Avtoargon.ru

АвтоАргон
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принцип работы электродвигателей

Принцип работы электродвигателей

Электродвигатель является одним из ключевых изобретений человечества. Именно благодаря электрическим моторам нам удалось добиться такого высокого развития нашей цивилизации. Основные принципы работы этого устройства изучаются уже в школе. Современный электродвигатель может выполнять множеств различных задач. В основе его работы лежит передача вращения электроприводного вала на другие виды движения. В этой статье мы подробно рассмотрим, как работает это устройство.

Характеристики электродвигателей

Электромотор, по сути, представляет собой прибор, при помощи которого электрическая энергия переходит в механическую. В основе этого явления лежит магнетизм. Соответственно, в конструкцию электродвигателя входят постоянные магниты и электрические магниты, а также различные другие материалы, обладающие притягивающими свойствами. Сегодня этот прибор используется практически повсеместно. Например, электромотор является ключевой деталью часов, стиральных машин, кондиционеров, миксеров, фенов, вентиляторов, кондиционеров и других бытовых приборов. Вариантов использования электродвигателя в промышленности бесчисленное множество. Их размеры тоже варьируются от головки спички до двигателя на поездах.

Виды электромоторов

В настоящее время производится множество разновидностей электромоторов, которые разделяются по типу конструкции и электропитания.

По принципу электропитания все модели можно разделить на:

  1. устройства переменного тока, которые в качестве питания используют электросеть;
  2. приборы постоянного тока, работающие от блоков питания, пальчиковых батареек, аккумуляторов и других подобных источников.

По механизму работы все электродвигатели разделяются на:

  1. синхронные, имеющие роторные обмотки и щеточный механизм, использующийся для подачи на обмотки электрического тока;
  2. асинхронные, отличающиеся более простой конструкцией без щеток и роторных обмоток.

Принцип работы этих электромоторов существенно отличается. Синхронный двигатель вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, которое его вращает. В то же время, асинхронный мотор вращается с меньшей скоростью, чем электромагнитное поле.

Классы электродвигателей (различаются в зависимости от используемого тока):

  • класс AC (Alternating Current) — работает от переменного источника тока;
  • класс DC (Direct Current) — использует для работы постоянный ток;
  • универсальный класс, который может использовать для работы любой источник тока.

Кроме того, электрические двигатели могут отличаться не только по типу конструкции, но и также по способам контроля скорости вращений. При этом, во всех устройствах независимо от типа используется один и тот же принцип преобразования электрической энергии в механическую.

Принцип работы агрегата на постоянном токе

Этот тип электромотора работает на основе принципа, разработанного Майклом Фарадеем в далеком 1821 году. Его открытие заключается в том, что при взаимодействии электрического импульса с магнитом есть вероятность возникновения постоянного вращения. То есть, если в магнитном поле разметить вертикальную рамку и пропустить по ней электрический ток, то вокруг проводника может возникнуть электромагнитное поле. Оно будет непосредственно контактировать с полюсами магнитов. Получается, что к одному из магнитов рамка будет притягиваться, а от другого отталкиваться. Соответственно, она повернется из вертикального положения в горизонтальное, в котором влияние магнитного поля на проводник будет нулевым. Получается, что для продолжения движения нужно будет дополнить конструкцию еще одной рамкой под углом или же поменять направление тока в первой рамке. В большинстве приборов это достигается за счет двух полуколец, к которым присоединяются контактные пластинки от аккумулятора. Они способствуют быстрому изменению полярности, в результате чего движение продолжается.

Современные электромоторы не имеют постоянных магнитов, так как их место занимаю электрические магниты и катушки индуктивности. То есть, если вы разберете любой такой двигатель, то увидите витки проволоки, покрытые изоляционным составом. По сути, они и представляют собой электромагнит, который еще называется обмоткой возбуждения. Постоянные магниты в конструкции электродвигателей применяются только в небольших детских игрушках, работающих от пальчиковых батареек. Все остальные более мощные электродвигатели оснащаются только электрическими магнитами или же обмотками. При этом, вращающаяся деталь получила название ротор, а статичная — статор.

Как работает асинхронный электромотор

Корпус асинхронного двигателя вмещает в себя обмотки статора, благодаря которым и создается вращающееся поле магнита. Концы для подключения обмоток выводят через специальную клеммную колодку. Охлаждение осуществляется за счет вентилятора, размещенного на вале в торце электрического двигателя. Ротор плотно соединен с валом, изготовленным из металлических стержней. Эти короткозамкнутые стержни замыкаются между собой с обеих сторон. За счет такой конструкции, двигатель не нуждается в периодическом обслуживании, так как здесь нет необходимости время от времени менять токоподающие щетки. Именно поэтому, асинхронные моторы считаются более надежными и долговечными, чем синхронные. В основном причиной поломки асинхронных двигателей является изнашивание подшипников, на которых осуществляется вращение вала.

Для работы асинхронных двигателей необходимо, чтобы вращение ротора осуществлялось медленнее, чем вращение электромагнитного поля статора. Именно за счет этого в роторе и возникает электрический ток. Если бы вращение осуществлялось с одинаковой скоростью, то по закону индукции ЭДС не образовывалось бы, и отсутсвовало вращение в целом. Однако, в настоящей жизни за счет трения подшипников и повышенной нагрузки на вал ротор будет крутиться медленнее. Магнитные полюса регулярно вращаются в обмотках ротора, за счет чего постоянно изменяется направление тока в роторе.

По этому же принципу работает и круговая пила, так как наибольшие обороты она набирает без нагрузки. Когда пила начинает резать доску, ее скорость вращения снижается и одновременно ротор начинает вращаться медленнее по отношению к электромагнитному полю. Соответственно, по законам электротехники в нем начинает возникать еще большая величина ЭДС. После этого возрастает потребляемый мотором ток и он начинает работу на полной мощности. При нагрузке, при которой мотор застопорится, может возникнуть разрушение короткозамкнутого ротора. Это возникает из-за того, что в двигателе возникает максимальная величина ЭДС. Именно поэтому необходимо подбирать электромотор необходимой мощности. Если взять двигатель слишком большой мощности, то это может привести к неоправданным затратам энергии.

Читать еще:  Двигатель 2uz какое масло лучше залить

Скорость, с которой вращается ротор, в данном случае зависит от количества полюсов. Если в устройстве имеется два полюса, то скорость вращения будет соответствовать скорости вращения магнитного поля. Максимально асинхронный электрический двигатель может развивать до 3 тысяч оборотов в секунду. Частота сети при этом может составлять до 50 Гц. Для уменьшения скорости в два раза вам придется повысить количество полюсов в статоре до 4 и так далее. Единственный недостаток асинхронных моторов — это то, что они могут поддаваться регулировке скорости вращения вала только посредством изменения частоты электрического тока. Кроме того, в асинхронном моторе вы не сможете добиться постоянной частоты вращения вала.

Как работает синхронный электрический двигатель переменного тока

Синхронный электрический двигатель применяется в тех случаях, когда нужна постоянная скорость вращения и возможность ее быстрой регулировки. Кроме того, синхронный мотор используется там, где нужно добиться скорости вращения более 3 тысяч оборотов, что является пределом для асинхронного двигателя. Поэтому, такой тип электродвигателя преимущество используется в бытовой технике, такой как пылесос, электрический инструментарий, стиральная машина и так далее.

Корпус синхронного мотора переменного тока содержит обмотки, которые наматываются на якорь и ротор. Их контакты припаиваются к секторам токосъемного коллектора и кольца, на которые посредством графитовых щеток подают напряжение. Выводы здесь располагаются так, чтобы щетки всегда подавали напряжения только на одну пару. Из недостатков синхронного мотора можно отметить их меньшую надежность, по сравнению асинхронными двигателями.

Самые частые поломки синхронных двигателей:
  • Преждевременный износ щеток или нарушение их контакта из-за ослабления пружины.
  • Загрязнение коллектора, который чистится при помощи спирта или нулевой наждачной бумаги.
  • Изнашивание подшипников.
Принцип работы синхронного мотора

Вращающий момент в таком электродвигателе создается путем взаимодействия между магнитным полем и током якоря, которые контактируют между собой в обмотке возбуждения. По мере направления переменного тока будет изменяться и направление магнитного потока, что обеспечивает вращение в только в одну сторону. Скорость вращения регулируется путем изменения силы подаваемого напряжения. Изменение скорости напряжения чаще всего используется в пылесосах и дрелях, где для этой цели применяется переменное сопротивление или реостат.

Механизм работы отдельных типов двигателя

Промышленные электродвигатели могут работать как на постоянном, так и на переменном токе. В основе их конструкции лежит статор, который представляет собой электромагнит, создающий магнитное поле. Промышленный электромотор содержит обмотки, которые поочередно подключаются к источнику питания при помощи щеток. Они попеременно поворачивают ротор на определенный угол, что приводит его в движение.

Самый простой электродвигатель для детских игрушек может работать только при помощи постоянного тока. То есть, он может получать ток от пальчиковой батарейки или аккумулятора. Ток при этом проходит по рамке, находящейся между полюсами магнита постоянного типа. Благодаря взаимодействию магнитных полей рамки с магнитом она начинает вращаться. По завершению каждого полуоборота, коллектор переключает контакты в рамке, которые проходят к батарейке. В результате этого рамка совершает вращательные движения.

Таким образом, на сегодняшний день существует большое количество электродвигателей разнообразного предназначения, которые имеют один принцип работы.

Принцип действия и общее устройство электродвигателя постоянного тока

Электродвигатель — это электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую. Если двигатель получает питание напряжением постоянной полярности, то он называется двигателем постоянного тока.

Простейшая схема такого двигателя приведена на рис.4.3, где в двухполюсной магнитной системе расположена обмотка якоря (показа­ны два последовательно соединенных элементарных проводника, обра­зующих виток, концы которого подключены к двум пластинам коллек­тора К1 и К2). Подвод напряжения к коллектору осуществляется щетка­ми Щ1 и Щ2.

Непрерывное взаимодействие магнитного поля, создаваемого по­люсами С и Ю, и магнитного поля якоря, возникающего при протека­нии по его обмотке тока Гд, обусловливает возникновение электромаг­нитных сил F1, F2 и вращающего момента на валу якоря. Одновременно в якорной обмотке индуцируется ЭДС, которая направлена, в соответ­ствии с правилом правой руки, навстречу подводимому к двигателю напряжению (эту ЭДС иногда называют противо-ЭДС двигателя).

Таким образом, подводимое к электродвигателю напряжение стре­мится создать ток в обмотке якоря, чему препятствует индуцируемая ЭДС. Поэтому величина тока Iд в обмотке якоря работающего электро­двигателя будет определяться не подводимым к ней напряжением UД, a разностью между напряжением и наведенной в обмотке якоря ЭДС EД,:

где RД — суммарное сопротивление якорной цепи, Ом.

Из рис.4.3 видно, что ток IД в якорной обмотке направленот кол­лекторной пластины К1; (щетка Щ1 «+») к коллекторной пластине К2

(щетка Щ2 «-»). При повороте витка на угол 180° пластина К1 переходит под щетку Щ2 «-», а пластина К2 — под щетку Щ1 «+». Это приводит к изменению направления тока в витке на противоположное — от пласти­ны К2 к пластине К1. Одновременно в витке меняется направление ЭДС индукции (в соответствии с правилом правой руки). Такое переключе­ние направления тока в витке якорной обмотки происходит при каждом переходе элементарного проводника из зоны действия северного полю­са С в зону действия южного полюса Ю и наоборот. Процесс переклю­чения, называемый коммутацией, осуществляется коллекторно-щеточным узлом.

Читать еще:  405 двигатель инжектор плохо развивает обороты

Следовательно, коллектор электродвигателя преобразует постоян­ный ток внешней цепи в переменный ток якорной обмотки. Примеча­тельно, что коллектор электрического генератора постоянного тока преобразует переменный ток якорной обмотки в постоянный ток внеш­ней цепи, то есть служит механическим выпрямителем.

Количество коллекторных пластин зависит от характеристик об­мотки якоря, которая состоит из множества витков, соединенных друг с другом и с пластинами коллектора по определенной схеме. К числу ха­рактеристик якорной обмотки относят [1]:

· количество проводников якорной обмотки N;

· число параллельных ветвей обмотки 2а.

Кроме того, конструкцию электрической машины постоянного тока характеризует такой параметр, как число главных полюсов 2р.

Главные полюсы обеспечивают создание рабочего магнитного по­ля в электромашине. Для усиления и регулирования магнитной индук­ции поля В в качестве главных полюсов используют электромагниты. Обмотки электромагнитов называют обмотками возбуждения,а ток, протекающий по ним, — током возбуждения.С увеличением тока воз­буждения возрастает магнитная индукция поля В и магнитный поток возбуждения Ф(величины Ф и В. прямо пропорциональны друг другу).

Помимо главных полюсов, в конструкции мощных электродвига­телей предусмотрены добавочные полюса, действие которых улучшает процессы коммутации. Обмотки этих полюсов включают последова­тельно с якорной обмоткой.

Главные и добавочные полюсы, остов, якорь и воздушный зазор между якорем и полюсами образуют магнитную цепь двигателя(рис.4.4).

В качестве тяговых электродвигателей на отечественных локомоти­вах обычно используют двигателипостоянного токапоследователь­ного возбуждения. В двигателях этого типа обмотки главных, дополни­тельных полюсов и якоря соединены последовательно (рис.4.5, а). Иногда на электрических схемах обмотку якоря электродвигателя совме­щают с обмоткой дополнительных полюсов (рис. 4.5, б).

1- добавочный полюс;

2- обмотка возбуждения

3- главный полюс с обмот-

4- якорь с рабочей (якорной)

Рис.4.4. Магнитная цепь электродвигателя постоянного тока

Графическое изображение двигателей в электрических схемах

Рис.4.5. Графическое изображение двигателей в электрических схемах

Я1 – Д2 — обмотка якоря и добавочных полюсов;

С1 – С2 — обмотка возбуждения главных полюсов

Реверсирование тягового двигателя, то есть изменение направ­ления вращения его якоря, можно осуществить путем изменения на­правления тока в обмотках возбуждения IВ, либо в обмотке якоря Iд. На локомотивах нашел применение первый из этих способов — изменением направления тока в обмотках возбуждения, которое осуществляют c помощью специального электрического аппарата — реверсора (рис.4.6).

Рис. 4.6. Cхема реверсирования тягового двигателя

— контакты реверсора «Вперед» (—->IВ);

— контакты реверсора «Назад» (

Принцип работы электродвигателя постоянного тока

Электродвигатель это электрическая машина преобразующая электрическую энергию в механическую. Различают два типа электродвигателей постоянного и переменного тока. На автомобилях применяется электродвигатели постоянного тока. Эти электродвигатели состоят из статора с магнитными полюсами и якоря. Полюса статора представляют из себя электромагнит или постоянные магниты.

Как работает электродвигатель.

Принцип работы всех электродвигателей основан на поведении проводника с током в магнитном потоке. Если по проводнику находящемся в магнитном потоке пропустить ток, то он будет стремиться сместиться в сторону. То есть проводник будет выталкивать из промежутка между магнитами как пробку из бутылки шампанского. Направление силы, которая выталкивает проводник строго определена. Её можно определить по, так называемому, правилу левой руки.

Правило левой руки.

Это правило заключается в следующем. Ладонь левой руки размещаем в магнитном потоке так, что бы линии магнитного потока были направлены в ладонь. Пальцы по направлению прохождения тока в проводнике. В результате большой палец, отогнутый на 90 гр. укажет на направление смещения проводника. Величина силы с которой проводник стремиться переместиться, зависит от нескольких величин. Величины магнитного потока и величины тока проходящему по проводнику.

Простейший электродвигатель.

Простейший электродвигатель состоит из проводника и постоянного магнита. Проводник сделан в виде рамки имеющей ось вращения. Магнит имеет вид подковы. Проводник располагается между полюсами магнита. Если по рамке пропустить ток, то она будет стремиться повернуться вокруг своей оси. Если не учитывать инерцию, то рамка повернётся на 90гр. При этом, сила движущая рамку будет расположена в одной плоскости с рамкой. При этом она будет стремиться раздвинуть рамку в плоскости, а не повернуть её вокруг оси.

Но фактически рамка проскакивает по инерции это положение. Если изменить направление тока в рамке, то она повернётся ещё как минимум на 180гр. Аналогично при очередной смене направления тока, она ещё повернётся на 180 гр. В результате при каждой смене направления тока рамка будет поворачиваться.

Устройство электродвигателя.

Выше описан принцип работы электродвигателя постоянного тока простейшей конструкции. От обычного электродвигателя его отличает, прежде всего наличие не одной рамки, а их множество. Они собранны в якоре. Каждый конец рамки при этом припаивается к пластине коллектора. Кроме этого место двух магнитных полюсов могут применяться четыре, реже шесть полюсов.

Читать еще:  Электрическая схема системы охлаждения двигателя ваз 2114 инжектор

Вместо постоянных магнитов, также могут применяться электромагниты. При этом соединение катушек электромагнитов может быть последовательное, параллельное и смешанное. На автомобилях почти всегда применяется последовательное соединение. Различные соединения обмоток применяются только на стартерах и зависят от расчётной мощности и других факторов.

Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

PPT. Электродвигатель

Горбацевич С.А. Электродвигатель: от истории изобретения до создания демонстрационной модели своими руками // Фiзiка: праблемы выкладання. — 2010. — № 3. — С. 17-21.

По специальной договоренности с редакцией журнала ФПВ и автором

Содержание

  • 1 История изобретения
  • 2 Устройство электродвигателя
    • 2.1 Устройство двигателя постоянного тока (ДПТ)
    • 2.2 Принцип работы
  • 3 Практические работы для учащихся
  • 4 Список использованной литературы

История изобретения

Уже на первом этапе развития человек стал применять искусственные орудия труда. С появлением производства начинают складываться условия для возникновения и совершенствования машин. Сначала машины, как и орудия труда, лишь помогали человеку в его деятельности, затем стали постепенно заменять его.

В феодальный период истории впервые в качестве источника энергии была использована сила водяного потока. Движение воды вращало водяное колесо, которое, в свою очередь, приводило в действие различные механизмы. В этот период появилось множество разнообразных технологических машин. Однако широкое их распространение часто тормозилось из-за отсутствия рядом водяного потока. Нужно было искать новые источники энергии, чтобы приводить в действие машины в любой точке земной поверхности. Пробовали энергию ветра, но это оказалось недостаточно эффективным. Стали искать другие источники энергии.

Обратились к энергии пара. Паровой двигатель приводил в движение многочисленные машины и станки на фабриках и заводах. В начале XIX века были изобретены первые сухопутные паровые транспортные средства — паровозы. Но паровые машины были сложными, громоздкими и дорогими установками. Бурно развивающемуся механическому транспорту нужен был другой двигатель — небольшой и дешёвый.

В 1860 году француз Ленуар, использовав конструктивные элементы паровой машины, газовое топливо и электрическую искру для зажигания, сконструировал первый нашедший практическое применение двигатель внутреннего сгорания.

Все эти двигатели требовали топлива, и учёные не оставляли попыток изобрести двигатель, работающий на электричестве, — электродвигатель, бесшумный и небольшой. История создания электродвигателя — сложная и длинная цепь открытий, находок, изобретений.

Первый этап развития электродвигателя (1821-1832) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.

В 1821 году М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея подтвердил принципиальную возможность построения электрического двигателя.

Для второго этапа развития электродвигателей (1833-1860) характерны конструкции с вращательным движением якоря.

Томас Дэвенпорт — американский кузнец, изобретатель, в 1833 году сконструировал первый роторный электродвигатель постоянного тока, создал приводимую им в движение модель поезда. В 1837 году он получил патент на электромагнитную машину.

В 1834 году Б. С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. В 1838 году этот двигатель (0,5 кВт) был испытан на Неве для приведения в движение лодки с пассажирами, т. е. получил первое практическое применение.

Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б. С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:

  • расширение применения электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т. е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;
  • электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты, большую мощность ибольший коэффициент полезного действия;
  • этап в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом.

Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешёвого источника электрической энергии — электромагнитного генератора постоянного тока.

В 1886 году электродвигатель постоянного тока приобрёл основные черты современной конструкции. В дальнейшем он всё более и более совершенствовался.

В настоящее время трудно представить себе жизнь человечества без электродвигателя. Он используется в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки. Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы — всё это используется в быту и оснащено электродвигателями.

Важность этого открытия очевидна: электроэнергия стала в наше время доступной и дешёвой. Благодаря сети электропроводов её можно подвести фактически в любую точку земного шара.

Устройство электродвигателя

Электрический двигатель — это электрическая машина, в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Побочным эффектом является выделение тепла.

Устройство двигателя постоянного тока (ДПТ)

Двигатель состоит из якорной обмотки (ротора с якорной обмоткой), статора, щёточного узла. ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определённых условиях способны работать как генераторы.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector