Как устроен электродвигатель: Как работает электродвигатель

Как работает электродвигатель

Электродвигатель работает благодаря тому, что взаимодействуют сила тока и сила магнита вызывают вращение. Электродвигатели состоят из: неподвижной магнитной части (статора) и подвижного (вращающегося) электромагнита – ротора. Чаще всего в роли статора выступает постоянный магнит, а в роли ротора – катушка с обмоткой возбуждения

Особенности работы электродвигателей

Когда полюс ротора притягивается к противоположно заряженному полюсу статора, он меняет автоматически свой заряд на противоположный. Тогда возникает естественное отталкивание между одинаково заряженными полюсами, и ротор не замирает на месте, а, в силу инерции, поворачивается. Автоматически переключают полюса заряда ротора при помощи коллектора. Это такие пластинки, к которым подключается обмотка катушки. Когда ротор поворачивается на 180 градусов, пластинки меняются местами, вследствие чего меняется и направление тока.

Типы  электродвигателей:

• Двигатель, работающий от постоянного электричества.
• Двигатель переменчивого тока.

Электричество подается на обмотку катушки через щетки, расположенные на разных концах якоря (ротора). В результате он превращается в электромагнит, создающий вокруг себя магнитное поле. Когда магнитное поле взаимодействует со статором, якорь начинает вертеться, пытаясь вырваться из поля. Мощность двигателя постоянного тока напрямую зависит от обмотки якоря.

Двигатели второго типа получают питание от переменного тока, частотой 60 Гц, бывают они синхронными и асинхронными. Обычно их запускают вручную. Когда якорь двигателя вращается одновременно с магнитным полем напряжения от сети питания, двигатель называют синхронным. Асинхронным является двигатель, у которого скорость вращения якоря не совпадает с частотой магнитного поля, приводящего его в движение.

Типовые режимы работы электрических двигателей

В зависимости от предназначения и типа устройства электродвигатели имеют разные режимы работы. Выделим несколько самых распространенных из них:

• Продолжительный с постоянной нагрузкой  — S1;
• Временный с постоянной нагрузкой (отличается от первого четко ограниченной по времени фазой работы) —  S2;
• Периодический кратковременный (состоит из нескольких кратковременных циклов между фазами покоя) S3;
• Периодический режим с электрическим пуском S4;
• Периодический кратковременный режим с электрическим торможением S5;

Всего есть 9 типовых режимов работы электродвигателей. Каждый режим используют для определенного вида нагрузки.

Просмотров: 2254

Дата: Воскресенье, 15 Декабрь 2013

Как работает электромотор, строение электромагнитного двигателя автомобиля

Электродвигатель является одним из наиболее распространённых устройств, которое способно превращать даже небольшое количество поглощаемой энергии в сложную механическую работу. Это довольно экономичный, безопасный и практически безвредный для окружающей среды мотор, именно поэтому с каждым годом число авто, основанных на электротяге, только возрастает. В статье подробно рассмотрен основной принцип работы и устройство двигателя, способного работать на электрической энергии.

Как устроен электродвигатель

Сегодня известна не одна модификация электромотора, но несмотря на это, вне зависимости от его сложности и дополнительных узлов, каждый такой агрегат состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статор представляет собой неподвижную несущую часть, на которой установлены магнитопроводы, а в некоторых случаях и индуктор — технический блок, преобразующий переменный ток в постоянный. Основой статора любого автомобиля является литой или сварной корпус из металла (станина) и сердечник. В сердечнике предусмотрены специальные пазы, в которых установлена статорная обмотка (из медной проволоки). Её роль играют тонкие, параллельно расположенные и изолированные жилы из меди (или медных сплавов).

Под ротором принято подразумевать главный движущий элемент мотора. Наиболее часто он приобретает вид стального вала, по бокам которого закреплены подшипники. Поверх вала располагается медная обмотка, закрытая пластинами-магнитопроводами. Ротор плотно устанавливается во внутреннюю часть статора, при этом между верхней поверхностью ротора и внутренней частью статора устанавливается минимальный зазор, который не препятствует вращению вала во время работы.

Питание такого узла производится при помощи литий-ионного аккумулятора, его основой являются отдельные модули, подключённые в единое целое при помощи последовательной схемы.

Это позволяет создать напряжение необходимой мощности и с устойчивыми параметрами. Зачастую на выходе такой батареи формируется около 300 В постоянного тока, но в некоторых моделях автомобилей при чётко устроенном взаимодействии всех узлов показатель может доходить и до 700 В.

Рекомендуем для прочтения:

Принцип работы электродвигателя

Электромотор можно назвать одним из наиболее простых и эффективных способов конвертирования электрической энергии в механическую. Данное действие реализуется благодаря так называемой магнитной индукции. Под ней подразумевают особое физическое явление, во время которого происходит возникновение электродвижущей силы в замкнутой среде при изменении потока магнитной силы.

В обычных двигателях внутреннего сгорания коленвал приводится в движение при помощи давления газов, как производных сгорания топлива. Электрический двигатель вращает ось благодаря взаимодействию магнитных полей на статоре и роторе.

При подаче электроэнергии на медной обмотке этих элементов возникают взаимоотталкивающиеся поля, которые позволяют автоматически двигать ротор относительно неподвижного статора.

Если устроить контролируемый режим подачи питания через проводник, можно добиться стабильного и сбалансированного вращения движущихся частей, а далее — и машины. Такое строение даёт возможность практически отказаться от сложной коробки передач и упростить управление автомобилем. Кроме того, эта конструкция значительно проще, нежели цилиндровый двигатель, поэтому в нормальном режиме эксплуатации её ресурс будет значительно больше.

Видео: Как работает электродвигатель

Виды электродвигателей

Современная промышленность подарила изобилие всевозможных разновидностей и типов электродвигателей.

Наиболее часто их классифицируют в зависимости от поглощаемого тока, поэтому выделяют устройства, работающие на постоянном и переменном токе. Существует и смешанный вид силового агрегата, способный работать как на постоянном, так и переменном напряжении.

Важно! Двигатели от разных производителей авто имеют уникальную массу, технические решения, мощность, размеры и прочие параметры, поэтому с каждым годом по ходу развития электротехники классификация дополняется.

В свою очередь, моторы, работающие на переменном напряжении, делятся на две основные группы: синхронные и асинхронные. Первые имеют одинаковую частоту магнитного поля как статора, так и ротора. Вторые отличаются различными частотами, при этом скорость взаимодействия магнитного поля статора значительно больше, нежели у ротора.

Можно также различать электромагнитные двигатели в зависимости от фаз поглощения тока. Так, выделяют одно-, двух- и даже трёхфазные автомоторы, самым редким из них принято считать трёхфазный. Сегодня известно всего несколько реальных воплощений такого агрегата в современном автомобилестроении, это такие автомобили, как Mitsubishi i-MiEV и Chevrolet Volt.

И, наконец, автомобильный электромотор разделяют на бесколлекторный и коллекторный (в зависимости от наличия щёточно-коллекторного узла). Первый тип работает на переменном токе, второй — на постоянном. Коллектор в этом случае играет роль принудительного «выпрямителя» интенсивности напряжения. При этом основная масса автомобилей на современном рынке передвигается именно на коллекторных моторах.

Автомобильный электродвигатель — это реальная, выгодная и более экологичная альтернатива классическим топливным моторам. Конструкция этих агрегатов надёжна, а также позволяет стабильно работать вне зависимости от типа нагрузки. Несмотря на то что большинство современных электромагнитных моторов по мощности уступают бензиновым и дизельным, этот разрыв с каждым годом только сокращается.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Электродвигатель постоянного тока: принцип работы и действия, устройство, характеристики

Сейчас невозможно представить нашу жизнь без электродвигателей. Они приводят в действие станки, бытовую технику и инструменты, поезда, трамваи и троллейбусы, компьютеры, игрушки и разные подвижные механизмы, устанавливаются на производственных станках, если частоту вращения рабочего вала требуется регулировать в широком диапазоне. Агрегаты для преобразования электрической энергии в механическую представлены множеством видов и моделей (синхронные, асинхронные, коллекторные и т.д.). Из этой статьи вы узнаете, что такое электродвигатель постоянного тока, его устройство и принцип действия.

Краткая история создания

Разные ученые пытались создать экономичный и мощный двигатель еще с первой половины 19 века. Основой послужило открытие М.Фарадея, сделанное в 1821 г. Он обнаружил, что помещенный в магнитное поле проводник вращается. Отталкиваясь от этого, в 1833 г изобретатель Томас Дэвенпорт смог сконструировать двигатель постоянного тока, а позже, в 1834 г, ученый Б. С.Якоби придумал прообраз современной модели двигателя с вращающимся валом. Устройство, более похожее на современные агрегаты, появилось в 1886 г, и до сегодняшнего дня электродвигатель продолжает совершенствоваться.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока

На мысль о создании двигателя ученых натолкнуто следующее открытие. Помещенная в магнитное поле проволочная рамка с пропущенным по ней током начинает вращаться, создавая механическую энергию. Принцип действия электродвигателя постоянного тока основывается на взаимодействии магнитных полей рамки и самого магнита. Но одна рамка после определенного количества вращений замирает в положении, параллельном внешнему магнитному полю. Для продолжения движения необходимо добавить вторую рамку и в определенный момент переключить направление тока.

Вместо рамок в двигателе используется набор проводников, на которые подается ток, и якорь. При запуске вокруг него возбуждается магнитное поле, взаимодействующее с полем обмотки. Это заставляет якорь повернуться на определенный угол. Подача тока на следующие проводники приводит к следующему повороту якоря, и далее процесс продолжается.

Магнитное поле создается либо с помощью постоянного магнита (в маломощных агрегатах), либо с помощью индуктора/обмотки возбуждения (в более мощных устройствах).

Попеременную зарядку проводников якоря обеспечивают щетки, сделанные из графита или сплава графита и меди. Они служат контактами, замыкающими электрическую сеть на выводы пар проводников. Изолированные друг от друга выводы представляют собой кольцо из нескольких ламелей, которое находится на оси вала якоря и называется коллекторным узлом. Благодаря поочередному замыканию ламелей щетками двигатель вращается равномерно. Степень равномерности работы двигателя зависит от количества проводников (чем больше, тем равномернее).

Устройство электродвигателя постоянного тока

Теперь, когда вы знаете, как работает электродвигатель постоянного тока, пора ознакомиться с его конструкцией.

Как и у других моделей, основу двигателя составляют статор (индуктор) – неподвижная часть, и якорь вкупе с щеточноколлекторным узлом – подвижная часть. Обе части разделены воздушным зазором.

В состав статора входят станина, являющаяся элементом магнитной цепи, а также главные и добавочные полюса. Обмотки возбуждения, необходимые для создания магнитного поля, находятся на главных полюсах. Специальная обмотка, улучшающая условия коммутации, расположена на добавочных полюсах.

Якорь представляет собой узел, состоящий из магнитной системы (она собрана из нескольких листов), набора обмоток (проводников), уложенных в пазы, и коллектора, который подводит постоянный ток к рабочей обмотке.

Коллектор имеет вид цилиндра, собранного из изолированных медных пластин. Он насажен на вал двигателя и имеет выступы, к которым подходят концы секций обмотки якоря. Щетки снимают ток с коллектора, входя с ним в скользящий контакт. Удержание щеток в нужном положении и обеспечение их нажатия на коллектор с определенной силой осуществляется щеткодержателями.

Многие модели двигателей оснащены вентилятором, задача которого – охлаждение агрегата и увеличение продолжительности рабочего периода.

Особенности и характеристики электродвигателя постоянного тока

Эксплуатационные характеристики электродвигателя постоянного тока позволяют широко использовать это устройство в самых разных сферах – от бытовых приборов до транспорта. К его преимуществам можно отнести:

• Экологичность. При работе не выделяются вредные вещества и отходы.
• Надежность. Благодаря довольно простой конструкции он редко ломается и служит долго.
• Универсальность. Он может использоваться в качестве как двигателя, так и генератора.
• Простота управления.
• Возможность регулирования частоты и скорости вращения вала – достаточно подключить агрегат в цепь переменного сопротивления.
• Легкость запуска.
• Небольшие размеры.
• Возможность менять направление вращения вала. В двигателе с последовательным возбуждением нужно изменить направление тока в обмотке возбуждения, во всех остальных типах – в якоре.

Как и любое устройство, электродвигатели постоянного тока имеют и «слабые стороны»:

• Их себестоимость, следовательно, и цена достаточно высока.
• Для подключения к сети необходим выпрямитель тока.
• Самая уязвимая и быстроизнашивающаяся деталь – щетки – требует периодической замены.
• При сильной перегрузке может случиться возгорание. Если соблюдать правила эксплуатации, такая возможность исключена.

Но, как видите, достоинства явно перевешивают, поэтому на данный момент электродвигатель является одним из наиболее экономичных и эффективных устройств. Зная устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока, вы сможете самостоятельно собрать и разобрать его для техосмотра, чистки или устранения неисправностей.

Асинхронный электродвигатель: устройство и принцип работы

Самым эффективным устройством, превращающим электрическую энергию в механическую, является асинхронный двигатель, изобретенный инженером Доливо-Добровольским в конце 19 века. Учитывая возрастающий интерес современников к разработке и сборке станков, самодвижущихся аппаратов и прочих механизмов, мы постараемся объяснить, как работает асинхронный электродвигатель, чтобы вы могли понять принцип его действия и результативно его использовать.

Устройство асинхронного электродвигателя

В его конструкцию входят следующие элементы:

• Статор цилиндрической формы, собранный из стальных листов. Сердечник статора имеет пазы, в которые уложены обмотки. Их оси сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу.
• Ротор (короткозамкнутый или фазный). Первый вариант представляет собой сердечник с алюминиевыми стержнями, накоротко замкнутыми торцевыми кольцами (беличья клетка). Второй вариант состоит из трехфазной обмотки, чаще всего соединенной «звездой».
• Конструктивные детали – вал, подшипники, лапы, подшипниковые щиты, крыльчатка и кожух вентилятора, коробка выводов — обеспечивающие вращение, охлаждение и защиту механизма.

Схему асинхронного двигателя с указанием его деталей легко найти в интернете или в пособиях.

Принцип работы асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного электродвигателя заложен в его названии (не синхронный). То есть статор и ротор при включении создают вращающиеся с разной частотой магнитные поля. При этом частота вращения магнитного поля ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

Чтобы более наглядно представить себе этот процесс, возьмите постоянный магнит и покрутите его вокруг своей оси возле медного диска. Диск с небольшим отставанием начнет вращаться вслед за магнитом. Дело в том, что при вращении магнита в структуре диска возбуждаются токи Фуко (индукционные токи), движущиеся по замкнутому кругу. По сути они являются токами короткого замыкания, разогревающими металл. В диске «зарождается» собственное магнитное поле, в дальнейшем взаимодействующее с полем магнита.

В асинхронном двигателе для получения вращающегося поля используются обмотки статора. Магнитный поток, образованный ими, создает ЭДС в проводниках ротора. При взаимодействии магнитного поля статора и индуцируемого тока в обмотке ротора создается электромагнитная сила, приводящая во вращение вал электродвигателя.

Пошагово процесс выглядит следующим образом:

1. При запуске двигателя магнитное поле статора пересекается с контуром ротора и индуцирует электродвижущую силу.
2. В накоротко замкнутом роторе возникает переменный ток.
3. Два магнитных поля (статора и ротора) создают крутящий момент.
4. Крутящийся ротор пытается «догнать» поле статора.
5. В тот момент, когда частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадут, электромагнитные процессы в роторе затухают и крутящий момент становится равным нулю.
6. Магнитное поле статора возбуждает контур ротора, который к этому моменту снова отстает.

То есть ротор всегда медленнее магнитного поля статора, что и обеспечивает асинхронность.

Поскольку ток в роторе индуцируется бесконтактно, отпадает необходимость установки скользящих контактов, что делает асинхронные двигатели более надежными и эффективными. Изменяя направление тока в одной из обмоток (для этого нужно поменять фазы на клеммах), вы можете «заставить» мотор вращаться в ту или другую сторону.

Направление электромагнитной силы легко определить, вспомнив школьный курс физики и воспользовавшись «правилом левой руки».

На частоту вращения магнитного поля статора влияет частота питающей сети и число пар полюсов. Поскольку число пар полюсов зависит от типа двигателя и остается неизменным, то, если вы хотите изменить частоту вращения поля, необходимо изменить частоту питающей сети с помощью преобразователя.

Преимущества асинхронных двигателей

Благодаря тому, что устройство и принцип работы асинхронного электродвигателя достаточно просты, он обладает массой преимуществ и широко применяется во всех сферах народного хозяйства и в быту. Двигатели этого типа характеризуются:

• Надежностью и долговечностью. Отсутствие контакта между подвижными и неподвижными деталями сводит к минимуму возможность износа и поломок.
• Низкой стоимостью. Они доступны (не зря 90% от всех выпускающихся в мире двигателей именно асинхронные).
• Простотой эксплуатации. Для того чтобы использовать их, не обязательно иметь специальные знания и навыки.
• Универсальностью. Их можно установить практически на любое оборудование.

Изобретение асинхронного электродвигателя было значимым вкладом в развитие науки, промышленности и сельского хозяйства. С ним наша жизнь стала более комфортной.

устройство, принцип работы, типы, управление

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

1. Двух обмоток с сердечниками, соединенных последовательно. Данная конструкция расположена на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
2. Двух постоянных магнитов, повёрнутых разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу неподвижного статора.
3. Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу ДПТ.
4. Двух неподвижных контактных элементов (щёток), предназначенных для передачи электротока через коллектор до обмоток возбуждения.

Рисунок 1. Схематическое изображение простейшего электродвигателя постоянного тока.

Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

• с независимым возбуждением обмоток;
• соединение параллельно обмоткам якоря;
• варианты с последовательным возбуждением катушек ротора и статора;
• смешанное подсоединение.

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.

В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.

Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.

Рисунок 3. Ротор с тремя обмоткамиРисунок 4. Якорь со многими обмотками

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.

Принцип работы

Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Управление

Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

Области применения

Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:

• бытовые и промышленные электроинструменты;
• автомобилестроение – стеклоподъёмники, вентиляторы и другая автоматика;
• трамваи, троллейбусы, электрокары, подъёмные краны и другие механизмы, для которых важны высокие параметры тяговых характеристик.

Преимущества и недостатки

К достоинствам относится:

• Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;
• Легко регулируемая частота вращения;
• хорошие пусковые характеристики;
• компактные размеры.

У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.

Недостатки:

• ограниченный ресурс коллектора и щёток;
• дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
• ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
• дороговизна в изготовлении якорей.

По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

Видео в дополнение к написанному

устройство, принцип работы, виды, способы пуска

Способы пуска и схемы подключения

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором обладает низкой себестоимостью, большими пусковыми токами и низким усилием на старте. Поэтому для различных целей могут применять различные способы пуска, снижающие бросок тока в обмотках и улучшающие рабочие характеристики:

• прямой – напряжение на электродвигатель подается через пускатели или контакторы;
• переключение схемы соединения обмоток электродвигателя со звезды на треугольник;
• понижение напряжения;
• плавный пуск;
•  изменение частоты питающего напряжения.

Однофазного асинхронного двигателя.

Для асинхронного однофазного электродвигателя могут использоваться три основных способа пуска:

• С расщеплением полюсов – используется в электродвигателях особой конструкции, но недостатком методы является постоянная потеря мощности.

• С конденсаторным пуском – вводит пусковой конденсатор в момент запуска асинхронного двигателя и убирает его со схемы через несколько секунд после начала работы. Обладает максимальным вращательным моментом.
• С резисторным пуском электродвигателя – обеспечивает начальный сдвиг между векторами ЭДС обмоток для скольжения в асинхронной машине.

Трехфазного асинхронного двигателя.

Трехфазные асинхронные агрегаты могут подключаться такими способами:

• Напрямую в цепь через пускатель или контактор, что обеспечивает простоту процесса, но формирует максимальные токи. Этот способ не подходит в случае больших механических нагрузок на вал.
• Переключением схемы со звезды на треугольник – применяется для снижения токов в обмотках электродвигателя за счет уменьшения питающего напряжения с линейного на фазное.
• Путем подключения через преобразователь напряжения, реостаты или автотрансформатор для снижения разности потенциалов. Также используется изменение числа пар полюсов, частоты питающего напряжения и прочие.

Помимо этого трехфазные асинхронные двигатели могут использовать прямую и реверсивную схему включения в цепь. Первый вариант применяется только для вращения вала электродвигателя в одном направлении. В реверсивной схеме можно переключать движение рабочего органа в прямом и обратном направлении.

Рис. 9: прямая схема без возможности реверсирования

Рассмотрим нереверсивную схему пуска асинхронного электродвигателя (рисунок 9). Здесь, через трехполюсный автомат QF1 питание подается на пускатель KM1. При нажатии кнопки SB2 произойдет подача напряжения на обмотки электродвигателя, его остановка осуществляется кнопкой SB1. Тепловое реле KK1 применяется для контроля температуры нагрева, а лампочка HL1 сигнализирует о включенном состоянии контактора.

Рисунок 10: схема прямого включения с реверсом

Реверсивная схема (смотрите рисунок 10) устроена аналогичным образом, но в ней используются два пускателя KM1 и KM2. Прямое включение асинхронного электродвигателя производиться кнопкой SB2, а обратное SB3.

Почему бесщеточные электродвигатели набирают популярность?

Все больше самых различных моделей электроинструментов применяют на себе бесщеточные электродвигатели. Дело доходит даже до отбойных молотков

Прогресс не стоит на месте, то и дело внедряются новые разработки, благодаря которым техника становится лучше и совершеннее. Так, на смену классических электрических двигателей постепенно приходят бесщеточные (вентильные). Стоит подробнее рассказать о том, по какому принципу они работают, чем отличаются от обычных и в чем их превосходят.

Принцип работы бесщеточного двигателя

В бесщеточном двигателе щеточно-коллекторный узел заменен полупроводниковым коммутатором. Он работает за счет электрических приводов, которые создают магнитное вращающееся поле. Это конструкция нового типа, в которой обмотки на статоре или элементах ротора нет. Разработка такого двигателя – результат использования материалов с большой коэрцитивной силой и уровнем магнитного насыщения, позволяющим получить сильное магнитное поле.

Отсутствие обмотки ротора и механических коммутационных элементов – те технические решения, которые позволяют создавать надежные двигатели по доступной цене. Эти решения существенно упрощают сам процесс их изготовления.

Бесщеточный двигатель может работать как на переменном, так и на непрерывном токе. В случае с непрерывным током он похож на коллекторный двигатель, но у последнего более сложная конструкция, так как основа непременно содержит электронный коммутатор.

Характерные особенности и преимущества бесщеточных двигателей

Бесщеточный двигатель имеет функционал щеточного, но превосходит его по ряду параметров. Единственным его недостатком можно назвать то, что по стоимости он пока превосходит аналоги с классическим мотором, но этот момент в полной мере компенсируется большим перечнем достоинств устройства. Основные преимущества механизма:

• эффективность;
• при намагничивании нет изменений, как и при утечке тока;
• энергонасыщенность;
• скорость вращения и вращающий момент полностью соответствуют;
• большой диапазон смены частоты вращения;
• скорость не зависит от центробежной силы;
• нет узлов, которые нужно часто обслуживать;
• в конструкции применяются легкие и небольшие магниты;
• не нужны коммутатор и обмотка возбуждения.

Сферы применения бесщеточных двигателей

Вентильные двигатели постоянного тока, как правило, применяются для оборудования с мощностью не выше 5 кВт. Для оборудования мощнее использовать такие двигатели нецелесообразно. Постоянные магниты в бесщеточных моторах очень чувствительны к воздействию мощных полей и высоких температур, что нехарактерно для щеточных и индукционных аналогов.

Бесщеточные двигатели надежны и хорошо управляемы, поэтому они используются повсеместно, как для мелких механизмов, так и для крупных. Они применяются в автомобильных приводах, электрических мотоциклах, компьютерах, электроинструменте, бытовой технике. Двигатели очень востребованы в промышленности, авиационной технике. Благодаря отсутствию коллекторного узла такие двигатели можно использовать даже в опасных условиях, местах с повышенным уровнем влажности.

Metabo выходит на новый уровень, внедряя бесщеточные двигатели в свою технику

Компания Metabo летом 2019 года презентовала широкой аудитории инновационную для отечественного рынка серию отбойных молотков и сетевых перфораторов SDS-Max. Устройства этой линейки оснащены бесщеточными двигателями, что выгодно отличает их от большинства аналогов. В сетевом инструменте такие двигатели пока применяются не слишком часто, особенно если инструмент очень мощный.

Сетевые инструменты с бесщеточными двигателями обладают всеми теми же преимуществами, что и аккумуляторные инструменты. Ключевые достоинства:

1. Бесколлекторная схема повышает КПД мотора. Если сравнить бесщеточный перфоратор Metabo с обыкновенным, то при равном потреблении сетевой мощности оборудование Metabo будет меньше греться и выполнит больше функций.
2. Высокая надежность. Инструмент с вентильным двигателем имеет более длительный срок эксплуатации, чем обычный, и не нуждается в частом обслуживании. В нем не нужно будет менять щетки, поэтому расходы на ремонт и обслуживания будут существенно снижены. По технике с высоким уровнем вибрации, как отбойные молотки и перфораторы, преимущество отсутствия щеток в двигателе особенно заметно. Из-за колебаний, однозначно возникающих при долблении и бурении, срок службы щеток в разы сокращается. Бесщеточным перфораторам и отбойным молоткам Metabo это не грозит.
3. Частоту вращения мотора легко регулировать и поддерживать на необходимом уровне, даже при увеличении нагрузки, перепадах напряжения, ухудшении формы напряжения. Бесщеточные перфораторы и отбойные молотки Metabo будут высокопроизводительны даже при эксплуатации в сложных условиях.

Бесщеточные двигатели обладают массой преимуществ, потому сфера их применения необычайно широка, они используются даже в космической промышленности и ракетостроении. Работающие на таких моторах механизмы с каждым днем становятся популярнее в самых разных сферах.

Как работает электродвигатель?

Почти неизбежно вы придете к моменту в своей жизни, когда столкнетесь с несчастным маленьким ребенком и движущейся игрушкой, которая больше не двигается. Вы можете разобрать игрушку, полагаясь на свою удобство, чтобы спасти положение, но, оставшись с кучей компонентов, вы вполне можете задаться вопросом, как эти витки яркой проволоки создают движение. Помимо сломанных игрушек, электродвигатели используются во многих устройствах, которые заставляют наше современное общество двигаться, от автомобилей до часов и охлаждающих вентиляторов в вашем компьютере.

Детали электродвигателя

Электродвигатель создает вращательное или круговое движение. Центральная часть двигателя — это цилиндр, называемый якорем или ротором. Якорь удерживает остальные компоненты, а также является частью двигателя, которая вращается. Вокруг якоря находится статор, в котором находятся изолированные катушки с проволокой, обычно медной. Когда к двигателю подается ток, статор создает магнитное поле, которое приводит в движение якорь. В зависимости от конструкции двигателя вы также можете найти щетки или тонкие металлические волокна, которые удерживают ток на противоположной стороне двигателя во время его вращения.

Как заставить работать

Вы могли заметить, что когда у вас есть два магнита, противоположные полюса притягиваются, а подобные полюса отталкиваются. Электродвигатель использует этот принцип для создания крутящего момента или силы вращения. Не электрический ток сам по себе, а создаваемое им магнитное поле создает силу, когда электродвигатель находится в движении. Электричество, движущееся по проводу, создает круговое магнитное поле, в котором провод является источником и центром вращения. Когда вы добавляете ток, статор и якорь образуют стабильное магнитное поле и электромагнит, который толкается или вращается в этом поле соответственно.

Различные типы электродвигателей

Базовый двигатель работает от постоянного или постоянного тока, но другие двигатели могут работать от переменного или переменного тока. Батареи вырабатывают постоянный ток, а розетки в вашем доме — переменные. Для того, чтобы двигатель работал от переменного тока, ему требуются два намотанных магнита, которые не соприкасаются. Они приводят в движение двигатель посредством явления, известного как индукция. Эти асинхронные двигатели являются бесщеточными, поскольку не требуют физического контакта, обеспечиваемого щеткой.Некоторые двигатели постоянного тока также являются бесщеточными и вместо этого используют переключатель, который изменяет полярность магнитного поля, чтобы двигатель работал. Универсальные двигатели — это асинхронные двигатели, которые могут использовать любой источник энергии.

Создание простого электродвигателя

Теперь, когда у вас есть основные части и принципы, вы можете поиграть с концепцией дома. Сделайте катушку из медной проволоки более низкого сечения и проденьте каждый конец в алюминиевую банку, чтобы подвесить ее. Поместите небольшой сильный магнит с обеих сторон подвешенной катушки, чтобы создать магнитное поле.Если вы прикрепите батарею к обеим банкам с помощью зажимов из крокодиловой кожи, ваша катушка станет электромагнитом, а созданный вами ротор из медной проволоки должен начать вращаться.

Как работают электродвигатели — инженерное мышление

Узнайте, как работает электродвигатель, основные части, почему и где они используются вместе с рабочими примерами.

Прокрутите вниз, чтобы просмотреть обучающее видео на YouTube.

Электродвигатель

Это электродвигатель. Это одно из самых важных устройств, когда-либо изобретенных.Эти двигатели используются везде, от перекачки воды, которую мы пьем, до питания лифтов и кранов, даже для охлаждения атомных электростанций. Итак, мы собираемся заглянуть внутрь одного и подробно узнать, как именно они работают, в этой статье.

Электрический индукционный двигатель

Асинхронный двигатель будет выглядеть примерно так. Они превращают электрическую энергию в механическую, которую мы можем использовать для привода насосов, вентиляторов, компрессоров, шестерен, шкивов и т. Д. Почти все детали находятся внутри основного корпуса.Спереди мы находим вал, это часть, которая вращается, и мы можем подключать к нему такие вещи, как насосы, шестерни и шкивы, чтобы они работали за нас. Сзади мы находим вентилятор и защитную крышку, вентилятор соединен с валом, поэтому он вращается при каждом включении двигателя. Асинхронный двигатель во время работы может выделять много тепла, поэтому вентилятор обдувает корпус окружающим воздухом для его охлаждения. Если асинхронный двигатель становится слишком горячим, изоляция внутренних электрических катушек расплавляется, вызывая короткое замыкание, и двигатель разрушается.Ребра на боковой стороне корпуса помогают увеличить площадь поверхности, что позволяет нам отводить больше нежелательного тепла.

Вал поддерживается подшипниками, которые находятся внутри переднего и заднего щитов. Подшипники помогают валу плавно вращаться и удерживают его на месте.

Front Shield

Внутри корпуса находим статор. Статор неподвижен и не вращается. Он состоит из ряда медных проводов, которые свернуты в катушки между прорезями, расположенными по внутреннему периметру.Медный провод покрыт специальной эмалью, которая электрически изолирует провода друг от друга, это означает, что электричество должно протекать через всю катушку, иначе это будет кратчайший путь — и мы увидим, почему это важно, немного позже. эта статья. Это трехфазный асинхронный двигатель, поэтому у нас есть три отдельных набора катушек в статоре. Концы каждого набора будут подключаться к клеммам в электрической клеммной коробке. Мы увидим, как они связаны, чуть позже в этой статье.При подключении к электросети статор создает вращающееся электромагнитное поле.

Статор

К валу подсоединен ротор. В данном случае это ротор типа «беличья клетка». Она называется беличьей клеткой, потому что у нее есть два концевых кольца, которые соединены несколькими стержнями и вращаются вместе. Эта конструкция похожа на небольшую клетку или колесо для упражнений, используемое домашним хомяком или даже белкой.

Беличья клетка

Беличья клетка оснащена несколькими ламинированными стальными листами.Эти листы помогут сконцентрировать магнитное поле на стержнях. Листы используются вместо цельного куска металла, поскольку это повышает эффективность за счет уменьшения величины вихревых токов в роторе.

Когда ротор помещается внутри статора и статор подключен к источнику электропитания, ротор начинает вращаться. Итак, как это возможно?

Как работают асинхронные двигатели

Когда электричество проходит через провод, вокруг него создается электромагнитное поле.Мы можем увидеть это, поместив несколько компасов вокруг провода, компасы будут вращаться, чтобы выровняться с этим магнитным полем. Если направление тока меняется на противоположное, магнитное поле также меняется на противоположное, поэтому компасы меняют направление.

Магнитное поле провода тянет и толкает шкалы компаса. Точно так же, как если бы мы сдвинули два стержневых магнита друг к другу. Их либо привлекут, либо оттолкнут. Мы даже можем использовать один магнит для вращения другого магнита. Или мы можем вращать магнит, изменяя напряженность магнитного поля вокруг него.

Если мы поместим провод в магнитное поле и пропустим через него ток, магнитное поле провода будет взаимодействовать с постоянными магнитами, магнитное поле и на провод будет действовать сила. Эта сила будет перемещать провод вверх или вниз, в зависимости от направления тока и полярности магнитных полей.

Проволока в магнитном поле

Если мы намотаем провод на катушку, электромагнитное поле станет сильнее, катушка создаст северный и южный полюсы, как постоянный магнит.Мы называем эти катушки индуктивности. Когда мы пропускаем через провод переменный ток, электроны будут постоянно менять направление между течением вперед и назад. Таким образом, магнитное поле также будет расширяться и сжиматься, и каждый раз полярность меняется на противоположную. Когда мы помещаем другую, отдельную катушку в непосредственной близости и замыкаем цепь, электромагнитное поле индуцирует ток во второй катушке.

Мы можем соединить две катушки вместе и разместить их друг напротив друга, чтобы создать большее магнитное поле.Если мы поместим замкнутый контур провода внутрь этого большого магнитного поля, мы вызовем ток в контуре. Как мы знаем, когда мы пропускаем ток через провод, он генерирует магнитное поле, и мы также знаем, что магнитные поля будут толкать или притягивать друг друга. Таким образом, эта проволочная петля также будет генерировать магнитное поле, которое будет взаимодействовать с большим магнитным полем. Каждая сторона катушки будет испытывать противодействующие силы, заставляя ее вращаться. Таким образом, этот контур является нашим ротором, а катушки — статором.

Замкнутый контур провода внутри магнитного поля

Ротор будет вращаться только до тех пор, пока он не выровняется с катушками статора, но затем он застрянет, когда наведенный ток будет реверсировать с катушкой. Чтобы преодолеть это, нам нужно ввести еще один набор катушек в статоре, и мы должны подключить их к другой фазе. Электроны текут в этой фазе в немного другое время, поэтому электромагнитное поле также изменится по силе и полярности в немного другое время. Это заставит ротор вращаться.

Внутри асинхронного двигателя есть 3 отдельные катушки, которые используются для создания вращательного электромагнитного поля. Когда мы пропускаем переменный ток через каждую катушку, катушки будут создавать электромагнитное поле, которое изменяется по интенсивности, а также полярности по мере изменения направления электронов, но, если бы мы подключили каждую катушку к другой фазе, тогда электроны в каждой катушка изменит направление в другое время. Это означает, что полярность и напряженность магнитного поля также будут иметь разное время.

Фаза 1, 2, 3

Чтобы распределить это магнитное поле, нам нужно повернуть наборы катушек на 120 градусов относительно предыдущей фазы, а затем объединить их в статор. Магнитное поле различается по силе и полярности между катушками, которые в совокупности создают эффект вращающегося магнитного поля.

Ранее в этой статье мы видели, что ток может быть наведен во вторую катушку, когда она находится в непосредственной близости. Стержни беличьей клетки закорочены на каждом конце, что, таким образом, создает несколько петель или катушек, поэтому каждая полоса индуцирует ток и создает магнитное поле.

Магнитное поле стержней ротора взаимодействует с магнитным полем статора. Магнитное поле стержней ротора притягивается к магнитному полю статора. Поскольку магнитное поле вращается, ротор также будет вращаться в том же направлении, что и магнитное поле, чтобы попытаться выровняться с ним, но он никогда не сможет полностью догнать его.

Стержни ротора часто перекошены. Это помогает распределить магнитное поле по нескольким стержням и препятствует выравниванию и заклиниванию двигателя.

Электрические соединения

Статор содержит все катушки или обмотки, используемые для создания вращающегося электромагнитного поля, когда электричество проходит по проводам. Для питания катушек мы находим электрическую клеммную коробку сверху, а иногда и сбоку.

Внутри коробки находится 6 электрических клемм. У каждого терминала есть соответствующая буква и номер, у нас есть U1, V1 и W1, затем W2, U2 и V2. У нас есть катушка фазы 1, подключенная к двум клеммам U, затем катушки фазы 2, подключенные к двум клеммам V, и, наконец, катушка фазы 3, подключенная к двум клеммам W.Обратите внимание, что электрические клеммы расположены в разной конфигурации с одной стороны от другой. Через мгновение мы поймем, почему это так.

Электрическая клеммная коробка

Теперь мы вводим трехфазный источник питания и подключаем его к соответствующим клеммам. Чтобы двигатель заработал, нам нужно замкнуть цепь, и есть два способа сделать это. Первый способ — это дельта-конфигурация. Для этого мы подключаем клеммы от U1 к W2, V1 к U2 и W1 к V2. Это даст нам нашу дельта-конфигурацию.

Конфигурация «Дельта»

Теперь, когда мы подаем переменный ток через фазы, мы видим, что электричество перетекает из одной фазы в другую, поскольку направление переменного тока меняется на противоположное в каждой фазе в разное время. Вот почему у нас есть клеммы в клеммной коробке в разном расположении, потому что мы можем легко подключиться и позволить электричеству течь между фазами, поскольку электроны меняют направление в разное время.

Другой способ подключения клемм — использование конфигурации «звезда» или «звезда».В этом методе мы соединяем W2, U2 и V2 только с одной стороны. Это даст нам соединение, эквивалентное звезде или звезде. Теперь, когда мы пропускаем электричество через фазы, мы видим, что электроны распределяются между выводами фаз.

Конфигурация «звезда»

Из-за различий в конструкции величина тока, протекающего в конфигурации «звезда» и «треугольник», различается, и мы увидим некоторые расчеты для них ближе к концу статьи.

Расчет дельты звезды (звезды)

Давайте посмотрим на разницу между конфигурациями звезды и треугольника.

Допустим, у нас есть двигатель, подключенный по схеме треугольник, с напряжением питания 400 Вольт. Это означает, что когда мы используем мультиметр для измерения напряжения между любыми двумя фазами, мы получим показание 400 Вольт, мы называем это линейным напряжением.

Теперь, если мы измеряем на двух концах катушки, мы снова видим межфазное напряжение 400 Вольт. Допустим, каждая катушка имеет сопротивление или импеданс, поскольку это переменный ток, 20 Ом. Это означает, что мы получим ток на катушке 20 ампер.Мы можем рассчитать это из 400 Вольт, разделенных на 20 Ом, что составляет 20 ампер. Но, ток в линии будет другой, он будет 34,6А. Мы получаем это из 20 ампер, умноженных на квадратный корень из 3, что составляет 34,6 ампер, потому что каждая фаза подключена к двум катушкам.

Соединение треугольником

Теперь, если мы посмотрим на конфигурацию звезды или звезды, у нас снова будет линейное напряжение 400 В. Мы увидим это, если измерим между любыми двумя фазами. Но в звездообразной конфигурации все наши катушки соединены вместе и встречаются в точке звезды или нейтральной точке.Отсюда мы можем проложить нейтральный провод, если нам нужно. Итак, на этот раз, когда мы измеряем напряжение на концах любой катушки, мы получаем более низкое значение 230 В, это потому, что фаза не подключена напрямую к двум катушкам, как в конфигурации треугольника, один конец катушки подключен к одна фаза, а другая подключена к общей точке, поэтому напряжение распределяется. Напряжение меньше, так как одна фаза всегда перевернута. Мы можем рассчитать это, разделив 400 вольт на квадратный корень из 3, что составляет 230 вольт.Чем меньше напряжение, тем больше будет и ток. Если эта катушка также имеет импеданс 20 Ом, тогда 230 В, разделенное на 20 А = 11,5 А. Таким образом, линейный ток будет таким же — 11,5 А.

Соединение звездой

Таким образом, мы можем видеть из конфигурации «треугольник», что на катушку подается полное напряжение 400 В между двумя фазами, но в стартовой конфигурации действует только 230 В между фазой и нейтралью. Таким образом, звезда использует меньшее напряжение и меньший ток по сравнению с версией треугольника.

---

Электродвигатели

Что внутри электродвигателя?

Катушка ротора

Катушка сделана из медной проволоки, потому что медь — отличный проводник.Он наматывается на арматуру. Катушка становится электромагнитом, когда через нее протекает ток.

Арматура

Якорь поддерживает катушку и может помочь сделать электромагнит сильнее. Это делает мотор более эффективным.

Постоянные магниты

Есть два постоянных магнита. Они создают постоянное магнитное поле, так что катушка будет вращаться, когда в ней протекает ток.

Некоторые двигатели имеют электромагниты вместо постоянных магнитов (Рисунок 9).Они сделаны из большего количества катушек медной проволоки.

Коммутатор

Каждый конец катушки подключен к одной из двух половин коммутатора. Коммутатор меняет местами контакты каждые пол-оборота. Ротор на Рисунке 8 имеет две катушки, поэтому для него необходимы четыре сегмента коммутатора.

Щетки

Щетки давят на коммутатор. Они поддерживают контакт с коммутатором, даже если он вращается. Ток течет в двигатель и выходит через щетки.В реальных двигателях щетки сделаны из угля.

S тележка

Каркас из магнитного материала связывает два постоянных магнита и, по сути, превращает их в один подковообразный магнит.

Рисунок 6: Детали модели двигателя постоянного тока. Двигатели постоянного тока с питанием от низковольтных батарей приводят в движение моторизованные игрушки. Их легко разобрать. Вы можете обнаружить, что они используют несколько катушек и имеют соответствующий многосегментный коммутатор.

Рисунок 7 — Простой двухполюсный двигатель постоянного тока (один N и один S).

Почему он поворачивается?

На странице, посвященной электромагнитам, показано, как катушка с проволокой становится магнитом, когда через нее протекает электрический ток. Катушка двигателя, намотанная на якорь, становится электромагнитом, но электромагнит находится внутри второго постоянного магнитного поля. Эти поля взаимодействуют как два стержневых магнита. Результатом является притяжение или отталкивание, в зависимости от текущего направления.Ток течет в одном направлении справа от катушки и в противоположном направлении слева.

Сила, действующая на провод, направлена ​​под прямым углом к ​​магнитному полю, а также под прямым углом к ​​току. Это называется моторным эффектом. Правило Флеминга использует ваши пальцы, расположенные под прямым углом друг к другу, чтобы предсказать силу, действующую на провод в магнитном поле. Для моторов вы используете левую руку.

См. Рис. 7. Когда ток включен, он течет в направлении зеленой стрелки и вызывает восходящую силу.Попытайтесь совместить схему левой рукой. Поскольку он течет обратно вниз с другой стороны в противоположном направлении, он вызывает силу, направленную вниз. Двигайте рукой, чтобы соответствовать этому направлению. Силы объединяются, чтобы вращать катушку.

Это может работать только на пол-оборота. Разъем с разрезным кольцом, называемый коммутатором, меняет местами соединения, чтобы можно было начать следующую половину оборота. Это происходит на каждые пол-оборота, поэтому двигатель вращается. Электрический ток через щетки подается в катушку.

Так работает электродвигатель постоянного тока.Электродвигатели переменного тока более сложны, но по-прежнему действует правило Флеминга.

Электродвигатели — Как работают электродвигатели? — Высшее — OCR 21C — Объединенная научная версия GCSE — OCR 21st Century

Объяснение электродвигателя

На схеме показан простой двигатель, работающий на постоянном токе (dc).

Правило левой руки Флеминга может быть использовано для объяснения того, почему катушка поворачивается

Начиная с позиции, показанной на схеме двигателя постоянного тока:

• ток в левой части катушки вызывает силу, направленную вниз, и ток в правая часть катушки создает восходящую силу
• 0.0.0.1:0.1.0.$0.$2.$4.$1″> катушка вращается против часовой стрелки из-за сил, описанных выше

Когда катушка вертикальна, она движется параллельно магнитному полю, не создавая силы.Это приведет к остановке двигателя, но две особенности позволяют катушке продолжать вращаться:

• импульс двигателя заставляет его немного продолжать вращаться
• коммутатор с разъемным кольцом меняет направление тока каждый раз. полувиток

Это означает, что ток в левой части катушки по-прежнему вызывает силу, направленную вниз, а ток в правой части катушки по-прежнему вызывает силу, направленную вверх.

Это означает, что силы воздействия двигателя продолжают вызывать вращение катушки против часовой стрелки.

Электродвигатели влияют практически на все аспекты повседневной жизни. Их можно найти в домах, школах и даже в автомобилях.

Каков принцип электродвигателя?

Все мы слышали об электродвигателях, но всегда возникал вопрос: «Каков принцип электродвигателя»? Электродвигатель — это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. В основном существует три типа электродвигателей.

1. Двигатель постоянного тока.
2. Асинхронный двигатель.
3. Синхронный двигатель.

Все эти двигатели работают по более или менее одинаковому принципу. Работа электродвигателя в основном зависит от взаимодействия магнитного поля с током.

Принцип действия электродвигателя: движение электродвигателя за счет электромагнетизма

Основная идея электродвигателя действительно проста: вы помещаете в него электричество на одном конце, а ось (металлический стержень) вращается на другом конце, давая вам возможность управлять какой-либо машиной.Как это работает на практике? Как именно преобразовать электричество в движение? Чтобы найти ответ на этот вопрос, нам нужно вернуться почти на 200 лет назад.

Предположим, вы берете кусок обычного провода, делаете из него большую петлю и прокладываете его между полюсами мощного постоянного подковообразного магнита. Теперь, если вы подключите два конца провода к батарее, провод ненадолго подпрыгнет. Удивительно, когда видишь это впервые. Это похоже на волшебство! Но есть научное объяснение.

Когда электрический ток начинает течь по проводу, он создает вокруг него магнитное поле. Если вы поместите провод рядом с постоянным магнитом, это временное магнитное поле будет взаимодействовать с полем постоянного магнита. Вы знаете, что два расположенных рядом магнита либо притягиваются, либо отталкиваются. Точно так же временный магнетизм вокруг провода притягивает или отталкивает постоянный магнетизм от магнита, и это то, что заставляет провод подпрыгивать.

Принцип действия электродвигателя: правило левой руки Флеминга

Вы можете определить направление, в котором будет прыгать провод, используя удобную мнемонику (вспомогательную память), называемую правилом левой руки Флеминга (иногда называемым правилом двигателя).

Вытяните большой, указательный и второй пальцы левой руки так, чтобы все три были под прямым углом. Если вы укажете пальцем C ond в направлении тока C (который течет от положительного к отрицательному полюсу батареи), а первый палец F — в направлении F ield (который течет от северного полюса магнита к южному), ваш thu M b покажет направление, в котором движется провод M .

Это…

• F Первый палец = F ield
• Se C Прямой палец = C Текущая
• Чт M b = M otion

Принцип работы электродвигателя: Принцип работы электродвигателя

Теоретически предположим, что мы сгибаем наш провод в квадратную U-образную петлю, так что фактически через магнитное поле проходят два параллельных провода. Один из них отводит от нас электрический ток по проводу, а другой возвращает ток обратно.Поскольку ток течет в проводах в противоположных направлениях, правило левой руки Флеминга говорит нам, что два провода будут двигаться в противоположных направлениях. Другими словами, когда мы включаем электричество, один из проводов будет двигаться вверх, а другой — вниз.

Если бы катушка с проволокой могла продолжать двигаться вот так, она бы вращалась непрерывно — и мы были бы на пути к созданию электродвигателя. Но этого не может произойти с нашей нынешней настройкой: провода быстро запутаются.Более того, если бы катушка могла вращаться достаточно далеко, произошло бы кое-что еще.

Когда катушка достигает вертикального положения, она переворачивается, поэтому электрический ток течет через нее в противоположном направлении. Теперь силы на каждой стороне катушки меняются местами. Вместо того, чтобы постоянно вращаться в одном и том же направлении, он движется назад в том направлении, откуда только что пришел! Представьте себе электропоезд с таким двигателем: он продолжает двигаться вперед и назад на месте, фактически никуда не уезжая.

На практике есть два способа решить эту проблему. Один из них — использовать электрический ток, который периодически меняет направление, известный как переменный ток (AC). В небольших двигателях с батарейным питанием, которые мы используем дома, лучшим решением является добавление компонента, называемого коммутатором, на концах катушки.

Не беспокойтесь о бессмысленном техническом названии: это немного старомодное слово «коммутация» немного похоже на слово «коммутируют». Это просто означает движение вперед и назад так же, как поездка на работу означает перемещение туда и обратно.В своей простейшей форме коммутатор представляет собой металлическое кольцо, разделенное на две отдельные половины, и его задача — реверсировать электрический ток в катушке каждый раз, когда катушка вращается на пол-оборота. Один конец катушки прикреплен к каждой половине коммутатора.

Электрический ток от аккумуляторной батареи подключается к электрическим клеммам двигателя. Они подают электроэнергию в коммутатор через пару незакрепленных соединителей, называемых щетками, сделанных либо из кусочков графита (мягкий углерод, похожий на «грифель» карандаша), либо из тонких кусков упругого металла, который (как следует из названия) «задевает» коммутатор.Когда коммутатор установлен, при прохождении электричества по цепи катушка будет постоянно вращаться в одном и том же направлении.

Такой простой экспериментальный двигатель, как этот, не способен развивать большую мощность. Мы можем увеличить вращающую силу (или крутящий момент), которую может создать двигатель, тремя способами: либо у нас может быть более мощный постоянный магнит, либо мы можем увеличить электрический ток, текущий через провод, либо мы можем сделать катушку так, чтобы она много «витков» (петель) очень тонкой проволоки вместо одного «витка» толстой проволоки.

На практике двигатель также имеет постоянный магнит, изогнутый в форме круга, так что он почти касается катушки с проволокой, которая вращается внутри него. Чем ближе друг к другу магнит и катушка, тем большую силу может создать двигатель.

Хотя мы описали несколько различных частей, вы можете представить двигатель как имеющий всего два основных компонента:

• По краю корпуса двигателя находится постоянный магнит (или магниты), который остается статичным, поэтому его называют статором двигателя.
• Внутри статора находится катушка, установленная на оси, которая вращается с высокой скоростью, и это называется ротором. Ротор также включает в себя коммутатор.

Вы можете посмотреть здесь, чтобы получить более наглядное представление о принципе работы электродвигателей.

Подробнее о Linquip

Простое руководство по эффективности двигателя: что это такое и что делать

Принцип работы электродвигателя: Работа двигателей постоянного тока

Принцип работы двигателя постоянного тока в основном зависит от правила левой руки Флеминга.В базовом двигателе постоянного тока между магнитными полюсами размещен якорь. Если обмотка якоря питается от внешнего источника постоянного тока, ток начинает течь по проводникам якоря. Поскольку проводники проводят ток внутри магнитного поля, они испытывают силу, которая стремится вращать якорь.

Предположим, что проводники якоря под N полюсами полевого магнита проводят ток вниз (крестики), а проводники под S полюсами проводят ток вверх (точки).Применяя правило левой руки Флеминга, можно определить направление силы F, испытываемой проводником под N полюсами, и силу, испытываемую проводниками под S-полюсами. Обнаружено, что в любой момент силы, действующие на проводники, имеют такое направление, что они стремятся вращать якорь.

Опять же, из-за этого вращения проводники под N-полюсами попадают под S-полюс, а проводники под S-полюсами — под N-полюс. В то время как проводники идут от N-полюса к S-полюсу и S-полюса к N-полюсу, направление тока через них меняется на противоположное с помощью коммутатора.

Из-за этого реверсирования тока все проводники проходят под N-полюсами, переносят ток в нисходящем направлении, а все проводники, проходящие под S-полюсами, переносят ток в восходящем направлении, как показано на рисунке. Следовательно, каждый проводник находится под N-полюсом, испытывающим силу в одном и том же направлении, и то же самое верно для проводников, проходящих под S-полюсами. Это явление помогает развивать постоянный и однонаправленный крутящий момент.

Принцип работы электродвигателя: работа асинхронных двигателей

Работа электродвигателя в случае асинхронного двигателя немного отличается от электродвигателя постоянного тока.В однофазном асинхронном двигателе, когда на обмотку статора подается однофазное питание, создается пульсирующее магнитное поле, а в трехфазном асинхронном двигателе, когда трехфазное питание подается на трехфазную обмотку статора, возникает вращающееся магнитное поле. производится.

Ротор асинхронного двигателя может быть с обмоткой или с короткозамкнутым ротором. Каким бы ни был тип ротора, проводники на нем закорочены на концах, образуя замкнутый контур. Из-за вращающегося магнитного поля поток проходит через воздушный зазор между ротором и статором, проходит мимо поверхности ротора и, таким образом, разрезает проводник ротора.

Следовательно, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в проводниках замкнутого ротора будет циркулировать индуцированный ток. Величина наведенного тока пропорциональна скорости изменения магнитной связи во времени. Опять же, эта скорость изменения магнитной связи пропорциональна относительной скорости между ротором и вращающимся магнитным полем. Согласно закону Ленца, ротор будет пытаться уменьшить все причины возникновения в нем тока. Следовательно, ротор вращается и пытается достичь скорости вращающегося магнитного поля, чтобы уменьшить относительную скорость между ротором и вращающимся магнитным полем.

Принцип работы электродвигателя: работа синхронных двигателей

В синхронном двигателе, когда на неподвижную трехфазную обмотку статора подается сбалансированное трехфазное питание, создается вращающееся магнитное поле, которое вращается с синхронной скоростью. Теперь, если внутри этого вращающегося магнитного поля поместить электромагнит, он будет магнитно заблокирован с вращающимся магнитным полем, и первый будет вращаться вместе с вращающимся магнитным полем с той же скоростью, что и с синхронной скоростью.

Как работает двигатель постоянного тока?

Теоретически одна и та же машина постоянного тока может использоваться в качестве двигателя или генератора. Следовательно, конструкция двигателя постоянного тока такая же, как и у генератора постоянного тока.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Электродвигатель — это электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Основной принцип работы двигателя постоянного тока : « всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу». Направление этой силы задается правилом левой руки Флеминга, а ее величина определяется как F = BIL. Где B = плотность магнитного потока, I = ток и L = длина проводника в магнитном поле.

Правило левой руки Флеминга : Если мы вытянем первый, второй и большой пальцы левой руки перпендикулярно друг другу, а направление магнитного поля будет представлено первым пальцем, направление тока будет представлено как второй палец, затем большой палец представляет направление силы, действующей на проводник с током.

Анимация: Работа двигателя постоянного тока (предоставлено Lookang)

Анимация, приведенная выше, помогает понять принцип работы двигателя постоянного тока . Когда обмотки якоря подключены к источнику постоянного тока, в обмотке возникает электрический ток. Магнитное поле может создаваться обмоткой возбуждения (электромагнетизм) или постоянными магнитами. В этом случае проводники якоря с током испытывают действие магнитного поля в соответствии с принципом, изложенным выше.

Коммутатор

выполнен сегментированным для достижения однонаправленного крутящего момента. В противном случае направление силы менялось бы каждый раз, когда направление движения проводника менялось на противоположное в магнитном поле. Так работает двигатель постоянного тока !

Задняя ЭДС

Согласно фундаментальным законам природы, преобразование энергии невозможно, пока не появится что-то, что препятствует преобразованию. В случае генераторов это противодействие обеспечивается магнитным сопротивлением, а у двигателей постоянного тока — противоэдс .

Когда якорь двигателя вращается, проводники также разрезают линии магнитного потока и, следовательно, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в проводниках якоря индуцируется ЭДС. Направление этой наведенной ЭДС таково, что она противодействует току якоря (I _a ). На схеме ниже показано направление обратной ЭДС и тока якоря. Величина обратной ЭДС может быть задана уравнением ЭДС генератора постоянного тока.

Значение обратной ЭДС:

Величина обратной ЭДС прямо пропорциональна скорости двигателя. Представьте, что нагрузка на двигатель постоянного тока внезапно снизилась. В этом случае требуемый крутящий момент будет мал по сравнению с текущим крутящим моментом. Скорость двигателя начнет увеличиваться из-за превышения крутящего момента. Следовательно, величина обратной ЭДС пропорциональна скорости. С увеличением обратной ЭДС ток якоря начнет уменьшаться. Поскольку крутящий момент пропорционален току якоря, он также будет уменьшаться, пока не станет достаточным для нагрузки.Таким образом, скорость мотора будет регулироваться.

С другой стороны, если двигатель постоянного тока внезапно нагружается, эта нагрузка вызовет снижение скорости. Из-за уменьшения скорости обратная ЭДС также уменьшится, что приведет к увеличению тока якоря. Повышенный ток якоря увеличит крутящий момент, чтобы удовлетворить требованиям нагрузки. Следовательно, наличие обратной ЭДС делает двигатель постоянного тока «саморегулирующимся» .

Типы двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока обычно классифицируются в зависимости от конфигурации возбуждения:

• С отдельным возбуждением (обмотка возбуждения питается от внешнего источника)
• с самовозбуждением —
• Последовательная обмотка (обмотка возбуждения включена последовательно с якорем)
• Шунтирующая обмотка (обмотка возбуждения включена параллельно якорю)
• Сложная рана —

См. Схему классификации машин постоянного тока здесь.

Как работает двигатель постоянного тока?

Двигатель постоянного тока (постоянного тока) — это электродвигатель, который подает питание на машины, поскольку он использует электрическую энергию для выполнения своей основной функции.

Появление этого двигателя в 1870-х годах проложило путь ко второй промышленной революции.

Основной принцип работы двигателя постоянного тока основан на том, как магниты реагируют друг на друга: как магнитные полюса отталкиваются, а в отличие от магнитных полюсов притягиваются. Когда вы посмотрите на двигатель постоянного тока, вы увидите катушку с проволокой (якорь) и подковообразный магнит (статор) как часть его основных компонентов.Каждый раз, когда через катушку проходит электрический ток, создается электромагнитное поле, которое выравнивается по центру катушки. Когда вы включаете или выключаете ток, магнитное поле также включается или выключается.

Изображение любезно предоставлено GSU.edu

Процесс начинается с подачи электрического тока от батареи или прямого источника. Ток течет от положительной клеммы и проходит через полукруглый коммутатор, прикрепленный к каждому концу катушки с проводом. Щетки на коммутаторе позволяют току проходить через петлю из медного провода между двумя магнитными полюсами.Щетки поддерживают путь тока — проходя вправо и обратно влево. Реверс электрического тока каждые пол-оборота поддерживает вращение провода в одном и том же направлении. Без этого коммутатора все, что вы когда-либо получите, — это поворот на 180 °. Когда направление тока меняется на противоположное, генерируемое магнитное поле заставляет катушку сделать еще один поворот на 180 ° в том же направлении, чтобы завершить полный оборот.

Каждый раз, когда протекает электрический ток, сила перемещает провод.На южном полюсе магнита создается направленная вверх сила, которая заставляет провод двигаться вверх. На северном полюсе магнита создается направленная вниз сила, которая заставляет провод двигаться вниз.