Ротор состоит из двух пакетов (двух половинок), между которыми установлена обмотка возбуждения (показана в виде четырех витков медного провода). Хотя обмотка висит “посередине” между половинками ротора, она прикреплена к статору и не вращается. Ротор и статор изготовлены из предварительно отформованного железа и не имеют постоянных магнитов. Обмотки статора распределены по трем фазам – как в обычном асинхронном или синхронном двигателе. Однако существуют варианты машин этого типа с сосредоточенными обмотками: зубцы на статоре, как в SRD- или BLDC-двигателе. Катушки обмотки статора охватывают одновременно оба пакета ротора.
Электродвигатели: что они собой представляют
В предыдущих статьях мы описали, как работают синхронные и асинхронные двигатели и как ими управлять. Но существует гораздо больше типов электродвигателей! И каждый из них имеет свои характеристики, области применения и особенности.
В этой статье мы дадим краткий обзор различных типов электродвигателей, с фотографиями и примерами применения. Почему в пылесосе установлен один двигатель, а в вытяжном вентиляторе – другой? Какие двигатели стоят в сегвее? А в каких из них проходит подземная железная дорога?
Каждый электродвигатель имеет определенные характерные особенности, определяющие сферу его применения, в которой он наиболее полезен. Синхронные, асинхронные, постоянного тока, коллекторные, коммутаторные, вентильно-индукторные, шаговые… Почему бы, как в случае с двигателями внутреннего сгорания, не изобрести несколько типов, не усовершенствовать их и не внедрить их и только их во все сферы применения? Давайте пройдемся по всем типам электродвигателей и, наконец, обсудим, почему их так много и какой двигатель является “лучшим”.
В случае синхронного двигателя Обмотки (3 на рисунке) двигателя переменного тока также намотаны на ротор или якорь (1). Их выводы припаяны к секторам контактного кольца или коллектору (5), на который графитовые щетки (4) подают напряжение. Провода расположены таким образом, что щетки подают напряжение только на одну пару.
Как работает двигатель
Двигатель работает на основе эффектаоткрытые еще в 1821 году Майклом Фарадеем. Он сделал открытие, что взаимодействие электрического тока в проводнике и магнита может привести к непрерывному вращательному движению.
Если в однородном магнитном поле. Рамка устанавливается вертикально и через нее пропускается ток, после чего вокруг проводника создается электромагнитное поле, которое взаимодействует с полюсами магнитов. Рамка будет отталкиваться от одной и притягиваться к другой.
Это приведет к повороту рамки в горизонтальное положение, при котором магнитное поле не будет взаимодействовать с проводником. Для того чтобы вращение продолжалось, необходимо в нужное время добавить еще один кадр под углом или изменить направление тока в кадре.
На схеме это сделано с помощью двух полуколец, к которым прикреплены контактные пластины от аккумулятора. В результате, когда совершается полуоборот, полярность меняется на противоположную, и вращение продолжается.
В современных электродвигателях Вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются индукционные катушки или электромагниты. Если вы разберете любой двигатель, то увидите катушки проводов, покрытые изоляционным лаком. Эти катушки составляют электромагнит, или, как их еще называют, обмотку возбуждения.
Дома Постоянные магниты используются в детских игрушках, работающих от батареек.
В других, более мощных В двигателях используются только электромагниты или обмотки. Часть, которая вращается вместе с ними, называется ротором, а неподвижная часть – статором.
Что теперь будет делать текущий кадр на рисунке 3? Если система совершенна, без трения, она будет естественно колебаться. Если есть трение, то колебания постепенно затухают, текущая рама стабилизируется и будет выглядеть как на рисунке 1.
Принцип работы двигателя постоянного тока
Метод 1: изменение направления тока в рамке.
Этот метод используется в двигателях постоянного тока и их преемниках.
Обратите внимание на фотографии. Пусть наш двигатель обесточен, а рамка тока ориентирована как-то хаотично, как, например, здесь:
Рис. 4.1 Случайно ориентированная рамка
На произвольно ориентированную рамку действует сила в ампер, и она начинает вращаться.
Рис. 4.2
В процессе движения рама достигает угла 90°. Момент (момент пары сил или крутящий момент) максимален.
Рис. 4.3
Затем рама достигает положения, в котором отсутствует крутящий момент. И если вы не выключите ток сейчас, сила Ампера уже будет тормозить рамку, и через пол-оборота рамка остановится и начнет вращаться в обратном направлении. Но мы этого не хотим.
Поэтому на рис.3 мы делаем хитрый ход – меняем направление тока в рамке.
Рис. 4.4
Пройдя это положение, кадр с измененным направлением тока не замедлится, а снова ускорится.
Рис. 4.5
И когда рамка приближается к следующему положению равновесия, мы снова меняем ток.
Рис. 4.6
И кадр снова ускоряется туда, куда мы хотим.
Таким образом, мы получаем постоянное вращение. Хорошо ли это? Так и есть. Просто меняйте направление тока дважды за оборот и все.
Для этого используется специальное устройство – щеткоприемник, который обеспечивает изменение тока. Основной принцип заключается в следующем:
Рис. 5
Картина не требует объяснений. Рамка трется об один контакт, затем о другой, и ток меняется.
Очень важной особенностью щеточного коллектора является его низкий срок службы. Это происходит из-за трения. Например, двигатель DPR-52-H1 имеет минимальный срок службы 1 000 часов. В то же время, срок службы современных двигателей без коммутатора составляет более 10000 часов, а двигателей переменного тока (которые также не имеют щеточно-коллекторного узла) – более 40000 часов.
,
Физический принцип работы двигателя постоянного тока
Если мы вспомним закон Ампера, то станет ясно, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. Именно это обстоятельство позволяет якорю вращаться.
Вспомним простейший эксперимент, который демонстрируется студентам. Мы помещаем рамку с током в магнитное поле, и она начинает двигаться. Однако она не движется в течение длительного времени, а скорее дергается. Виной тому несовпадение векторов. Если бы мы расположили магниты немного по-другому, то получили бы непрерывное движение.
Сила в амперах, действующая на стороны рамки, создаст вращающий момент, величина которого пропорциональна магнитной индукции, току в рамке, ее площади S и зависит от угла a между вектором магнитной индукции и нормалью к рамке.
Рамка с током в магнитном поле
В представленной ситуации рамка будет вращаться только в том случае, если векторы Fa не деформируют ее, а придают ей вращательное движение.
Вот как вращается рамка
Для этого в данном примере кадр нужно повернуть на 90 градусов. Теперь представьте, что якорь нашего двигателя состоит из таких каркасов, очень многих. Это улучшит движение.
Итак, у вас есть простейший электродвигатель постоянного тока.
Теперь давайте представим, как поведет себя такой двигатель, если включить его в цепь переменного тока. Он начнет танцевать в разных направлениях. Ведь переменный ток характеризуется тем, что он регулярно меняет свое направление. Рамка с протекающим через нее током также изменит направление своего движения. Невозможно, чтобы что-то подобное вращалось равномерно. По этой причине двигатели переменного тока используются с сетями переменного тока. Двигатель постоянного тока, конечно, может работать от сети переменного тока, но перед ним необходимо использовать выпрямитель.
Однако существуют универсальные двигатели, которые одинаково хорошо работают в обеих схемах. Но об этом подробнее позже.
Промышленный электродвигатель
- Печать
- Электронная почта
Принцип работы электродвигателя.
Электрический двигатель – это просто устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую.
Это преобразование основано на магнетизме. В электродвигателях используются постоянные магниты и электромагниты, кроме того, магнитные свойства различных материалов используются для создания этих удивительных устройств.
Существует несколько типов электродвигателей. Существует два основных класса: переменного и постоянного тока.
Для работы двигателей переменного тока (AC) требуется источник переменного тока или напряжения (этот источник можно найти в любой электрической розетке в доме).
Для работы двигателей постоянного тока (DC) требуется источник постоянного тока или напряжения (этот источник можно найти в любой электрической розетке в доме).
Универсальные двигатели могут питаться от любого типа источника.
Отличается не только конструкция двигателей, но и управление скоростью и крутящим моментом, хотя принцип преобразования энергии одинаков для всех типов.
Устройство и принцип работы простого электродвигателя.
Конструкция электродвигателя основана на явлении, открытом Майклом Фарадеем в 1821 году: взаимодействие электрического тока и магнита может вызвать непрерывное вращательное движение. Одним из первых двигателей, нашедших практическое применение, был двигатель Бориса Семеновича Якоби (1801-1874), который приводил в движение лодку с 12 пассажирами на борту. Однако для широкого применения электродвигателя был необходим источник дешевой электроэнергии – электромагнитный генератор.
Принцип работы электродвигателя очень прост: вращение вызывается силами магнитного притяжения и отталкивания, действующими между полюсами движущегося электромагнита (ротора) и соответствующими полюсами внешнего магнитного поля, создаваемого неподвижным электромагнитом (или постоянным магнитом) – статором.
Вращающаяся часть электрической машины называется ротором (или якорем), а неподвижная часть – статором. В простом электродвигателе постоянного тока блок катушек служит ротором, а постоянный магнит – статором.
Задача состоит в том, чтобы заставить двигатель вращаться непрерывно. Для этого полюс движущегося электромагнита должен автоматически меняться местами, когда он притягивается к противоположному полюсу статора – тогда ротор не застывает на месте, а продолжает вращаться – по инерции и за счет созданного в этот момент отталкивания.
Коллектор используется для автоматического реверсирования полюсов ротора. Он представляет собой пару пластин, прикрепленных к валу ротора, к которым подключены обмотки ротора. Ток к этим пластинам подводится через токоведущие контакты (щетки). Когда ротор поворачивается на 180°, пластины меняются местами – это автоматически меняет направление тока и, следовательно, полюса движущегося электромагнита. Когда полюса отталкиваются друг от друга, катушка продолжает вращаться, и полюса притягиваются к соответствующим полюсам на другой стороне магнита.
Простейший электродвигатель
Простейший электродвигатель работает только на постоянном токе (от батареи). Через рамку, помещенную между полюсами постоянного магнита, течет ток. Взаимодействие магнитных полей рамки с током и магнитом вызывает вращение рамки. После каждого полуоборота коллектор переключает контакты рамки, которые приближаются к батарее, и таким образом рамка вращается.
В некоторых двигателях вместо постоянного магнита для создания магнитного поля используется электромагнит. Проволочная обмотка этого электромагнита называется обмоткой возбуждения.
Электродвигатели используются повсеместно. Даже дома можно найти огромное количество электродвигателей. Электродвигатели используются в часах, вентиляторах микроволновых печей, стиральных машинах, компьютерных вентиляторах, кондиционерах, соковыжималках и т.д. и т.п. Список электродвигателей, используемых в промышленности, бесконечен. Диапазон физических размеров – от размера спичечной головки до размера двигателя локомотива.
Показанный ниже промышленный электродвигатель работает как с постоянным, так и с переменным током. Статор – это электромагнит, создающий магнитное поле. Обмотки двигателя поочередно подключаются к источнику питания через щетки. Один за другим они поворачивают ротор на небольшой угол, и ротор вращается непрерывно.
Промышленный электродвигатель
Электроизмерительные приборы.
Электроизмерительные приборы являются Класс устройств, используемых для измерения различных электрических величин.
Наиболее распространенной является группа электромагнитных приборов. Принцип их действия, впервые примененный в 1884 году Ф. Кольраушем, основан на перемещении подвижной части железа под воздействием магнитного потока, создаваемого катушкой, через которую протекает ток. Практическая реализация этого принципа различна.
Приближенное влияние магнитного поля на контур тока используется в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы. Амперметры, вольтметры и т.д.
Приборы для магнитоэлектрических систем
Измеритель MAG работает следующим образом.
Катушка тонкой проволоки накладывается и наматывается на легкую алюминиевую раму 2 прямоугольной формы. Рамка закреплена на двух полуосях О и О’, на которых закреплена также стрелка прибора 4. Ось удерживается двумя тонкими витками пружин 3. Усилия пружин, возвращающих рамку в положение равновесия при отсутствии тока, выбираются пропорциональными углу отклонения стрелки от положения равновесия. Катушка помещается между полюсами постоянного магнита М с полыми цилиндрическими концами. Внутрь катушки помещается цилиндр 1 из мягкого железа. Такая конструкция обеспечивает радиальное расположение линий магнитной индукции в зоне вращения катушки (см. рисунок).
В результате силы, действующие на катушку со стороны магнитного поля, максимальны и постоянны при одном и том же токе в каждом положении. Векторы F и -F представляют собой силы, действующие на катушку со стороны магнитного поля и вращающие ее. Катушка с током вращается до тех пор, пока силы упругости со стороны пружины не уравновесят силы, действующие на рамку со стороны магнитного поля. Увеличение тока в рамке в 2 раза приведет к повороту рамки на вдвое больший угол. Это происходит потому, что Fm
Силы, действующие на токовую рамку, прямо пропорциональны току, т.е. вы можете измерить ток в рамке, откалибровав прибор.
Таким же образом можно настроить прибор для измерения напряжения в цепи, если шкала проградуирована в вольтах, а сопротивление рамки тока должно быть выбрано очень высоким по сравнению с сопротивлением участка цепи, на котором измеряется напряжение.
Дополнительный материал.
2. презентацию “Электроизмерительные приборы” можно скачать с сайта Яндекс
Однако такие электродвигатели имеют свои недостатки:
Универсальные двигатели
Отдельную группу двигателей составляют универсальные электродвигатели, которые могут питаться от сети переменного тока и от источников постоянного напряжения. Они используются в электроинструментах, бытовых приборах и других маломощных устройствах. Конструкция такой электрической машины принципиально не отличается от двигателя постоянного тока. Основное различие заключается в конструкции магнитной системы и обмоток ротора. Магнитная система состоит из изолированных секций для снижения магнитных потерь. Обмотка ротора разделена на две части. При питании переменным током под напряжением находится только половина. Это делается для уменьшения радиопомех и улучшения условий переключения.
К преимуществам таких машин относятся:
- Высокая скорость. Универсальные двигатели могут развивать скорость до 10 000 об/мин и более.
- Питание переменным и постоянным током. Двигатели такого типа обычно используются в электроинструментах с дополнительными батареями.
- Регулирование скорости возможно без использования дополнительных устройств.
Однако такие электрические машины имеют свои недостатки:
- Ограниченная мощность.
- Необходимое техническое обслуживание коллектора.
- Сложные условия коммутации при подаче переменного напряжения из-за трансформаторного соединения между обмотками.
- Электромагнитные помехи при подключении к сети переменного тока.
Каждый тип двигателя имеет свои преимущества и недостатки. Выбор электрической машины для привода какого-либо устройства осуществляется исходя из условий эксплуатации, требуемой скорости, экономических возможностей, типа нагрузки и других параметров.
Читайте далее:- Шаговые двигатели: свойства и практические схемы управления. Часть 2.
- ГОСТ 21888-82 (IEC 276-68, IEC 560-77) Щетки, щеткодержатели, коллекторы и контактные кольца электрических машин. Термины и определения (с изменениями N 1) от 30 марта 1982 года.
- Что такое якорь в электродвигателе – Станция техобслуживания ЭкоПаркинг.
- Асинхронный электродвигатель – конструкция, принцип работы, типы асинхронных двигателей.
- Рабочие характеристики асинхронного двигателя; Школа для электриков: электротехника и электроника.
- Машина постоянного тока – принцип работы.
- Проектирование коллекторной машины постоянного тока; Студопедия.