий момент остается по часовой стрелке. (b) Катушка непрерывно вращается по часовой стрелке, при этом ток меняется на противоположное каждые пол-оборота, чтобы поддерживать крутящий момент по часовой стрелке.

Рассмотрим теперь, что произойдет, если мы запустим двигатель в обратном направлении; то есть мы прикрепляем ручку к валу и механически заставляем катушку вращаться в магнитном поле, как показано на рис. 20.26. Согласно уравнению F=qvBsinθF=qvBsinθ, где θθ — угол между векторами v→v→ и B→—зарядыB→, заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, поскольку они движутся в магнитном поле. Снова используя правило правой руки, когда мы сгибаем пальцы от вектора v→v→ к вектору B→B→, мы обнаруживаем, что заряды в верхнем и нижнем сегментах испытывают силу, перпендикулярную проводнику, которая не вызывает ток . Однако заряды в вертикальных проводах испытывают силы, параллельные проводу, в результате чего ток течет по проводу и через внешнюю цепь, если она подключена. Такое устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую, называется генератором.

Рисунок 20.26 Когда эта катушка поворачивается на четверть оборота, магнитный поток Φ изменяется от своего максимума до нуля, индуцируя ЭДС, которая пропускает ток через внешнюю цепь.

Поскольку ток индуцируется только в боковых проводах, мы можем найти ЭДС индукции, рассматривая только эти провода. Как поясняется в книге «Наведенный ток в проводе», ЭДС движения в прямом проводе, движущемся со скоростью v через магнитное поле B , равна E=Bℓv, E=Bℓv, где скорость перпендикулярна магнитному полю. В генераторе скорость составляет угол θθ с B (см. рис. 20.27), поэтому составляющая скорости, перпендикулярная B , равна vsinθ.vsinθ. Таким образом, в этом случае ЭДС, индуцированная на каждом вертикальном отрезке провода, равна E=Bℓvsinθ, E=Bℓvsinθ, и они имеют одинаковое направление. Общая ЭДС вокруг контура тогда равна

E=2Bℓvsinθ.E=2Bℓvsinθ.

20.13

Хотя это выражение справедливо, оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы найти, как изменяется во времени ЭДС, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью ω. ω. Угол θθ связан с угловой скоростью соотношением θ=ωt, θ=ωt, так что

E=2Bℓvsinωt.E=2Bℓvsinωt.

20,14

Напомним, что тангенциальная скорость v связана с угловой скоростью ωω соотношением v=rω.v=rω. Здесь r=w/2r=w/2, так что v=(w/2)ωv=(w/2)ω и

E=2Bℓ(w2ω)sinωt=Bℓwωsinωt.E=2Bℓ(w2ω)sinωt=Bℓwωsinωt.

20,15

Заметив, что площадь петли равна A=ℓwA=ℓw и учитывая N проволочных петель, находим, что

E=NABωsinωtE=NABωsinωt

20,16

— ЭДС, индуцируемая в катушке генератора N витков и площадь A вращающихся с постоянной угловой скоростью ωω в однородном магнитном поле B . Это также может быть выражено как

E=E0sinωtE=E0sinωt

20,17

где

E0=NABωE0=NABω

20,18

– максимальная (пиковая) ЭДС.

Рисунок 20.27 Мгновенная скорость вертикальных отрезков проволоки составляет угол θθ с магнитным полем. Скорость показана на рисунке зеленой стрелкой, указан угол θθ.

На рис. 20.28 показан генератор, подключенный к лампочке, и график зависимости ЭДС от времени. Обратите внимание, что ЭДС колеблется от положительного максимума E0E0 до отрицательного максимума -E0.-E0. Между ними ЭДС проходит через ноль, что означает, что в эти моменты через лампочку протекает нулевой ток. Таким образом, лампочка на самом деле вспыхивает и гаснет с частотой 2 f , потому что за период приходится два пересечения нуля. Поскольку переменный ток, подобный этому, используется в домах по всему миру, почему мы не замечаем мерцание света? В США частота переменного тока составляет 60 Гц, поэтому лампочки мигают с частотой 120 Гц. Это быстрее, чем частота обновления человеческого глаза, поэтому вы не замечаете мерцания огней. Кроме того, другие факторы препятствуют столь быстрому включению и выключению различных типов лампочек, поэтому светоотдача составляет немного сгладил .

Рисунок 20.28 ЭДС генератора передается на лампочку с показанной системой колец и щеток. На графике показана зависимость ЭДС генератора от времени. E0E0 – пиковая ЭДС. Период равен T=1/f=2π/ω, T=1/f=2π/ω, где f – частота вращения катушки в магнитном поле.

Виртуальная физика

Генератор

Используйте эту симуляцию, чтобы узнать, как работает электрический генератор. Управляйте подачей воды, которая заставляет водяное колесо вращать магнит. Это индуцирует ЭДС в соседней проволочной катушке, которая используется для зажигания лампочки. Вы также можете заменить лампочку вольтметром, который позволяет увидеть полярность напряжения, которая меняется с положительной на отрицательную.

Проверка захвата

Установите количество проволочных петель равным трем, силу стержневого магнита примерно на 50 процентов и площадь петли на 100 процентов. Обратите внимание на максимальное напряжение на вольтметре. Предполагая, что одно основное деление вольтметра равно 5 В, каково максимальное напряжение при использовании только одной проволочной петли вместо трех проволочных?

1. 5 В
2. 15 В
3. 125 В
4. 53 В

В реальной жизни электрические генераторы выглядят совсем иначе, чем на рисунках в этом разделе, но принцип тот же. Источником механической энергии, вращающей змеевик, может быть падающая вода, гидроэнергия, пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра. Рисунок 20.29показан вид в разрезе паровой турбины; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора.

Рисунок 20.29 Генератор паровой турбины. Пар, образующийся при сжигании угля, воздействует на лопатки турбины, вращая вал, соединенный с генератором. (кредит: Набонако, Викисклад)

Еще одно очень полезное и распространенное устройство, использующее магнитную индукцию, называется трансформатором. Трансформаторы делают то, что следует из их названия — они преобразуют напряжение из одного значения в другое; термин напряжение используется, а не ЭДС, потому что трансформаторы имеют внутреннее сопротивление. Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие бытовые приборы имеют встроенный трансформатор, который преобразует 120 В или 240 В переменного тока в любое напряжение, используемое устройством. На рис. 20.30 показаны два разных трансформатора. Обратите внимание на проволочные катушки, которые видны в каждом устройстве. Назначение этих катушек объясняется ниже.

Рисунок 20.30 Слева — обычный трансформатор с многослойным сердечником, который широко используется в электропередаче и электроприборах. Справа тороидальный трансформатор, который меньше трансформатора с многослойным сердечником при той же номинальной мощности, но его изготовление дороже из-за оборудования, необходимого для намотки проводов в форме пончика.

На рис. 20.31 показан трансформатор с пластинчатой ​​катушкой, основанный на законе индукции Фарадея и очень похожий по конструкции на аппарат, который Фарадей использовал для демонстрации того, что магнитные поля могут генерировать электрические токи. Две проволочные катушки называются первичной и вторичной катушками. При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную обмотку, а вторичная создает преобразованное выходное напряжение. Железный сердечник не только улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, но и его намагничивание увеличивает напряженность поля, что аналогично тому, как диэлектрик увеличивает напряженность электрического поля в конденсаторе. Поскольку входное напряжение переменного тока, через вторичную катушку проходит изменяющийся во времени магнитный поток, индуцирующий выходное напряжение переменного тока.

Рисунок 20.31 Типичная конструкция простого трансформатора состоит из двух катушек, намотанных на ферромагнитном сердечнике. Магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, в основном ограничивается и усиливается сердечником, который передает его вторичной катушке. Любое изменение тока в первичной обмотке индуцирует ток во вторичной обмотке.

Для трансформатора, показанного на рис. 20.31, выходное напряжение VSVS со вторичной обмотки почти полностью зависит от входного напряжения VPVP на первичной обмотке и числа витков в первичной и вторичной обмотках. Закон индукции Фарадея для вторичной катушки дает ее индуцированное выходное напряжение VSVS равным

VS=-NSΔΦΔt,VS=-NSΔΦΔt,

20,19

где NSNS — число витков вторичной обмотки, а ΔΦ/ΔtΔΦ/Δt — скорость изменения магнитного потока. Выходное напряжение равно ЭДС индукции (VS = ES), (VS = ES) при условии, что сопротивление катушки мало — разумное предположение для трансформаторов. Площадь поперечного сечения катушек одинакова с каждой стороны, как и напряженность магнитного поля, поэтому ΔΦ/ΔtΔΦ/Δt одинаково с каждой стороны. Входное первичное напряжение VPVP также связано с изменением потока на

VP=-NPΔΦΔt.VP=-NPΔΦΔt.

20,20

Соотношение этих двух последних уравнений дает полезное соотношение

ВСВП=НСНП(3.07).ВСВП=НСНП(3.07).

20.21

Это известно как уравнение трансформатора. В нем просто говорится, что отношение вторичного напряжения к первичному напряжению в трансформаторе равно отношению количества витков во вторичной обмотке к количеству витков в первичной обмотке.

Передача электроэнергии

Трансформаторы

широко используются в электроэнергетике для повышения напряжения — так называемые повышающие трансформаторы — перед передачей на большие расстояния по высоковольтным проводам. Они также используются для снижения напряжения — так называемые понижающие трансформаторы — для подачи электроэнергии в дома и на предприятия. Подавляющее большинство электроэнергии вырабатывается с помощью магнитной индукции, при которой проволочная катушка или медный диск вращаются в магнитном поле. Первичная энергия, необходимая для вращения катушек или диска, может быть обеспечена различными способами. Гидроэлектростанции используют кинетическую энергию воды для привода электрогенераторов. Угольные или атомные электростанции производят пар для привода паровых турбин, которые вращают змеевики. Другие источники первичной энергии включают ветер, приливы или волны на воде.

После выработки электроэнергии ее необходимо передать потребителю, что часто означает передачу мощности на сотни километров. Для этого напряжение силовой установки повышают повышающим трансформатором, то есть ступенчато, а ток уменьшается пропорционально т.к.

Pпередача=IпередачаVпередача⋅Pпередача=IпередачаVпередача⋅

20,22

Меньший ток IпередачаIпередача в проводах передачи уменьшает Дж потери , то есть нагрев провода за счет протекания тока. Этот нагрев вызван малым, но отличным от нуля сопротивлением проводов передачи RwireRwire. Мощность, потерянная в окружающую среду за счет этого тепла, равна

.

Plost=Itransmitted2Rwire,Plost=Itransmitted2Rwire,

20,23

, что пропорционально току в квадрате в проводе передачи. Поэтому передаваемый ток Iпередача Iпередача должна быть как можно меньше и, следовательно, напряжение должно быть большим для передачи мощности Pпередачи⋅Pпередачи⋅

Напряжение от 120 до 700 кВ используется для передачи электроэнергии на большие расстояния. Напряжение повышается на выходе электростанции с помощью повышающего трансформатора, как показано на рис. 20.32.

Рисунок 20.32 Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках системы распределения электроэнергии. Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжении от 120 до 700 кВ для ограничения потерь энергии. Местное распределение электроэнергии в районы или предприятия проходит через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния при напряжении от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для обеспечения безопасности на объекте отдельного пользователя.

Как только электроэнергия поступает в населенный пункт или промышленный центр, напряжение на подстанции снижается до 5–30 кВ. Наконец, в отдельных домах или на предприятиях мощность снова снижается до 120, 240 или 480 В. Каждое повышающее и понижающее преобразование выполняется с помощью трансформатора, разработанного на основе закона индукции Фарадея. Мы прошли долгий путь с тех пор, как королева Елизавета спросила Фарадея, как можно использовать электричество.

Проверьте свое понимание

7.

Что такое электродвигатель?

1. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую.

2. Электродвигатель преобразует механическую энергию в электрическую.

3. Электродвигатель преобразует химическую энергию в механическую.

4. Электродвигатель преобразует механическую энергию в химическую.

8.

Что произойдет с крутящим моментом электродвигателя, если удвоить количество витков в двигателе?

1. Крутящий момент будет удвоен.

2. Крутящий момент уменьшился бы вдвое.

3. Крутящий момент увеличился бы в четыре раза.

4. Крутящий момент увеличился бы втрое.

9.

Что такое повышающий трансформатор?

1. Повышающий трансформатор уменьшает ток для передачи мощности на короткие расстояния с минимальными потерями.

2. Повышающий трансформатор увеличивает ток для передачи мощности на короткие расстояния с минимальными потерями.

3. Повышающий трансформатор повышает напряжение для передачи мощности на большие расстояния с минимальными потерями.

4. Повышающий трансформатор снижает напряжение для передачи мощности на короткие расстояния с минимальными потерями.

10.

Каким должно быть отношение числа выходных катушек к числу входных в повышающем трансформаторе, чтобы напряжение увеличилось в пять раз?

1. Соотношение в пять раз больше.
2. Соотношение 10-кратное.
3. Соотношение 15-кратное.
4. Соотношение 20 раз.

Электродвигатель Определение, история и принцип работы

Электродвигатель — это устройство, производящее вращательное движение за счет электричества. В этой статье обсуждается значение, история и принцип работы электродвигателя, как указано ниже;

-Электрический двигатель Значение: 5 способов определения электродвигателя

-История электродвигателя: некоторые из основных этапов

-Electric Motor Work Princip Работа электродвигателя

— Заключение

 

 

 

 

 

Электродвигатель Значение: 5 способов определения электродвигателя

Электродвигатель — это устройство с силовым приводом, которое преобразует электричество в механическую энергию [6].

Электродвигатель, также часто называемый электрическим двигателем , играет особенно важную роль в преобразовании электроэнергии в механическую энергию.

Эта концепция преобразования электроэнергии в механическую энергию может быть использована для описания электродвигателя, как показано ниже;

Электродвигатель — это электромеханическое устройство, работающее на электромагнитном принципе и создающее механическую силу из электрического тока.

Если электродвигатель работает на электромагнитных принципах, то его работу можно считать аналогичной процессу выработки электроэнергии генератором .

Такая аналогия должна быть уточнена и/или уточнена, чтобы установить ясное понимание природы электродвигателя. Это делается в следующем определении;

Электродвигатель представляет собой устройство, создающее механический крутящий момент при взаимодействии перпендикулярного электрического тока в проводнике с магнитным полем [1].

Механический крутящий момент обычно возникает в виде вращательного движения вала. Величина крутящего момента и скорость вращения могут варьироваться в зависимости от характеристик электродвигателя.

Также могут быть различия во внутренней конфигурации электродвигателей, например, относительное расположение компонентов. Такие различия можно использовать для разделения этих устройств на различные группы.

Другим фактором, который можно использовать для описания электродвигателя, является тип тока электричества, который используется для питания устройства;

Электродвигатель — это устройство, которое питается электричеством в виде постоянного тока (DC) от выпрямителей и аккумуляторов; или переменный ток от генераторов и инверторов; и который преобразует это электричество в механическую энергию в виде вращательного движения.

Как следует из приведенного выше определения, электродвигатель может питаться электричеством от источников переменного или постоянного тока [12].

Наконец, можно описать значение электродвигателя, исходя из возможных применений устройства.

Это важная перспектива, потому что электродвигатель был основным компонентом многих технологических достижений в области современного электричества.

Электродвигатель представляет собой электромеханическое электромагнитное устройство, которое используется для получения механической энергии из электричества, в частности, в электромобилях, пылесосах, водяных насосах, компьютерных принтерах и очистных сооружениях.

 

История электродвигателя: некоторые основные вехи электростатическое устройство, принципы работы которого были показаны в ходе экспериментов [16].

Эта упрощенная модель, предложенная Гордоном, является старейшим известным предшественником электродвигателя, который существует сегодня.

Другие ученые, такие как Бенджамин Франклин , Джозеф Генри и Майкл Фарадей , впоследствии внесли дальнейший вклад в развитие технологии электродвигателей посредством различных исследований и экспериментов в области электромагнетизма и преобразования электрического тока.

Одним из принципов, лежащих в основе разработки концепции электродвигателя, является Закон Кулона [21].

Впервые обнаружен Генри Кавендишем в 1771 году [5], принцип был опубликован позднее в 1785 году на основе независимых открытий Шарля-Огюстена де Кулона [10].

Крупное достижение в усилиях по усовершенствованию электродвигателя было сделано в 1799 году, когда Алессандро Вольта изобрел электрохимическую батарею [15].

Это стало важной вехой, поскольку позволило производить относительно высокое напряжение на постоянной основе. До изобретения электростатические устройства практически не использовались, так как невозможно было подать необходимое напряжение для их работы.

Ганс Кристиан Эрстед был пионером открытия электромагнетизма.

В 1820 году он экспериментировал с электрическими токами и обнаружил их способность создавать магнитное силовое поле при определенных условиях [2].

Вскоре после этого Андре-Мари Ампер описал электромагнитное явление, основанное на взаимодействии электрических токов и магнитных полей [8].

Майкл Фарадей предоставил одну из самых ранних иллюстраций электромеханического эффекта электромагнетизма. В 1821 г. он показал, что магнитное поле может вызывать вращательное движение в заряженном проводнике [20].

Питер Барлоу , английский физик и математик, сконструировал первое практическое электромеханическое устройство в 1822 году [7].

Это устройство называлось «Колесо Барлоу» и было разработано на основе открытий Фарадея и других ученых. Хотя технически он был похож на современный электродвигатель, у устройства были недостатки с точки зрения эффективности электромеханического преобразования.

Anyos Jedlik , венгерский физик, изобрел коммутатор в результате экспериментов, проведенных между 1827 и 1828 годами [18]. Этот компонент помог повысить эффективность вращения электродвигателей.

Работа Джедлика привела к современной конструкции электродвигателя, состоящего из коллектора, ротора и статора.

На основе конструкции коммутатора Уильям Стерджен построил первый электродвигатель постоянного тока в 1832 году [4].

Изучив механизмы электромагнитной индукции и электромеханического преобразования, немецкий ученый Генрих Фридрих Эмиль Ленц задокументировал свои выводы о взаимном характере электромагнетизма, которые он опубликовал в 1833 году [11].

Эти выводы были полезны для выявления сходства между электродвигателем и электрогенератором и послужили основой для дальнейшего развития обоих устройств.

Первый практичный электродвигатель был изобретен Морицем Якоби в 1834 году [9]. Хотя существуют и другие атрибуты изобретения электродвигателя, модель Якоби продемонстрировала весь потенциал устройства с точки зрения механической мощности, энергоэффективности и надежности.

Американские изобретатели Томас и Эмили Дэвенпорт построили усовершенствованную модель электродвигателя постоянного тока в 1837 году [19], основываясь на концепции, разработанной ранее Уильямом Стердженом.

Из-за зависимости от батарей для питания постоянным током, а также из-за ограничений технологии батарей в то время модель Давенпорта не была успешной или практически непригодной для использования. Его легко затмила более эффективная конструкция Якоби, чья механическая мощность была продемонстрирована на примере использования устройства для приведения в движение машин, подобных лодкам [14].

Коммерческое использование электродвигателя началось вскоре после изобретения Якоби двигателя большой мощности.

Кристофер Беккер и Sibrandus Stratingh разработал электромобиль для работы на основе технологии электродвигателя в 1835 году [3].

Другая важная модификация системы электродвигателя принадлежит Антонио Пачинотти , который представил модель кольцевого якоря в 1864 году. в стабильных условиях.

На протяжении большей части девятнадцатого века технология электродвигателей находилась под влиянием ее зависимости от постоянного тока. Из-за технических ограничений источника постоянного тока практическое использование электродвигателя было ограничено функциями с низким спросом.

Эти ограничения были устранены в 1887 году, когда Никола Тесла изобрел асинхронный двигатель переменного тока [17]. После того как изобретение было запатентовано в 1888 году, оно вскоре стало неотъемлемым компонентом многих важных электрических систем.

Асинхронный электродвигатель переменного тока (Источник: Ctac 2012 . CC BY-SA 3.0.)

 

С момента разработки и широкого внедрения асинхронного двигателя переменного тока технология электродвигателей неоднократно модифицировалась для повышения его эффективности и производительности. Он также использовался в качестве ключевого компонента машин в различных отраслях промышленности.

 

Принцип работы электродвигателя

Электродвигатель работает в трехэтапном процессе, который включает электричество подача, электромагнитная индукция и электромеханическое преобразование.

Каждый из этих этапов обсуждается ниже;

1). Подача электроэнергии в электродвигатель

Подача электроэнергии — это первый шаг в процессе эксплуатации электродвигателя.

Ток может подаваться в любой из двух форм; Постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). Эти формы подачи тока можно использовать для классификации электродвигателей.

Электродвигатель постоянного тока обычно получает электроэнергию от батареи .

Из-за относительной простоты двигателя постоянного тока клеммы аккумулятора часто подключаются к ротору (механическому компоненту) устройства.

Для электродвигателя переменного тока электрический ток подается от электрогенератора или выпрямителя.

В отличие от двигателя постоянного тока, источник тока в двигателях переменного тока обычно не подключен к ротору. Скорее, он связан с промежуточным компонентом, который устраняет эффект текущих инверсий и чередований.

2). Электромагнитная индукция в электродвигателе

Электромагнитная индукция является вторым этапом в процессе работы электродвигателя.

В основном электродвигатели работают на электромагнитном принципе. За счет протекания электрических зарядов по проводнику в устройстве создается магнитное поле.

Это магнитное поле, которое создается в результате протекания тока в электродвигателе, необходимо для электромеханического преобразования и создания электродвижущей силы.

Электромагнитная индукция в электродвигателе (Фото: MikeRun 2014 .CC0 1.0.)

 

3). Электромеханическое преобразование

Электромеханическое преобразование происходит, когда электромагнитное поле в электродвигателе вызывает вращательное движение подвижного компонента, который обычно соединен с проводником.

По сути, это преобразование потребляемой электроэнергии в механическую энергию.

Режим электромеханического преобразования может различаться для двигателей постоянного и переменного тока.

В двигателях постоянного тока электромеханическое преобразование является относительно простым процессом, потому что электрические заряды текут в постоянном, однородном направлении.

Одной из деталей электродвигателя является постоянный магнит [13].

Временное электромагнитное поле, создаваемое заряженным проводником, взаимодействует с постоянным магнитным полем, окружающим этот магнит.

В результате этого взаимодействия на проводник воздействуют различные эффекты обоих полей, что заставляет его вращаться, производя тем самым механическую энергию.

 В то время как постоянный ток в двигателе постоянного тока создает однонаправленное электромагнитное поле, которое взаимодействует с постоянным магнитным полем, создавая постоянное вращательное движение, это не относится к двигателям переменного тока.

Поскольку ток в электродвигателе переменного тока всегда переменный, обычно предусмотрен механизм для устранения этого переменного эффекта, чтобы создать постоянную и однонаправленную электромеханическую силу.

Этот компонент представляет собой коммутатор, выполненный в виде разъемного металлического кольца, каждый сегмент которого соединен с противоположными концами катушки проводника.

Переменный ток подается на электродвигатель через две клеммы, называемые щетками, которые слабо контактируют с коллектором.

Из-за слабого контакта этих клемм и разбросанной конфигурации коммутатора, когда переменный ток течет в электродвигатель, его переменный эффект постоянно меняется на противоположный по мере вращения проводника, тем самым гарантируя, что вращение остается однонаправленным и постоянным.

Коллекторы также могут использоваться в электродвигателях постоянного тока.

Коллектор обеспечивает стабильное вращение в электродвигателе переменного тока (Источник: Д. Махалко, 2008 г. .CC BY-SA 3.0.)

 

Заключение

Электродвигатель — это устройство, которое производит механическую энергию из электрического тока.

Происхождение электродвигателя восходит к восемнадцатому веку и связано с различными усилиями в области тока, электромагнетизма, электростатики и электротехники.

Электродвигатели работают по принципу электромагнитной индукции в замкнутой системе и работают на основе трехступенчатого процесса, как указано ниже

1. Электроснабжение
2. Электромагнитная индукция
3. Электромеханическое преобразование

 

 

Каталожные номера

1). Атер, Х. (2020) . «Как рассчитать крутящий момент двигателя постоянного тока». Доступно по ссылке: https://sciencing.com/calculate-dc-motor-torque-7816902.html. (По состоянию на 7 мая 2022 г.).

2). Мозг. Р.; Коэн, Р. С.; Кнудсен, О. (2007). «Ганс Кристиан Эрстед и романтическое наследие в науке: идеи, дисциплины, практика». Бостонские исследования в области философии и истории науки. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1007/978-1-4020-2987-5. (По состоянию на 7 мая 2022 г.).

3). Беллис, М. (2019). «История электромобилей началась в 1830 году». Доступно по адресу: https://www.thoughtco.com/history-of-electric-vehicles-19.91603. (По состоянию на 8 мая 2022 г.).

4). Эль-Шахат, А. (2018). «Вводная глава: электрические машины для интеллектуальных сетей и приложений для электромобилей». Электрические машины для интеллектуальных сетей — проектирование, моделирование и управление. Доступно по адресу: https://doi.org/10.5772/intechopen.80659. (По состоянию на 8 мая 2022 г. ).

5). Фальконер, И. Дж. (2016). «Никаких реальных измерений… не требовалось: нулевой метод Максвелла и Кавендиша для закона обратных квадратов электростатики». Исследования по истории и философии науки Часть A 65-66(4). Доступно по адресу: https://doi.org/10.1016/j.shpsa.2017.05.001. (По состоянию на 7 мая 2022 г.).

6). Феррейра, FJTE; Сильва, AM; Aguiar, VPB; Понтес, RST (2018). «Обзор вариантов модернизации асинхронных двигателей для повышения их эффективности и надежности». Международная конференция IEEE по окружающей среде и электротехнике и 2018 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC / I&CPS Europe), Палермо — Италия, том: . Доступно по адресу: https://doi.org/10.1109./EEEIC.2018.8493887. (По состоянию на 7 мая 2022 г.).

7). Фридрих, Л. (2020). «Изогеометрический анализ нелинейных задач вихревых токов». Доступно по адресу: https://doi.org/10.6100/5074ed73-fcec-4a93-8a5c-699abcf6e896. (По состоянию на 7 мая 2022 г. ).

8). Годфри, М. (2015). «Математическая теория электродинамических явлений Андре-Мари Ампера». Доступно по адресу: https://doi.org/10.13140/RG.2.1.2303.8164. (По состоянию на 7 мая 2022 г.).

9). Григорьев, Н. Д. (2020). «Борис С. Якоби». Мир транспорта и транспорта 17(4):284-300. Доступно по адресу: https://doi.org/10.30932/1992-3252-2019-17-4-284-300. (По состоянию на 8 мая 2022 г.).

10). Хельменстин, AM (2020) . «Определения химии: что такое электростатические силы?» Доступно по адресу: https://www.thoughtco.com/definition-of-electrostatic-forces-604451. (По состоянию на 7 мая 2022 г.).

11). Джайн, МК (2020). «Почему исследования Фарадея являются революционными и положили начало эре электротехники?» Доступно по адресу: https://www.railelectrica.com/basics-of-electrical-engineering/why-faradays-research-is-revolutionary-to-start-the-era-of-electrical-engineering/. (По состоянию на 8 мая 2022 г.).

12). Карацаферис, И.К.; Лампропулос, Л.С.; Татакис, EC (2011). «Повышение эффективности электромобилей с двигателями постоянного и переменного тока». Материалы Европейской конференции по силовой электронике и приложениям 2011-14 (EPE 2011). Доступно по адресу: https://www.researchgate.net/publication/261420073_Efficiency_improvement_in_DC_and_AC_motor_powered_electric_vehicles. (По состоянию на 7 мая 2022 г.).

13). Кох, С .; Питер, М .; Флейшер, Дж. (2017). «Легкий дизайн и производство композитов для высокопроизводительных электродвигателей». Procedia CIRP 66:283-288. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1016/j.procir.2017.03.274. (По состоянию на 8 мая 2022 г.). :

14). Молинас, М.; Монти, А. (2017). «Морская электрическая революция: питание от батарей в море [об этом выпуске]». Журнал IEEE Electrification 5(3):2-3. Доступно по ссылке: https://doi.org/10.1109/MELE.2017.2718822. (По состоянию на 8 мая 2022 г.).

15). Пикколино, М. (2000). «Двухсотлетие вольтовой батареи (1800-2000): искусственный электрический орган». Trends in Neurosciences 23(4):147-51. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1016/S0166-2236(99)01544-1. (По состоянию на 7 мая 2022 г.).

16). Ротич, Т. (2016). «Динамическая модель системы двигатель-шестерня-генератор постоянного тока (MGA)». Asian Research Journal of Mathematics 1(4):1 – 16. Доступно по адресу: https://doi.org/10.9734/ARJOM/2016/28948. (По состоянию на 7 мая 2022 г.).

17). Скджонг, Э .; Родскар, Э.; Молинас, М.; Йохансен, Т.А.; Каннингем, Джей Джей (2015). «Электроэнергетическая система морских судов: от зарождения до наших дней». Материалы IEEE 103(12):2410 – 2424. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1109/JPROC.2015.2496722. (По состоянию на 8 мая 2022 г.).

18). Субудхи, PS; Критига, С. (2020). «Топологии беспроводной передачи энергии, используемые для статической и динамической зарядки аккумулятора электромобиля: обзор». Международный журнал Emerging Electric Power Systems 21(1). Доступно по ссылке: https://doi.org/10.1515/ijeeps-2019-0151. (По состоянию на 7 мая 2022 г.).

19). Твени, Д. (2010). «Фев. 25 сентября 1837 года: электродвигатель Давенпорта подключен к сети». Доступно по адресу: https://www.wired.com/2010/02/0225davenport-electric-motor-patent/. (По состоянию на 8 мая 2022 г.).

20). Вайссе, К.; Брауэр, Х .; Циолковски, М .; Топфер, Х. (2011). «Моделирование и симуляция простого униполярного двигателя типа Фарадея». FACTA UNIVERSITATIS Серия Электроника и энергетика 24(2):221-242. Доступно по адресу: https://doi.org/10.2298/FUEE1102221B. (По состоянию на 7 мая 2022 г.).

21). Вистром, А .; Хачатурян, А.В.М. (2002). «Кулоновский двигатель за счет вращения сферических проводников с помощью электростатической силы». Письма по прикладной физике 80(15):2800-2801. Доступно по адресу: https://doi.org/10.1063/1.1470259. (По состоянию на 7 мая 2022 г. ).

Что такое электродвигатель?

Все, что превращает электричество в движение, то есть электрическую энергию в механическую, называется электродвигатель . Электродвигатели повсюду! Почти каждое механическое движение, которое вы видите вокруг себя, может быть создано электродвигателем.

Учитывая почти неограниченное количество применений электродвигателей, нетрудно представить, что по всему миру работают сотни миллионов двигателей. Давайте разберемся, что они из себя представляют и как они работают.

Как работают электродвигатели?

Электродвигатели работают по очень простому принципу: когда электричество и магнетизм объединяются в одну силу, это называется электромагнитная сила . Таким образом, электрические двигатели работают на принципах электромагнетизма. Когда электрический ток вводится в магнитное поле, возникает сила. В электродвигателе используется замкнутых проводов — тех же проводов, по которым течет ток, — которые расположены под прямым углом к ​​магнитному полю в электродвигателе. Поскольку магнитное поле имеет двойную полярность, каждый конец провода перемещается в другом направлении. Это создает вращательное движение.

Крутящий момент , то есть способность вращающегося элемента преодолевать сопротивление вращению, регулируется добавлением нескольких контуров к якорям, а магнитное поле создается электромагнитом. Эта конструкция позволяет вращать ротор простым электромеханическим усилием. Есть очень мало деталей, которые на самом деле изнашиваются, и с учетом этих двух факторов электродвигатели могут продолжать работать в течение невероятно долгого времени, демонстрируя очень небольшой износ.

Действительно, одна из самых замечательных особенностей электродвигателей заключается в том, что в них очень мало деталей. По сравнению, например, с двигателем внутреннего сгорания, электродвигатель представляет собой простое устройство. На самом деле, все различные части электродвигателя можно легко вытащить и разложить на очень маленьком столе, конечно, в зависимости от размера двигателя.

Неподвижная часть электродвигателя называется статором . Статор будет снабжен постоянные магниты или обмотки, в зависимости от технологии двигателя. Обмотки будут знакомы любому, кто имеет опыт работы с другими электрическими компонентами. Обычно они представляют собой простые обмотки проволоки вокруг магнитного железного сердечника. Когда через эти обмотки проходит ток, они генерируют магнитное поле.

Ротор — это деталь, которая фактически преобразует электрическую энергию в механическую. Они бывают различных конструкций. Одним из самых больших прорывов в конструкции электродвигателей был поиск способа непрерывной работы ротора, обеспечивающего непрерывный крутящий момент всему, что приводится в действие электродвигателем. Современные электродвигатели способны развивать невероятный крутящий момент. Коммутатор, тем временем, представляет собой устройство, которое используется для переключения входа электродвигателя.

Если мы вернемся в историю, электродвигатели, как и многие электрические устройства, начинались как простые эксперименты, а затем использовались в качестве демонстрационных устройств, пока не нашли практического применения.

Очень краткая история электрического двигателя

В 1821 году британский ученый Майкл Фарадей объяснил преобразование электрической энергии в механическую, поместив проводник с током в магнитное поле, что привело к вращению проводника из-за к крутящему моменту, создаваемому взаимным действием электрического тока и поля. Самой примитивной из машин была машина постоянного тока, разработанная другим британским ученым Уильямом Стердженом в 1832 году. Но его модель была слишком дорогой и не использовалась для каких-либо практических целей. Позже в 1886 году Первый электродвигатель , способный вращаться с постоянной скоростью при различном диапазоне нагрузки, был изобретен ученым Фрэнком Джулианом Спрагом .

Эволюция электродвигателя

Сегодня на рынке представлено несколько различных типов электродвигателей. Во-первых, их можно отличить по тому, используют ли они мощность переменного или постоянного тока в качестве средства активации двигателя. Электродвигатели переменного тока приводятся в действие переменным током, например синхронный двигатель, который всегда работает на синхронная скорость . Здесь ротор представляет собой электромагнит, который магнитно заперт с вращающимся магнитным полем статора и вращается вместе с ним. Скорость этих машин варьируется путем изменения частоты (f) и числа полюсов (P).

Асинхронные двигатели основаны на взаимодействии магнитного поля и циркулирующих токов, так что ротор начинает вращаться и продолжает вращаться. Асинхронные двигатели, также известные как асинхронные двигатели , работают со скоростью, немного меньшей синхронной скорости. Существуют и другие типы электродвигателей, например, серводвигатели со специальными характеристиками, такими как высокий крутящий момент в компактной конструкции или высокие динамические характеристики, которые были разработаны в соответствии с потребностями отрасли. Обычно в этих двигателях в ротор встроен постоянный редкоземельный магнит.

Как запустить электродвигатель?

Электродвигатели используют различные пусковые механизмы. В самых простых и малогабаритных типах пускатель может подключаться непосредственно к сети электропитания. Это также известно как Direct On Line (DOL) 9.0177 . Для более крупных двигателей требуются более сложные устройства, такие как устройства плавного пуска .

A Устройство плавного пуска позволяет оператору запускать устройство с пониженным напряжением. Пользователь может определить пределы для пускового тока и других переменных. Пускатель звезда-треугольник — это тип устройства плавного пуска, который постепенно увеличивает напряжение до максимальной нагрузки по мере увеличения скорости двигателя. Плавный пуск имеет то преимущество, что позволяет контролировать механическую нагрузку и выходной крутящий момент нагрузки. Вместо внезапного запуска двигателя с полным крутящим моментом и скоростью, как в случае с пускателем DOL, двигатель постепенно раскручивается.

Приводы с регулируемой скоростью и электродвигатели

Приводы с регулируемой скоростью все чаще используются с трехфазными асинхронными двигателями. Эти контроллеры используются в электродвигателях всех размеров. Наиболее значительным преимуществом является то, что они обеспечивают высочайший уровень контроля и функциональности. В промышленных условиях предлагаемое ими управление крутящим моментом, натяжением, ускорением и потоком может способствовать повышению эффективности и управляемости процессов. Приводы также объединяют множество функций, таких как автоматизация и ПЛК, средства связи, полевые шины, контроль безопасности и т. д.

Электродвигатели можно найти в огромном количестве приложений. Все, начиная от насосов, компрессоров, вентиляторов, башенных кранов и погрузочно-разгрузочных работ, текстиля, полиграфии, упаковки, деревообрабатывающего оборудования и испытательных стендов, использует их возможности. Они являются одними из наиболее распространенных электрических компонентов, используемых сегодня, поэтому справедливо сказать, что электродвигатели сильно повлияли на нашу повседневную жизнь.

Мы будем рады присылать вам ежемесячный информационный бюллетень, наполненный полезными экспертными знаниями и случайными специальными предложениями. Мы не будем отправлять вам больше одного электронного письма в месяц и не будем использовать ваши данные ни для чего другого.

Уведомление о конфиденциальности

Принцип работы двигателя электромобиля.

Моника Хе

Моника Хе

Президент / Olink-MFG on Производство зарядного устройства EV, адаптера EV, CCS1, CCS2, адаптера типа 2, зарядки постоянного / переменного тока EV, зарядного устройства Ev, CCS 1 Combo 1

Опубликовано 29 ноября 2020 г.

+ Подписаться

Прежде всего, электромобили делятся на три категории: чисто электрические/гибридные/топливные. Здесь мы обсуждаем только двигатели чисто электрических транспортных средств; чисто электрические транспортные средства относятся к электромобилям, которые полностью питаются от силовых батарей (двигатели Tesla S, BAIC E150 и другие). Это относится к машине, которая может преобразовывать электрическую энергию в механическую и может преобразовывать механическую энергию в электрическую. Двигатель в электромобиле имеет функцию выработки электроэнергии в дополнение к основной движущей силе водителя, он называется двигателем.Существует много типов электродвигателей.Двигатель постоянного тока и двигатель переменного тока.КПД двигателя постоянного тока редко используется.Это основной внешний двигатель переменного тока, и наиболее часто используется асинхронный двигатель переменного тока.Двигатель переменного тока состоит из двух больших частей, ротора и статора.Цилиндр соединен с основанием Вместе они фиксируются и называются внутри статора цилиндр или цилиндр в форме клетки с множеством намотанных вокруг него проводов соединен с выходным валом двигателя и вращается с той же скоростью, превращаясь в ротор. 0003

Ротор и статор в двигателе не соприкасаются друг с другом. Причина, по которой ротор вращается после подачи питания, заключается в том, что он подчиняется двум электромагнитным законам: закону Фарадея и закону Ленца. Когда обмотки, намотанные на статоре, находятся под напряжением, обмотки статора будут создавать вращающееся магнитное поле. Обмотка на роторе представляет собой проводник с замкнутым контуром, что эквивалентно непрерывному разрезанию провода магнитной индукции статора во вращающемся магнитном поле статора. По закону Фарадея часть замкнутого проводника разрезается силой магнитного поля. При его движении в проводнике возникает ток, и этот ток будет формировать электромагнитное поле. Таким образом, в двигателе имеется два магнитных поля: одно — магнитное поле статора, создаваемое внешним переменным током; другой — электромагнитное поле ротора, образованное путем разрезания провода электромагнитной индукции статора и генерирования тока. По закону Ленца магнитное поле наведенного тока всегда должно противодействовать причине наведенного тока (обмотка ротора перерезает провод магнитной индукции электромагнитного поля статора), т. е. стараться, чтобы проводник на роторе больше не перерезать провод магнитной индукции магнитного поля статора. В результате проводники на роторе будут «догонять» вращающееся электромагнитное поле статора, то есть ротор будет вращаться вместе с вращающимся электромагнитным полем статора, и наконец двигатель будет вращаться.

• Вставка клемм блока предохранителей, вы обратили на это внимание?

  13 декабря 2020 г.

• Тенденции развития автомобильного рынка послепродажного обслуживания ADAS

  26 сент. 2020 г.

• Расширение санкций США против Huawei может повлиять на производство смартфонов и чипов для базовых станций 5G

  15 сент.