Что преобразует электродвигатель: типы, устройство, принцип работы, параметры, производители

Содержание

Электродвигатели, преобразование энергии – РегионПривод

Классификация электродвигателей
- Основные виды электродвигателей
- Виды электродвигателей по степени защищенности от внешней среды
  - Взрывозащищенные электродвигатели
  - Защищенные электродвигатели
  - Закрытые электродвигатели
- Электродвигатели с тормозом
Регулирование скорости вращения электродвигателя
Применение электродвигателя
Принцип работы электродвигателя
- Принцип работы асинхронного электродвигателя
Устройство электродвигателя
Подключение электродвигателя
Расчёт мощности электродвигателя
Расчет пускового тока электродвигателя
Формула расчета пускового тока электродвигателей

Электродвигатель – это механизм, который служит для преобразования электрической энергии в механическую. В основе принципа работы любого электродвигателя находится закон электромагнитной индукции. Обычно электродвигатель состоит из неподвижной части (статора) и ротора (или якоря), в которых создаются неподвижные или вращающиеся магнитные поля. Электродвигатели бывают самых различных типов и модификаций, широко применяются во многих отраслях человеческой деятельности, и представляют собой один из главных компонентов в механизмах и приводах самого различного назначения. ОТ характеристик электродвигателя напрямую зависит эффективность производства.

Классификация электродвигателей

Главными частями, из которых состоит Электродвигатели, являются статор и ротор. Ротор — та часть двигателя, которая вращается, а статор – которая остается неподвижной. Принцип работы электродвигателя заключен во взаимодействии вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора и электрического тока, который находится в замкнутой обмотке ротора. Этот процесс инициирует вращение ротора в направлении поля.

Основные виды электродвигателей:

Двигатель переменного тока;
Двигатель постоянного тока;
Многофазный двигатель;

Однофазный двигатель;
Вентильный двигатель;
Шаговый двигатель;
Универсальный коллекторный двигатель.

Если говорить о таких электродвигателях как асинхронные электродвигатели, то они относятся к виду двигателей переменного тока. Такие двигатели бывают как однофазные электродвигатели, так и двух- и трехфазные. В асинхронных электродвигателях частота переменного тока в обмотке не совпадает с частотой вращения ротора. Процесс работы асинхронного электродвигателя обеспечивается разницей во времени генерации магнитных полей статора и ротора. Вращение ротора из-за этого задерживается относительно поля статора. Купить электродвигатель асинхронного типа можно для машин, в которых не требуются особые условия работы пускового механизма.

Виды электродвигателей по степени защищенности от внешней среды:

Взрывозащищенные;
Защищенные;
Закрытые.

Взрывозащищенные электродвигатели имеют прочный корпус, который если случится взрыв двигатели, предотвратит поражение всех других частей механизма и воспрепятствует возникновению пожара.

Защищенные электродвигатели при эксплуатации закрыты специальными заслонками и сетками, которые защищают механизм от попадания инородных предметов. Используются в среде, где нет повышенной влажности воздуха и примесей газов, пыли, дыма и химических веществ.

Закрытые электродвигатели имеют специальную оболочку, которая не дает проникать пыли, газам, влаге и другим веществам и элементам, которые способны причинить вред механизму двигателя. Такие электродвигатели бывают герметичными и негерметичными.

Электродвигатели siemens и электродвигатели able выпускаются в большинстве вышеперечисленных видов электродвигателей, и среди них довольно просто выбрать самый оптимальный вариант.

Электродвигатели с тормозом

Тормозные электродвигатели обычно устанавливаются на таком оборудовании, которому необходимо иметь возможность осуществить мгновенную остановку. Это может быть конвейерное или станочное оборудование, или другое оборудование, где остановка обусловлена требованиями техники безопасности. Они активно применяются в транспортных лифтах, подъемных кранах, складских укладочных машинах, прокатном и швейном оборудовании, эскалаторах, станках для дерева и металла, задвижках, прокатном оборудовании – одним словом везде, где необходима быстрая остановка системы в определенном положении и в определенное время.

Если не вдаваться в подробности, электродвигатель с тормозом представляет собой обычный промышленный асинхронный электродвигатель, в котором установлен электромагнитная тормозная система. Это обуславливает тот факт, что от обычных двигателей электродвигатель с тормозом отличается только длиной, тогда как все посадочные и соединительные элементы остаются на прежнем месте. Длина изменяется из-за необходимости установки на двигатель специального кожуха. Как и обычные двигатели, в зависимости от типа питания, электродвигатели с тормозом делятся на двигатели, питаемые переменным током, и электродвигатели, питаемые постоянным током.

Главными элементами тормозной системы электродвигателя являются:

Электромагнит, состоящий из корпуса, в котором находятся катушка или набор катушек;

Якорь, представляющий собой исполнительный элемент, или поверхность для тормозного диска;
Сам тормозной диск, который перемещается по зубчатой втулке, закрепленной на валу заторможенного привода или двигателя.

Когда двигатель находится в состоянии покоя, он заторможен. Пружинный нажим на якорь оказывает, в свою очередь, давление на тормозной диск, в связи с чем возникает его блокировка. Когда на катушку электромагнита подается электрический ток, возбужденный электромагнит притягивает к себе якорь, и происходит разблокировка тормоза. Нажим якоря снимается, и возникает свободное вращение вала электрического двигателя. Электродвигатели с тормозом маркируются буквой «Е», или «Е2» (для двигателей с ручной системой торможения).

Регулирование скорости вращения электродвигателя

Вопрос регулирования скорости вращения электродвигателя очень актуален, ведь снижение и повышение оборотов электродвигателя может понадобится в самых разнообразных механизмах, от бытовых приборов, таких как швейных машин или кухонной техники, до промышленных механизмов и станкового оборудования. Казалось бы, самый простой способ – просто понизить питающее напряжение электродвигателя. Это подходит для двигателей постоянного тока, регуляторы напряжения постоянного тока достаточно просты в производстве и доступны. Однако, в настоящее время основная масса приборов, механизмов и инструментов, занятых в производстве, базируются на асинхронных двигателях переменного тока.

В этом случае при понижении напряжения электродвигатель резко снижает количество оборотов, теряет мощность и полностью останавливается. Как понизить обороты электродвигателя, или как увеличить их? Для регулировки скорости вращения таких электродвигателей и были разработаны частотные инверторные преобразователи, или как их чаще называют – частотники.

Область применения частотных преобразователей достаточно обширна. Они востребованы в станках и электроприводах промышленных механизмов, конвейерах, системах вытяжной вентиляции и так далее. Принцип работы частотника заключается в правиле вычисления угловой скорости вращения вала, которое включает в себя такой фактор как частота питающей сети. Таким образом, меняя частоту питания обмотки электродвигателя, можно регулировать скорость вращения ротора двигателя в прямой зависимости, таким образом уменьшить обороты электродвигателя или повысить их. Эти приборы имеют также название «инверторы», благодаря методу, при помощи которого решается задача одновременного регулирования частоты и напряжения на выходе преобразователя. Все частотные преобразователи в обязательном порядке маркируются табличками, ан которых указаны их характеристики:

Максимально возможная мощность электродвигателя;
Напряжение запитывающей сети;
Количество фаз (однофазный, трехфазный).

Большинство промышленных частотных преобразователей предназначены для работы в трехфазных сетях переменного тока, однако встречаются и другие модели, например частотники для однофазных двигателей.

Применение электродвигателя

Жизнь современного человека тяжело представить без такого механизма как электродвигатель. Оглянитесь вокруг – они получил практически повсеместное распространение. Сегодня они используются не только во всех отраслях промышленности, но и в транспорте, предметах и устройствах, окружающих в повседневной жизни, на работе и дома. Фены, вентиляторы, швейные машины, строительные инструменты – вот далеко не полный перечень устройств, где используются электродвигатели.

Особой надежностью отличаются именно асинхронные электродвигатели, благодаря чему они находят широкое применение в приводах металлообрабатывающих, деревообрабатывающих станков и других промышленных станков, в кузнечных прессах, грузоподъёмных машинах, лифтах, ткацких, швейных и землеройных машинах, промышленных вентиляторах, компрессорах, насосах, центрифугах, бетономешалках. Крановые электродвигатели используются в капитальном, промышленном и гражданском строительстве, в горнодобывающей, металлургической отраслях, энергетике, транспорте.

Метро, трамвай, троллейбус – все эти виды транспорта обязаны своему существованию электродвигателю. Любой офис или жилой дом сегодня невозможно представить без кондиционера или системы очистки воздуха – в них тоже применяются электродвигатели. Функционирование большинства современного оборудования невозможно без электродвигателя, в связи с чем очень многое зависит от качества и надежности этого механизма. Его поломка может привести к очень печальным результатам, вплоть до остановки производства и огромным финансовым убыткам. Следовательно, приобретать электродвигатели можно только у надёжного и проверенного поставщика, который гарантирует качество продукции.

Принцип работы электродвигателя

Принцип работы электродвигателя заключается в эффекте магнетизма, который позволяет эффективно преобразовывать электрическую энергию в механическую. Принцип преобразования энергии в разных типах электродвигателей одинаковый, для всех типов электродвигателей, но конструкция двигателей и способы контроля скорости вращающегося момента могут различаться. Всем со школьной скамьи известен простейший пример электродвигателя – когда рамка вращается между полюсами постоянного магнита. Разумеется, устройство электродвигателя, который применяется в промышленных механизмах или бытовых приборах намного сложнее. Давайте рассмотрим как работает асинхронный электродвигатель, который получил наибольшее распространение в промышленности.

Принцип работы асинхронного электродвигателя.

Принцип действия асинхронного двигателя, как и прочих, основан на использовании вращающегося магнитного поля. Скорость вращения магнитного поля принято называть синхронной, так как она соответствует скорости вращения магнита. При этом скорость вращения цилиндра принято называть асинхронной, то есть не совпадающей со скоростью вращения магнита. Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением. Чтобы заставить заставить электрический ток создавать вращающееся магнитное поле и использовать его для вращения ротора обычно используется трехфазный ток.

Устройство электродвигателя

На полюсах железного сердечника кольцевой формы, называемого статором электродвигателя, размещаются три обмотки, сети трехфазного тока расположенные одна относительно другой под углом 120°. Внутри сердечника укреплен на оси металлический цилиндр, называемый ротором электродвигателя. Если обмотки соединить между собой и подключить их к сети трехфазного тока, то общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, окажется вращающимся. Суммарный магнитный поток в тоже время будет менять свое направление с изменением направления тока в обмотках статора (полюсов). При этом за один период изменения тока в обмотках магнитный поток сделает полный оборот. Вращающийся магнитный поток будет увлекать за собой цилиндр, и мы получим, таким образом асинхронный электродвигатель.

Обмотки статора могут быть соединены «звездой», однако вращающееся магнитное поле образуется и при соединении их «треугольником». Если поменять местами обмотки второй и третьей фаз, то магнитный поток изменит направление своего вращения на обратное. Такого же результата можно добиться, не меняя местами обмотки статора, а направляя ток второй фазы сети в третью фазу статора, а третью фазу сети — во вторую фазу статора. Таким образом, изменить направление вращения магнитного поля можно переключением двух любых фаз.

Подключение электродвигателя

Статор современного асинхронного электродвигателя имеет невыраженные полюсы, т. е. внутренняя поверхность статора сделана совершенно гладкой. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник статора набирают из тонких штампованных стальных листов. Собранный сердечник статора закрепляют в стальном корпусе. В пазы статора закладывают обмотку из медной проволоки. Фазовые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником», для чего все начала и концы обмоток выводятся на корпус — на специальный изоляционный щиток. Такое устройство статора очень удобно, так как позволяет включать его обмотки на разные стандартные напряжения.

Ротор асинхронного двигателя, подобно статору, набирается из штампованных листов стали. В пазы ротора закладывается обмотка. В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Обмотка короткозамкнутого ротора сделана из медных стержней, закладываемых в пазы ротора. Торцы стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки». Заметим, что медные стержни в пазах не изолируются.

Асинхронный двигатель с фазным ротором (с контактными кольцами) применяется обычно в электродвигателях большой мощности и в тех случаях; когда необходимо, чтобы электродвигатель создавал большое усилие при трогании с места. Достигается это тем, что в обмотки фазного двигателя включается пусковой реостат.

Расчёт мощности электродвигателя

Выбирая электродвигатель необходимо ориентироваться на потребляемую оборудованием мощность. Определить мощность можно расчетным путем, используя следующие формулы и коэффициенты:

Мощность на валу электродвигателя определяется по следующей формуле:

, где

Рм – потребляемая механизмом мощность;
ηп – КПД передачи.

Номинальную мощность электродвигателя желательно выбирать больше расчетного значения.

Остальные технические характеристики, необходимые для расчета мощности двигателя, можно найти в каталогах для каждого типа механизмов. При выборе электродвигателя запас должен быть небольшой мощности. При значительном запасе мощности снижается КПД привода. В электродвигателях переменного тока это приводит еще и к снижению коэффициента мощности.

Расчет пускового тока электродвигателя

Зная тип и номинальную мощность электродвигателя, можно рассчитать номинальный ток:

Номинальный ток трехфазных электродвигателей переменного тока:

, где

PH – номинальная мощность электродвигателя;
UH — номинальное напряжение электродвигателя,
ηH — КПД электродвигателя;
cosφH — коэффициент мощности электродвигателя.

Номинальные значения мощности, напряжения и КПД можно найти в технической документации на конкретную модель электродвигателя. Зная значение номинального тока, можно рассчитать пусковой ток.

Формула расчета пускового тока электродвигателей.

, где

IH – номинальное значение тока;

Кп – кратность постоянного тока к номинальному значению.

Пусковой ток необходимо рассчитывать для каждого двигателя в цепи. Зная эту величину, легче подобрать тип автоматического выключателя для защиты всей цепи.

✔ Виды электродвигателей и их особенности

Экономичность и надежность оборудования напрямую зависят от электродвигателя, поэтому его выбор требует серьезного подхода.

Посредством электродвигателя электрическая энергия преобразуется в механическую. Мощность, количество оборотов в минуту, напряжение и тип питания являются основными показателями электродвигателей. Также, большое значение имеют массогабаритные и энергетические показатели.

Электродвигатели обладают большими преимуществами. Так, по сравнению с тепловыми двигателями сопоставимой мощности, по размеру электрические двигатели намного компактнее. Они прекрасно подходят для установки на небольших площадках, например в оборудовании трамваев, электровозов и на станках различного назначения.

При их использовании не выделяется пар и продукты распада, что обеспечивает экологическую чистоту. Электродвигатели делятся на двигатели постоянного и переменного тока, шаговые электродвигатели, серводвигатели и линейные.

Электродвигатели переменного тока, в свою очередь, подразделяются на синхронные и асинхронные.

Электродвигатели постоянного тока

Используются для создания регулируемых электроприводов с высокими динамическими и эксплуатационными показателями. К таким показателям относятся высокая равномерность вращения и перезагрузочная способность. Их используют для комплектации бумагоделательных, красильно-отделочных и подъемно-транспортных машин, для полимерного оборудования, буровых станков и вспомогательных агрегатов экскаваторов. Часто они применяются для оснащения всех видов электротранспорта.

Электродвигатели переменного тока

Пользуются более высоким спросом, чем двигатели постоянного тока. Их часто используют в быту и в промышленности. Их производство намного дешевле, конструкция проще и надежнее, а эксплуатация достаточно проста. Практически вся домашняя бытовая техника оборудована электродвигателями переменного тока. Их используют в стиральных машинах, кухонных вытяжных устройствах и т.д. В крупной промышленности с их помощью приводится в движение станковое оборудование, лебедки для перемещения тяжелого груза, компрессоры, гидравлические и пневматические насосы и промышленные вентиляторы.

Шаговые электродвигатели

Действуют по принципу преобразования электрических импульсов в механическое перемещение дискретного характера. Большинство офисной и компьютерной техники оборудовано ими. Такие двигатели очень малы, но высокопродуктивны. Иногда и востребованы в отдельных отраслях промышленности.

Серводвигатели

Относятся к двигателям постоянного тока. Они высокотехнологичны. Их работа осуществляется посредством использования отрицательной обратной связи. Такой двигатель отличается особой мощностью и способен развивать высокую скорость вращения вала, регулировка которого осуществляется с помощью компьютерного обеспечения. Такая функция делает его востребованным при оборудовании поточных линий и в современных промышленных станках.

Линейные электродвигатели

Обладают уникальной способностью прямолинейного перемещения ротора и статора относительно друг друга. Такие двигатели незаменимы для работы механизмов, действие которых основано на поступательном и возвратно-поступательном движении рабочих органов. Использование линейного электродвигателя способно повысить надежность и экономичность механизма благодаря тому, что значительно упрощает его деятельность и почти полностью исключает механическую передачу.

Синхронные двигатели

Являются разновидностью электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора равняется частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре. Их используют для компрессоров, крупных вентиляторов, насосов и генераторов постоянного тока, так как они работают с постоянной скоростью.

Асинхронные двигатели

Также, относятся к категории электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается током обмотки статора. Асинхронные двигатели разделяются на два типа, в зависимости от конструкции ротора: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Конструкция статора в обоих видах одинакова, различие только в обмотке.

Электродвигатели незаменимы в современном мире. Благодаря им значительно облегчается работа людей. Их использование помогает снизить затрату человеческих сил и сделать повседневную жизнь намного комфортнее.

Перейти в каталог электродвигаетелей

Как работают электродвигатели?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 25 октября 2021 г.

Щелкни выключателем и получи мгновенное питание — как бы это понравилось нашим предкам электродвигатели! Вы можете найти их во всем, от электропоезда на дистанционном управлении автомобили — и вы можете быть удивлены, насколько они распространены. Сколько электрических моторы сейчас с тобой в комнате? Есть, наверное, два в компе для начала крутится один твой хард ездить и еще один питание вентилятора охлаждения. Если вы сидите в спальне, вы найдете моторы в фенах и многих игрушки; в ванной — в вытяжках и электробритвах; на кухне моторы есть практически в каждом приборе, от стиральных и посудомоечных машин до кофемолок, микроволновых печей и электрических консервных ножей. Электродвигатели зарекомендовали себя как одни из лучших изобретения всех времен. Давайте разберем некоторые и узнаем, как они Работа!

Фото: Даже маленькие электродвигатели на удивление тяжелые. Это потому, что они набиты плотно намотанной медью и тяжелыми магнитами. Это двигатель от старой электрической газонокосилки. Медно-красная штука в сторону Перед осью с прорезями в ней находится коллектор, удерживающий двигатель. вращение в том же направлении (как описано ниже).

Содержание

Как электромагнетизм заставляет двигатель двигаться?
Правило левой руки Флеминга
Как работает электродвигатель — теория
Как работает электродвигатель на практике
Универсальные двигатели
Электродвигатели прочие
Узнать больше

Как электромагнетизм заставляет двигатель двигаться?

Основная идея электродвигателя очень проста: вы подаете в него электричество с одного конца, а ось (металлический стержень) вращается на другом конце, давая вам возможность управлять машина какая-то. Как это работает на практике? Как именно ваш преобразовать электричество в движение? Чтобы найти ответ на этот вопрос, мы вернуться в прошлое почти на 200 лет.

Предположим, вы берете отрезок обычной проволоки, делаете из нее большую петлю, и положить его между полюсами мощной, постоянной подковы магнит. Теперь, если вы подключите два конца провода к батарее, провод будет прыгать кратко. Удивительно, когда ты видишь это впервые. Это прямо как по волшебству! Но есть совершенно научная объяснение. Когда электрический ток начинает ползти по проводу, он создает магнитное поле вокруг него. Если разместить провод рядом с постоянным магнит, это временное магнитное поле взаимодействует с постоянным поле магнита. Вы узнаете, что два магнита, расположенные рядом друг с другом либо притягивать, либо отталкивать. Точно так же временный магнетизм вокруг провода притягивает или отталкивает постоянный магнетизм от магнит, и это то, что заставляет провод прыгать.

Правило левой руки Флеминга

Вы можете определить направление, в котором будет прыгать провод, используя удобная мнемоника (помощь памяти), называемая правилом левой руки Флеминга (иногда называется моторным правилом).

Вытяните большой, указательный и указательный пальцы левой стороны, так что все три находятся под прямым углом. Если ты укажешь вторым пальцем в направлении Течения (который течет от положительного к отрицательный полюс аккумулятора), и первый палец в направление поля (которое течет от северного к южному полюсу магнит), ваш большой палец будет показать направление, в котором провод Движения.

Это…

Первый палец = Поле
Второй палец = Текущий
ThuMb = Движение

Несколько слов о токе

Если вас смущает то, что я говорю, что ток течет от плюса к минусу, это просто историческая условность. Такие люди, как Бенджамин Франклин, который помог выяснить тайну электричества еще в 18 веке считали потоком положительных зарядов, так что это перетекло от положительного к отрицательному. Мы называем эту идею обычным током. и до сих пор используют его в таких вещах, как правило левой руки Флеминга. Теперь у нас есть лучшие идеи о том, как электричество работает, мы склонны говорить о токе как о потоке электронов, от отрицательного к положительному, в противоположное направление условного тока. Когда вы пытаетесь вычислить вращение двигателя или генератора, обязательно помните, что ток означает обычный ток , а не поток электронов.

Принцип работы электродвигателя — теория

Связь между электричеством, магнетизмом и движением была первоначально открыт в 1820 году французским физиком Андре-Мари. Ампер (1775–1867), и это фундаментальная наука, лежащая в основе электродвигателя. Но если мы хотим превратить это удивительное научное открытие в более практическое немного технологии для питания наших электрических косилок и зубных щеток, мы должны пойти немного дальше. Изобретателями, сделавшими это, были англичане Майкл Фарадей (179 г.1–1867) и Уильям Стерджен (1783–1850) и американец Джозеф Генри (1797–1878). Вот как они пришли к своему гениальному изобретению.

Предположим, мы сгибаем нашу проволоку в квадратную U-образную петлю, чтобы эффективно два параллельных провода, проходящих через магнитное поле. Один из них отводит от нас электрический ток по проводу и другому один возвращает ток обратно. Поскольку ток течет в противоположных направлениях в проводах, правило левой руки Флеминга говорит нам, что два провода будут двигаться в противоположных направлениях. Другими словами, когда мы включите электричество, один из проводов поднимется вверх и другой будет двигаться вниз.

Если бы катушка проволоки могла двигаться вот так, она бы вращалась непрерывно — и мы были бы на пути к созданию электрического мотор. Но этого не может случиться с нашей нынешней установкой: провода будут быстро запутаться. Не только это, но если бы катушка могла вращаться далеко достаточно, что-то еще случилось бы. Как только катушка достигла вертикали положение, он перевернулся бы, поэтому электрический ток протекать через него в обратном направлении. Теперь силы на каждом сторона катушки перевернута. Вместо непрерывного вращения в в том же направлении, он будет двигаться в том же направлении, в котором только что пришел! Представьте электропоезд с таким двигателем: он будет держать шаркая взад и вперед на месте, даже не двигаясь в любом месте.

Фото: Электрик ремонтирует электродвигатель на борту авианосца. Блестящий металл, который он использует, может выглядеть как золото. но на самом деле это медь, хороший проводник, который намного дешевле. Фото Джейсона Якобовица предоставлено ВМС США.

Как работает электродвигатель на практике

Есть два способа решить эту проблему. Один из них заключается в использовании своего рода электрический ток, который периодически меняет направление, известное как переменный ток (АС). В виде небольшого, на батарейках двигатели, которые мы используем дома, лучшим решением будет добавить компонент называется коммутатором концы катушки. (Не беспокойтесь о бессмысленных технических имя: это немного старомодное слово «коммутация» немного похоже на слово «коммутировать». Это просто означает переход туда и обратно в одном и том же таким образом, что коммутировать означает путешествовать туда и обратно.) В своей простейшей форме коммутатор представляет собой металлическое кольцо, разделенное на две отдельные половины и его работа заключается в изменении направления электрического тока в катушке каждый раз, когда катушка поворачивается на пол-оборота. Один конец катушки присоединен к каждой половине коммутатора. Электрический ток от аккумулятора подключается к электрическим клеммам двигателя. Они подают электроэнергию в коммутатор через пару свободных разъемы, называемые щетками, сделанный либо из кусочков графита (мягкий углерод, похожий на карандашный «свинец») или тонкие отрезки упругого металла, который (как название предполагает) «кисть» против коммутатора. С коммутатор на месте, когда электричество течет по цепи, катушка будет постоянно вращаться в одном и том же направлении.

Работа: Упрощенная схема частей электрического мотор. Анимация: как это работает на практике. Обратите внимание, как коммутатор меняет направление тока каждый раз, когда катушка поворачивается. наполовину. Это означает, что сила на каждой стороне катушки всегда толкая в том же направлении, что заставляет катушку вращаться по часовой стрелке.

Такой простой экспериментальный двигатель не способен много силы. Мы можем увеличить вращающую силу (или крутящий момент) что двигатель можно создать тремя способами: либо мы можем иметь более мощный постоянный магнит, или мы можем увеличить электрический ток течет по проводу, или мы можем сделать катушку, чтобы у нее было много «витки» (петли) очень тонкой проволоки вместо одного «витка» толстой проволоки. На практике двигатель также имеет постоянный магнит, изогнутый в виде дуги. круглой формы, так что он почти касается катушки проволоки, которая вращается внутри него. Чем ближе друг к другу магнит и катушка, тем большее усилие, которое может создать двигатель.

Несмотря на то, что мы описали ряд различных деталей, двигатель можно представить как состоящий из двух основных компонентов:

На краю корпуса двигателя имеется постоянный магнит (или магниты), который остается неподвижным, поэтому он называется статором двигателя.
Внутри статора есть катушка, установленная на оси, которая вращается с высокой скоростью, и это называется ротором. Ротор также включает в себя коллектор.

Универсальные двигатели

9Такие двигатели постоянного тока 0002 отлично подходят для игрушек с батарейным питанием (таких как модели поездов, радиоуправляемых автомобилей или электробритв), но вы не найдете их во многих бытовых приборах. Мелкие бытовые приборы (например, кофемолки или электрические блендеры) обычно используют так называемые универсальные двигатели , которые могут питаться как от переменного, так и от постоянного тока.

В отличие от простого двигателя постоянного тока, универсальный двигатель имеет электромагнит вместо постоянного магнита, и он получает питание от постоянного или переменного тока, который вы подаете:

При подаче постоянного тока электромагнит работает как обычный постоянный магнит и создает магнитное поле, направленное всегда в одном направлении. Коммутатор меняет направление тока катушки каждый раз, когда катушка переворачивается, как в простом двигателе постоянного тока, поэтому катушка всегда вращается в одном направлении.
Однако, когда вы подаете переменный ток, ток, протекающий через электромагнит, и ток, протекающий через катушку , оба меняются местами, точно в шаге, поэтому сила на катушке всегда в одном направлении, и двигатель всегда вращается по часовой стрелке. или против часовой стрелки. Что с коммутатором? Частота тока изменяется намного быстрее, чем вращается двигатель, и, поскольку поле и ток всегда синхронизированы, на самом деле не имеет значения, в каком положении находится коммутатор в любой данный момент.

Анимация: Как работает универсальный двигатель: Электропитание питает как магнитное поле, так и вращающуюся катушку. С питанием постоянного тока универсальный двигатель работает так же, как и обычный двигатель постоянного тока, как указано выше. При питании переменным током как магнитное поле, так и ток катушки меняют направление каждый раз, когда ток питания меняется на противоположное. Это означает, что сила на катушке всегда направлена в одну сторону.

Фото: Внутри типичного универсального двигателя: Основные детали внутри среднего двигателя от кофемолки, который может работать как от постоянного, так и от переменного тока. Серый электромагнит по краю — это статор (статическая часть), питающийся от катушек оранжевого цвета. Обратите также внимание на прорези в коллекторе и упирающиеся в него угольные щетки, которые обеспечивают питание ротора (вращающейся части). Асинхронные двигатели в таких вещах, как электропоезда, во много раз больше и мощнее, чем этот, и всегда работают с использованием переменного тока высокого напряжения (AC) вместо постоянного тока низкого напряжения (DC) или переменного тока умеренно низкого напряжения. который питает универсальные двигатели.

Другие виды электродвигателей

Фото: Электродвигатели бывают всех форм и размеров. В этом школьном автобусе есть заменили старый грязный дизельный двигатель на большой электродвигатель (белая рамка) для уменьшения загрязнения воздуха. Фото Денниса Шредера предоставлено NREL (Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

В простых двигателях постоянного тока и универсальных двигателях ротор вращается внутри статора. Ротор представляет собой катушку, подключенную к источнику электропитания, а статор представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Большие двигатели переменного тока (используемые в таких вещах, как фабричные машины) работают немного по-другому: они пропускают переменный ток через противоположные пары магнитов для создания вращающегося магнитного поля, которое «индуцирует» (создает) магнитное поле в роторе двигателя, вызывая это вращаться вокруг. Подробнее об этом можно прочитать в нашей статье об асинхронных двигателях переменного тока. Если вы возьмете один из этих асинхронных двигателей и «развернете» его, так что статор будет эффективно выложен в длинную непрерывную дорожку, ротор сможет катиться по ней по прямой линии. Эта гениальная конструкция известна как линейный двигатель, и вы найдете ее в таких вещах, как заводские машины и плавучие железные дороги «маглев» (магнитная левитация).

Еще одна интересная конструкция — бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC). Статор и ротор эффективно меняются местами, с несколькими статичными железными катушками в центре и постоянным магнитом, вращающимся вокруг них, а коммутатор и щетки заменяются электронной схемой. Вы можете прочитать больше в нашей основной статье о ступичных двигателях. Шаговые двигатели, которые поворачиваются на точно контролируемые углы, являются разновидностью бесщеточных двигателей постоянного тока.

Узнайте больше

Книги

Для младших читателей

Электричество для юных мастеров: веселые и легкие проекты «Сделай сам» Марка де Винка. Maker Media, 2017. Увлекательное практическое введение в базовые проекты в области электричества, в том числе три из них связаны со сборкой электродвигателей.
Electric Mischief: гаджеты на батарейках, которые могут собрать дети, Алан Бартоломью. Отпечатки лап, 2008.

Для читателей старшего возраста

Электродвигатели и приводы: основы, типы и применение Остина Хьюза и Билла Друри, Newnes (Elsevier), 2019.
Управление электродвигателем, Санг-Хун Ким, Elsevier, 2017.
Практическое руководство по электродвигателям Ирвинга Готтлиба, Newnes (Elsevier), 1997.

Артикул

200 лет назад Фарадей изобрел электродвигатель: после того, как Фарадей опубликовал свои результаты, его наставник Эллисон Марш обвинила его в плагиате. IEEE Spectrum, 27 августа 2021 г. Увлекательная история изобретения Фарадея и последствий, которые оно вызвало.
Новый электродвигатель может повысить эффективность электромобилей, скутеров и ветряных турбин Лоуренс Ульрих. IEEE Spectrum, 19 августа 2019 г. Двигатели с высоким крутящим моментом — ключ к нашему быстрому электрическому будущему.
Как напечатать электродвигатель, Карл Бугея. IEEE Spectrum, 24 августа 2018 г. Можно ли «напечатать» двигатель так же, как вы делаете печатную плату?
Заткнись о батареях: ключ к лучшему электромобилю — более легкий двигатель Мартин Доппельбауэр и Патрик Винцер. IEEE Spectrum, 22 июня 2017 г. Немецкие инженеры считают, что лучшие двигатели, а не лучшие аккумуляторы, являются ключом к завтрашнему всепобеждающему электромобилю.
Power and Electric Motors Ретта Аллена. Wired, ноябрь 2011 г. Почему электродвигатели потребляют гораздо больше энергии, когда они только запускаются?

Занятия

Вот несколько простых и безопасных занятий по сборке моторов, которые вы можете попробовать сами. В порядке сложности первый — это простой винтовой двигатель; последний представляет собой полноценный коллекторный двигатель постоянного тока.

Как сделать простейший электродвигатель от Windell Oskay. Evil Mad Scientist, 7 августа 2006 г. Можно ли сделать мотор из батарейки, винта, магнита и полоски проволоки?
Очень простой винтовой «двигатель» доктора Джонатана Хэйра, Creative Science Center. Еще одно описание винтового двигателя.
Собери простой электродвигатель!: Science Buddies, 16 октября 2017 г. Более сложный двигатель с вращающейся катушкой.
Соберите простой двигатель постоянного тока со щетками и коллектором. (короткая версия) и «Создание двигателя постоянного тока шаг за шагом» (пошаговая версия) Тима Каллинана. Как сделать дешевый и простой коллекторный двигатель постоянного тока из бытовых материалов примерно за 5 долларов.

Патенты

Патенты являются отличным источником подробной технической информации и чертежей. Вот некоторые из них, которые я откопал из базы данных USPTO:

Электродвигатель Ганса Э. Ницше, 13 апреля 1925 г. Типичный ранний двигатель постоянного тока, предназначенный для питания от низковольтных батарей.
Масаюки Ёкояма и др., Mitsubishi Electric Corporation, 1 июня 2010 г. Двигатель с увеличенным сроком службы и улучшенной конструкцией коллектора.
Электродвигатель постоянного тока с высоким крутящим моментом и системой одновременной зарядки аккумулятора, автор Wilson A. Burtis, 26, 19 августа.97. Мощный двигатель, который может эффективно заряжать батареи электромобиля во время движения.