Принцип работы автомобильного генератора: Автомобильный генератор устройство и принцип работы

Содержание

Автомобильный генератор. Устройство и принцип работы генератора

Помощь проекту

Вам понравился наш сайт? Вы желаете помочь проекту или же хотите отблагодарить нас? Это сделать легко! Просто оставьте ссылку на понравившуюся вам статью на любом сайте, где вы часто общаетесь. Это может быть личная страница в соц. сетях, личный блог, городской или тематический форум. Мы будем вам благодарны за ваш вклад в развитие проекта.

Если сравнить по аналогии с человеческим организмом автомобиль то двигатель внутреннего сгорания станет сердцем, ну а роль нервной системы достанется генератору вкупе с бортовой проводкой. Будет ли двигаться автомобиль без генератора? Будет, но не долго, ровно до тех пор, пока не разрядится аккумуляторная батарея. Вот именно для зарядки аккумулятора и поддержания рабочего напряжения в бортовой сети и служит автомобильный генератор.

Устройство генератора автомобиля

Строение генератора автомобиля представляет собой совокупность отдельных элементов собранных в одном корпусе.

Корпус генератора является одновременно и основанием для статорной обмотки. Выполнен из легко сплавных металлов (чаще дюралюминий), и имеет «окна» для лучшего охлаждения во время работы. В задней и передней частях корпуса расположены подшипники для крепления на них ротора.
Статорная обмотка генератора выполнена из медного провода и уложена в пазах сердечника. Сердечник выполнен в виде круга и изготавливается из металла с улучшенными магнитными характеристиками (трансформаторное железо). Поскольку генератор автомобиля является трехфазным производителем энергии, поэтому статор имеет три обмотки, соединенные между собой треугольником. В местах соединения фазных обмоток к ним подключается выпрямительный мост. Провод для изготовления фазных обмоток имеет двойную термоустойчивую изоляцию, чаще всего применяется специальный лак.

Ротор представляет собой электромагнит и имеет одну обмотку. Обмотка располагается на валу ротора. Сверху обмотки ротора расположен сердечник из ферро магнитного материала. Диаметр сердечника на 1,5-2 мм меньше диаметра статора. Для подачи напряжения управления с реле-регулятора на обмотки ротора, применяются медные кольца, которые располагаются на валу и соединены с обмоткой ротора посредством графитовых щеток.
Реле-регулятор, выполняет функцию контроля и регулировки напряжения на выходе генератора. Выполнен в виде электронной схемы и имеющий выходы к щеткам. Реле-регулятор может устанавливаться как непосредственно в корпусе генератора, в этом случае регулятор выполняется в одном корпусе со щетками. Или отдельно от генератора, тогда щетки устанавливаются на щеткодержатель.

Выпрямительный мост имеет шесть диодов с прямым током более 40 Ампер. Диоды располагаются на токопроводящих основаниях (плюсовом и минусовом), попарно и соединены по схеме Ларионова. Соединение по этой схеме позволяет на выходе получить постоянное напряжение из трёхфазного переменного. В народе выпрямительный мост именуется «подковой», потому, что токопроводящие основания диодов для удобного расположения в корпусе, имеют вид подковы.

Принцип работы автомобильного генератора

В основу работы автомобильного генератора положен принцип порождения переменного электрического напряжения в обмотках статора под воздействием постоянного магнитного поля, которое образуется вокруг сердечника ротора.

Двигатель приводит в действие ротор генератора при помощи ременной передачи. На обмотку возбуждения (ротора) подается постоянное электрическое напряжение, достаточное для образования магнитного потока. При вращении сердечника вдоль обмоток статора, в последних наводится ЭДС. Сила магнитного потока регулируется реле-регулятором, увеличением или уменьшением подаваемого напряжения на щетки, и зависит от нагрузки, снимаемой с плюсовой клеммы генератора. Напряжение на выходе генератора колеблется в пределах 13,6 в летнее время и 14,2 в зимний период (для реле-регуляторов у которых имеется встроенный контроль температуры окружающего воздуха). Такого напряжения достаточно для дозаряда аккумулятора и поддержания его в заряженном состоянии.

Бортовая сеть так же питается от клеммы генератора автомобиля и включена параллельно аккумулятору.

Twitter

Схема генератора — принцип работы автомобильного генератора

Автомобильный генератор — это электрическая машина, которая преобразовывает механическую энергию в электрический ток.

Это устройство заряжает батареи автомобильного аккумулятора и питает электрическое оборудование при двигателе.

Чаще всего он располагается в передней части двигателя и приводится от коленного вала. Сейчас первое место в мире по выпуску этого устройства делят между собой фирмы Denso, Delphe и Bosch.

Имеются компактные и традиционные модели. Они отличаются компоновкой вентилятора, геометрическими размерами, устройством корпуса, приводным шкивом и выпрямительным узором. Есть и общие параметры, это:

Ротор;
Статор;
Щёточный узел;
Выпрямительный блок;
Регулятор напряжения.

Схема генератора ВАЗ 2106:

1 – поджимная втулка	14 — вывод «67»
2 – втулка	15 — штекер нулевого провода
3 – буферная втулка	16 — шпилька крепления генератора
4 – задняя крышка	17 — крыльчатка вентилятора
5 – винт крепления выпрямительного блока	18 — шкив
6 – выпрямительный блок	19 — пластины
7 – вентиль (диод)	20 — кольцо
8 – задний подшипник	21 — передний подшипник
9 – контактные кольца	22 — обмотка ротора
10 – вал ротора	23 — ротор
11 – щетки	24 — обмотка статора
12 – вывод «30»	25 — статор
13 – щеткодержатель	26 — передняя крышка

Схема генератора ВАЗ 2110:

1 – кожух	17 — шкив
2 – вывод «В+» для подключения потребителей	18 — гайка
3 – помехоподавляющий конденсатор 2,2 мкФ	19 — вал ротора
4 – общий вывод дополнительных диодов (присоединяется к выводу «D+» регулятора напряжения)	20 — передний подшипник вал ротора
5 – держатель положительных диодов выпрямительного блока	21 — клювообразные полюсные наконечники ротора
6 – держатель отрицательных диодов выпрямительного блока	22 — обмотка ротора
7 – выводы обмотки статора	23 — втулка
8 – регулятор напряжения	24 — стяжной винт
9 – щеткодержатель	25 — задний подшипник ротора
10 – задняя крышка	26 — втулка подшипника
11 – передняя крышка	27 — контактные кольца
12 – сердечник статора	28 — отрицательный диод
13 – обмотка статора	29 — положительный диод
14 – дистанционное кольцо	30 — дополнительный диод
15 – шайба	31 — вывод «D» (общий вывод дополнительных диодов)
16 – конусная шайба

Схема подключения системы генератора:

1 — аккумуляторная батарея

2 — генератор

3 — основной блок предохранителей

4 — выключатель (замок) зажигания

5 — монтажный блок

6 — сигнальная лампа разряда аккумуляторной батареи.

Прежде чем рассказывать про принцип работы автомобильного генератора, давайте определимся с тем, что он из себя представляет и какие составные элементы имеет.

Корпус — это две крышки (передняя и задняя), которые стягиваются между собой болтами. Обычно их изготавливают из сплава алюминия, поскольку он легкий, немагнитный и способен легко рассеивать тепло. Крышки обладают вентиляционными окнами, и одной или двумя крепёжными лапами.

Одним из основополагающих элементов этого устройства является ротор. Он необходим для того, чтобы создать переменный электрический ток. Это подвижная часть механизма, на валу которого располагается обмотка возбуждения, где создается вращающееся магнитное поле.

Статор — это неподвижная часть устройства, которая активно взаимодействует с ротором. Он может быть постоянным магнитом или электромагнитом.

Щёточный узел обеспечивает передачу тока возбуждения на кольца контакта. Состоит из двух графитных щёток, которые прижимаются специальными пружинами, и щёткодержателей.

Теперь объясним непосредственно принцип работы генератора.

Когда вы поворачиваете ключ в замке зажигания, то через щёточный узел и контактные кольца на обмотку возбуждения поступает ток (при этом в ней образуется магнитное поле). Одновременно с ротором начинает вращаться коленчатый вал. Магнитным полем ротора пронизываются обмотки статора, а на их выводах возникает переменное напряжение. Если достигается определенная частота вращения, то генератор переходит в режим самовозбуждения: обмотка возбуждения запитывается непосредственно от него.

При помощи выпрямительного блока переменное напряжение преобразуется в постоянное. Генератор в этом состоянии обеспечивает необходимый для зарядки питания потребителей и аккумуляторной батареи ток.

Если изменяется нагрузка или частота вращения коленчатого вала, то в работу включается регулятор напряжения генератора. Он контролирует время включения обмотки возбуждения:

уменьшает его, когда снижается нагрузка, а частота вращения ротора повышается;
увеличивает время при возрастающей нагрузке и сокращении частоты вращения.

Сейчас используются 2 основные конструкции регуляторов напряжения:

Гибридная. Когда в электронной схеме используются вместе радиоэлементы и электронные приборы в электронной;
Интегральная. Когда все компоненты регулятора (за исключением выходного каскада) выполнены с применением тонкоплёночной микроэлектронной технологии.

Если потребность в токе превышает возможности генератора, то в работу включается аккумуляторная батарея.

На панели приборов автомобиля имеется контрольная лампа, она загорается, когда возникают проблемы с генератором.

Основные параметры

Устройство имеет следующие характеристики:

номинально напряжение. Оно составляет 12 или 24 В. Этот показатель зависит от конструкции электрической системы.
номинальная частота возбуждения.
номинальный ток. Это его нормальная отдача при номинальной частоте вращения (6000 оборотов).
частота самовозбуждения.
КПД (коэффициент полезного действия).

Надеемся, наша статья помогла вам лучше понять, что такое автомобильный генератор, принципы работы этого устройства его основные характеристики. Вы можете посмотреть видео, посвященные подробному разъяснению всех процессов.

Генераторы и генераторы — AOPA

Их работа заключается в поддержании заряда аккумулятора

Стив В. Эллс

Регулятор напряжения, устанавливаемый на брандмауэре.

12-вольтовая, 60-амперная установка типа Ford с ременным приводом на двигателе Continental. Красный изолятор обычно обозначает выходную клемму генератора.

Генераторы способны развивать полную номинальную мощность при низких оборотах двигателя.

С появлением доступных интегральных схем современная авионика легких самолетов способна отображать пилоту погодные условия в режиме реального времени, указывать на конвективную активность, ориентироваться в трех измерениях со ссылкой на спутниковые сигналы и сохранять база данных параметров работы двигателя. Это замечательно, но без надежного источника электроэнергии — генератора или генератора переменного тока — эти чудеса электронной эпохи мало чего стоят. В этом месяце мы рассмотрим системы зарядки.

Точно так же, как проблемы с запуском чаще всего связаны с системными проблемами, замена генератора или регулятора напряжения при прекращении зарядки обычно недальновидна. Хорошо образованный механик или владелец сначала определяет причину проблемы. Поскольку до сих пор летают самолеты с генераторами, давайте начнем с них.

Генератор очень похож на черную двухфунтовую банку из-под кофе с проводами, соединенными с опорами на одном конце и круглым колесом (шкивом) на другом конце. Непрерывный ремень передает вращение от большего шкива двигателя к шкиву генератора. Генераторы с зубчатым приводом крепятся болтами непосредственно к корпусу агрегатов двигателя.

Генераторы и генераторы переменного тока рассчитаны на вольты (12 или 24) и ампер. Обычные размеры для 12-вольтовых систем составляют 12, 15, 25, 38, 50 или 60 ампер, в то время как мощность 24-вольтового генератора обычно составляет 60 или 95 ампер. Первый самолет, которым я владел, Piper Super Cruiser 1947 года выпуска, имел 12-вольтовый генератор Delco Remy с ременным приводом на 15 ампер. Мой второй самолет, Cessna 182 1966 года выпуска, питался от 12-вольтового генератора на 60 ампер, адаптированного из автомобильного агрегата Ford.

Генераторы: не работают на холостом ходу

Генераторы и генераторы переменного тока производят электроэнергию, перемещая провода (проводники) через сильные электрические поля или наоборот. В генераторе проводники представляют собой медные провода, намотанные на якорь, прикрепленный болтами к ведущему шкиву. (По мере вращения якоря медные провода движутся через магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами.) Электрическая энергия индуцируется в проводах и заканчивается в части якоря, называемой коммутатором. Затем эта мощность передается от вращающегося коммутатора к стационарным угольным щеткам, которые прижимаются к сегментам коммутатора за счет давления пружины.

Генераторы не развивают номинальную мощность до тех пор, пока обороты двигателя не поднимутся до среднего рабочего диапазона — обычно выше 1400 об/мин. Эта ответственность может быть настоящей болью в кресле пилота.

Пилоты, которые сталкивались с быстрым затемнением посадочных огней при снижении оборотов двигателя на коротком финальном этапе, поймут один из недостатков системы с питанием от генератора.

У генераторов есть и другие недостатки. По сравнению с генераторами переменного тока они тяжелые, номинальная сила тока ниже, а поскольку полная электрическая мощность генератора передается через соединение медного сегмента коммутатора с угольной щеткой, грязь и искрение часто вызывают электрические шумы и статический заряд, которые излучаются на другую авионику. Генераторы требуют большего обслуживания, чем генераторы переменного тока. Нужно разобраться с угольной пылью, сгладить и отполировать коллекторы, смазать и почистить подшипники. Генераторы не все плохие; у них действительно есть два больших преимущества перед генераторами переменного тока — они не чувствительны к случайным электрическим скачкам или обратной полярности, условиям, которые могут вывести генератор из строя через минуту в Нью-Йорке, и они могут производить электроэнергию, даже если батарея разряжена.

Генераторы переменного тока: мощные, но чувствительные

Генераторы способны развивать полную номинальную мощность при низких оборотах двигателя. Это важно по двум причинам: современные самолеты АОН оснащены авионикой, которой требуется электроэнергия с самого начала каждого полета, и потому, что системы меняются.

Самолеты двадцать первого века, такие как Lancair 350, Cirrus SR22 и Liberty XL-2, заменили свои вакуумные системы приборами с электрическим приводом. Это можно сделать отчасти благодаря надежности современных систем генераторов переменного тока, а также благодаря тому, что установка второй независимой электрической системы становится проще. Системы генераторов легких самолетов не всегда были такими надежными.

Генератор переменного тока можно рассматривать как умножитель тока, потому что небольшое количество тока (обычно от 1 до 4 ампер) подается в генератор переменного тока через клемму возбуждения, и после того, как происходит волшебство, электрическая мощность до номинального значения генератора переменного тока доступны на выходном терминале.

Напряженность магнитного поля в генераторах переменного тока автоматически регулируется мощностью возбуждения от регулятора напряжения (VR). Генератор вырабатывает электроэнергию, когда батарея самолета полностью разряжена, потому что генератор создает часть своей мощности (из-за остаточного магнетизма) за счет взаимодействия проводов через магнитное поле, которое вырабатывает энергию. Генераторы не имеют постоянных магнитов, поэтому, когда аккумулятор самолета полностью разряжен, генератор не будет заряжаться. Генератор когда-нибудь теряет свой остаточный магнетизм? Вроде, как бы, что-то вроде. Иногда генератору требуется поляризация, особенно после бездействия. Мигание поля восстанавливает функцию. В руководствах по обслуживанию подробно описана эта процедура. Генераторы ни в коем случае нельзя прошивать.

Контур обратной связи генератора

Если система, заряжаемая от генератора, имеет исправную батарею и соединения без сопротивления, VR определяет напряжение бортовой сети и изменяет ток возбуждения, чтобы поддерживать напряжение системы зарядки в диапазоне от 13,8 до 14,2 В в течение в 12-вольтовой системе и от 27,1 до 28,4 вольт в 24-вольтовой системе. Напряжение электрической системы выше, чем номинальные параметры аккумулятора, чтобы обеспечить его полную зарядку. Звучит отлично. Но у генераторов есть свои проблемы.

Когда VR выходит из строя и подает слишком много ампер в цепь возбуждения генератора переменного тока, выходное напряжение резко возрастает почти мгновенно.

Если это происходит, вещи, особенно дорогостоящие вещи в стиле авионики, сигнализируют о своем неудовольствии, выпуская клубы едкого дыма, прежде чем выключить свет и вздремнуть. Как часто говорят электрики, как только дым выйдет из этих дорогих коробок, вечеринка окончена.

Для предотвращения дорогостоящих отказов системы перенапряжения реле перенапряжения (OVR) защищает выходы от неконтролируемого напряжения. Cessna начала устанавливать генераторы в середине 19-го.60-х годов, и OVR в линейке однодвигательных двигателей примерно в 1970 году. К счастью для владельцев самолетов, выпущенных с завода без защиты от перенапряжения, практически все современные модифицированные VR имеют встроенную защиту от перенапряжения. VR со встроенной защитой от перенапряжения являются блоками управления генератором (ACU). OVR работает следующим образом: всякий раз, когда напряжение в системе превышает 16 вольт (для 12-вольтовых систем) или 32 вольта (для 24-вольтовых систем), OVR автоматически размыкает цепь между шиной и ACU. Это отключает ток возбуждения, и выходная мощность генератора падает до нуля. Поскольку кратковременные, прерывистые скачки высокого напряжения иногда обманывают VR или ACU, заставляя их думать, что система вышла из строя, пилот должен попытаться перезагрузить систему, временно выключив переключатель генератора, а затем снова включив его. Если система не сбрасывается после одной или двух попыток, пилот должен снять электрическую нагрузку и оценить свои возможности.

Сброс нагрузки: что это?

Поскольку большинство самолетов АОН не имеют резервной системы зарядки, важно понимать сброс нагрузки. Вот один из способов взглянуть на это. Полностью заряженный аккумулятор — это банк с ограниченными активами. Каждая электрическая цепь истощает эти активы. Смысл сброса нагрузки заключается в отключении всех ненужных стоков (цепей), чтобы сохранить и наилучшим образом использовать ограниченные активы батареи.

Пилотам, особенно попавшим в беду, необходимо как можно дольше сохранять свои возможности связи и навигации — так что подумайте о разговорах и отслеживании при сбросе нагрузки. Если потеря заряда обнаружена сразу, можно с уверенностью сказать, что авиационная батарея может питать навигационное/коммуникационное радио и транспондер не менее часа. Поэтому важно знать, какие цепи являются обжорами мощности. Любая схема, которая превращает электрическую энергию в тепло (тепло Пито) или свет, является голодной схемой. Простой способ определить, какой ток потребляет цепь, — посмотреть на цифры, выгравированные на автоматических выключателях. Найдите переключатели, которые управляют цепями с большими числами, и создайте план полетных ситуаций, на которые повлияет потеря электроэнергии. И помните, что правила разрешают и даже поощряют пилота отклоняться от обычных процедур в нештатных ситуациях. Во время нештатной ситуации, такой как летающие приборы в обойме без генератора, никто не будет осуждать решение выключить габаритные огни. Уловка с автоматическим выключателем, а также изучение руководства по обслуживанию самолетов позволяют каждому пилоту принимать обоснованные решения по сбросу нагрузки, если они когда-либо возникнут.

Диоды: ситуация выпрямления

Генераторы вырабатывают переменный ток (AC), который бесполезен в электрических системах самолетов АОН. Для преобразования переменного тока в постоянный (DC) три согласованных набора кремниевых диодов соединены в твердотельном устройстве, называемом выпрямительным мостом. Выход переменного тока каждой ветви (есть три ветви) генератора переменного тока начинается с нуля, поднимается до положительного значения, затем падает через ноль до отрицательного значения, прежде чем снова вернуться к нулю. Таким образом, это называется переменным током. Выпрямитель удаляет отрицательную (или неиспользуемую) часть выхода каждой ветви и объединяет три положительных выхода для получения полезного выхода, подобного постоянному току. Это важно, потому что проблемы с выпрямителем скрыты. Если один диод в выпрямителе выйдет из строя, это не повлияет на выходное напряжение (и на шину), но количество производимого тока снизится примерно на 20 процентов. Генераторы, рассчитанные на 60 ампер, станут заметно менее способными.

Потеря одного диода может быть незаметна, если самолет не оснащен электрическим оборудованием, потому что даже меньшего источника электроэнергии достаточно для питания всех цепей и поддержания заряда батареи. Но пилот, чей самолет оснащен полной авионикой, защитой от обледенения и электрическими приборами, попадает в беду, потому что неисправный генератор переменного тока не может выдавать достаточное количество ампер для безопасной работы. Одним из симптомов этого недуга является аккумулятор, который не остается заряженным. Еще один совет, который выпрямитель бьет не по всем шести диодам, — это пронзительный вой, который меняется в зависимости от оборотов двигателя — его можно услышать в радио, и если он достаточно сильный, это может повлиять на работу указателя ADF.

Общая системная проблема

Выключатель генератора переменного тока часто упускается из виду при поиске и устранении неисправностей системы генератора. Потратив несколько минут на то, чтобы убедиться, что переключатель не имеет сопротивления, вы решаете все виды головных болей, связанных с системой генератора переменного тока. Почему? Потому что все, что требуется, это небольшая коррозия или износ этого недорогого переключателя, чтобы полностью вывести из строя функцию измерения напряжения системы VR или ACU.

Этот пример показывает почему. Цепь зарядки электрической системы состоит из генератора переменного тока, VR или ACU, выключателя генератора и, в меньшей степени, авиационного амперметра и реле перенапряжения.

Контур, поддерживающий равновесие в системе электрооборудования, начинается с электрической шины самолета. Шина (или шина) — это просто провод или металлическая полоса, к которой подключаются различные схемы, такие как габаритные огни и двигатель шасси, чтобы получить питание для работы системы. Это центральный источник электроэнергии.

По мере того, как мы включаем больше цепей, таких как посадочная фара или нагреватель Пито, сопротивление каждой цепи добавляется к шине. Это увеличение сопротивления, согласно закону Ома, снижает напряжение на шине (и в системе). Помните, что напряжение в последовательной цепи обратно пропорционально сопротивлению (Ом). Когда сопротивление увеличивается, напряжение уменьшается. VR или ACU получают информацию об уровнях напряжения в системе через выключатель генератора.

Проблемы возникают, когда переключатель имеет внутреннее сопротивление или загрязнен. Оба эти условия вызывают сопротивление (увеличение в омах), которое снижает напряжение на переключателе. Что происходит? Даже один ом сопротивления (это немного) в переключателе приводит к тому, что VR или ACU видят более низкое напряжение, чем на самом деле на шине. Это заставляет VR или ACU реагировать на низкое значение напряжения на шине, увеличивая силу тока, протекающую через поле генератора, что повышает выходное напряжение генератора. По мере увеличения напряжения на шине значение напряжения (после преодоления сопротивления в переключателе), измеренное в ACU, поднимается выше «нормальных» параметров напряжения, и ACU, определяя, что напряжение в системе слишком высокое, снижает выходную мощность генератора переменного тока. Результатом является постоянно меняющееся напряжение на шине, которое пилоты сначала замечают как пульсирующие индикаторы приборов или пульсирующую стрелку амперметра. ACU гоняется за своим хвостом, потому что резистивный переключатель лжет.

Устранение неполадок

Одним из лучших инструментов для устранения неполадок с выпрямителем является тестер пульсаций генератора переменного тока — в ремонтных мастерских, разбирающихся в системах зарядки, часто имеется такой прибор.

Хотя эта техническая информация имеет ограниченную ценность для большинства пилотов, каждый пилот должен знать основы своей системы генератора переменного тока и знать, как сбрасывать нагрузку в чрезвычайных ситуациях.

Многие пилоты с раздельными главными переключателями (половина батареи и половина альтернативы) изменили процедуру ручного запуска, оставив половину переключателя генератора переменного тока в положении «Выкл.» до завершения последовательности запуска. После запуска, но до включения любого другого оборудования, такого как радиоприемники или фонари, пилот включает половину выключателя генератора переменного тока и проверяет положительное движение стрелки амперметра. Это подтверждает, что система зарядки подключена к сети. Запуск двигателя — это время, когда контакторы, управляющие большими токами, размыкаются и замыкаются. Вероятность больших скачков напряжения в электрической системе очень высока в этот короткий момент. Поскольку пики отрицательно сказываются на выпрямителях, переключателях и других полупроводниковых устройствах, хорошей идеей будет изолировать компоненты системы зарядки во время запуска, если только на вашем самолете нет генератора.

Есть два источника информации, которые могут помочь пилотам получить общие и специальные знания об их электрических системах. Посетите сайты www.zeftronics.com и www.aeroelectric.com. Информация из этих двух источников бесценна для дальнейшего понимания электрических систем.

Электромагнитная индукция

Ключевые термины

вихревые токи
Закон Фарадея-Генри

генератор
катушки индуктивности
трансформатор

А великое открытие…

Около 1830 года Майкл Фарадей и Джозеф Генри независимо друг от друга открыли явление, известное как электромагнитная индукция. Они обнаружили, что вы может индуцировать токи для движения в проводе при определенных условиях в магнитном поле. поле.

В этой анимации сила магнитного поля меняется со временем. (анимация).

Они обнаружили, что ток будет течь в замкнутом контуре провода при условии, что провод был окружен меняющимся магнитным полем. Это известно как Закон Фарадея-Генри . Электромагнитная индукция принцип работы электрического генератора и силовых трансформаторов . .. вещи, которые мы рассматриваем в этом разделе.

На самом деле в проводе может быть наведен электрический ток (в замкнутой цепи) просто перемещая его поперек магнитного поля.

В этой анимации провод движется через постоянное магнитное поле. (анимация).

В этом примере провод (который должен быть частью замкнутой цепи) перемещается мимо магнита. В процессе движения в провод. Когда провод перестает двигаться, ток прекращается.

Суть в том, что вы можете вызвать ток в проводе, если:

провод находится в изменяющемся магнитном поле
провод движется через магнитное поле

Однако, если провод просто находится в постоянном магнитном поле… ничего бывает!

Нажмите ссылка 3.4.a, чтобы увидеть апплет Java.
Нажмите ссылка 3.4.b, чтобы увидеть другой апплет Java.

Идея звучит примерно так: у каждого магнита есть силовые линии (или магнитные поля).

линии), уходящие в пространство. Эти линии соединяют северный (N) полюс магнита к южному (S) полюсу того же магнита. Вы, возможно, видели демонстрация в начальной школе, где металлические опилки рассыпают возле магнита, чтобы показать этот эффект (см. изображение ниже).

Предоставлено Викисклад

Если провод перемещается так, что он «пересекает» эти линии, свободные электроны в провода получают «толчок», который заставляет их двигаться. Это представляет собой электрический ток. Вы должны увидеть, что вы получите тот же эффект, если провод неподвижен, а магнитное поле становится сильнее или слабее.

Или Таким образом, силовые линии магнитного поля «пересекают» провод.

Использование индукции

Пример 1 — Электрогитары работают на принципы индукции. Прямо под каждой гитарной струной находится небольшой магнит. Вибрация гитарной струны изменяет магнитное поле вокруг магнит (заставляя силовые линии раскачиваться в пространстве). Катушка проволоки, обернутая вокруг магнита, чувствует эти изменения. в магнитном поле… и в них индуцируются электрические токи. Этот сигнал поступает на усилитель. Зажигай, чувак!

Пример 2 — Задумывались ли вы, как эти крошечные одометры и спидометры работают на велосипеде? К колесу прикреплен постоянным магнитом, а вдоль рамы закреплена крошечная катушка проволоки, так что каждый пока колесо вращается, катушка движется мимо магнита. Это вызывает крошечные электрические токи, которые считываются микроконтроллером… который преобразует синхронизация импульсов со скоростью велосипеда (сначала одометр должен знать размер велосипедной шины для ее калибровки).

Тот же принцип можно использовать в вашем автомобиле, чтобы определить его скорость, если ваш автомобиль оснащен цифровым одометром.

Например, предположим, что время между импульсами составляет 0,4 секунды на Велосипедная шина диаметром 27 дюймов (колесо вращается каждые 0,4 секунды). Простой преобразование показывает, что этот велосипед движется со скоростью 12 миль в час (не беспокойтесь, если вы не можете математика, микроконтроллер может сделать это легко). Примечание: датчик Холла (описано в последнем разделе) также можно использовать для того же.

Пример 3 — Рассмотрим две анимации ниже. В первом случае магнит движется по катушкам медленно. скорость, и результирующий индуцированный ток низок. Однако, если магнит движется быстро через катушку, индукционный ток в катушке намного выше.

Медленно движущийся магнит Быстро движущийся магнит (анимация)

Поскольку величина наведенного тока зависит от скорости движущегося магнит, такое расположение является полезным инструментом для определения скорости любого движущегося объект. Все, что нужно сделать инженеру, это убедиться, что движущийся объект имеет магнит, прикрепленный к нему, и магнит находится в состоянии индуцировать токи в моток проводов.

Электрические генераторы

Приведенные ниже системы поразительно похожи на двигатели, представленные в последней раздел. Им следует! Электрический генератор – это электродвигатель, вращающийся назад. Это похоже на обсуждение водяного колеса и насос. Как вы помните, в случае с водяным колесом колесо получает энергии падающей воды и поэтому начинает вращаться. Насос тоже есть колесо, но в данном случае прялка поставляет энергии в жидкости… создают перепады давления и заставляют воду течь. Ан электродвигатель (как и водяное колесо) имеет якорь, который вынужден вращаться когда ток подается по проводу, и соответствующее ему магнитное поле взаимодействует с постоянным магнитом. Электрический генератор (например, водяной насос) имеет якорь, который, когда заставит вращаться в магнитном поле, индуцировать токи, протекающие по проводу.

Другими словами:

Двигатель преобразует электрическую энергию в кинетическую энергию вращения… генератор преобразует кинетическую энергию вращения в электрическую энергию!

Идея проста… вы можете заставить ток течь по проводу, если провод находится в изменяющемся магнитном поле. Вращающаяся арматура «видит» постоянные внешние магниты как изменяющееся поле, поэтому индуцируется ток в проводах якоря. Спасибо, Майкл Фарадей и Джозеф Генри.

Генераторы переменного тока

На изображении ниже показан простой генератор переменного тока. Так как арматура (петля проволока) вынуждена вращаться во внешнем магнитном поле, индуцируется ток течь внутри провода. Однако, когда якорь поворачивается на 180 градусов, направление тока меняется на противоположное …. создавая переменный ток (переменный ток).

Простой генератор переменного тока.

Щелкните ссылку 3.4.c за отличную демонстрацию

Генераторы постоянного тока

Генератор постоянного тока (постоянного тока) работает почти так же, но требует немного настроить. Как предотвратить изменение направления тока при якорь вращается на 180 градусов??? Просто… спроектируйте переключатель в системе. Этот переключатель имеет форму разъемного кольца, которое действует как коммутатор. Щетки (которые остаются неподвижными) сохраняют электрический контакт с вращающимся коммутатор. Когда якорь поворачивается на 180 градусов, этот переключатель автоматически удерживает ток в том же направлении.

Генератор постоянного тока (анимация)

Нажмите ссылка 3.4.d, чтобы увидеть Java-апплет генератора переменного тока и нажмите ссылка 3.4.e, чтобы увидеть Java-апплет генератора постоянного тока. Нажмите ссылка 3. 4.f для демонстрации генераторов переменного и постоянного тока

Претворение этой идеи в жизнь

В детстве мне подарили небольшой генератор, прикрепленный к моему велосипеду. К щелкнув рычагом, металлический цилиндр вступит в физический контакт с колесом. При езде на велосипеде трение о колесо заставит цилиндр вращаться. и засиял бы свет. Никаких батареек! Я был поражен (и зацепил с тех пор физика). В вашем автомобиле есть генератор, работающий от вентилятора. ремень подключен к вашему двигателю. Пока ваша машина работает, у вас есть все электричество, которое вам нужно, чтобы контролировать все (в том числе достаточно для зарядки аккумулятор для следующего запуска автомобиля). Примечание: Генератор на выходе переменный ток, но, поскольку автомобиль работает от постоянного тока, эту мощность необходимо преобразовать (напротив инвертора). В старых автомобилях использовались генераторы, которые работали на тот же принцип, но имел выход постоянного тока.

Электричество в вашей газонокосилке вырабатывается магнето (ссылка) 3.4.ж). Вы можете найти магнето в большинстве газовых инструментов для газонов, таких как цепь. пилы и травоядные. Магнето обеспечивает электричество, используемое для Свечи зажигания. К маховику прикреплен очень сильный магнит. двигатель. Каждый раз, когда вам нужно электричество для свечи зажигания, магнит вращается мимо магнето, которое постоянно прикреплено к раме. Это устройство состоит из катушки «первичных» проводов. Как известно, когда магнит движется мимо В этих проводах индуцируется ток (закон Фарадея-Генри). Однако, напряжение в этих проводах слишком низкое, чтобы искрить свечи зажигания, поэтому другой шаг нужен. Вам не придется долго ждать. Обсуждение Трансформеры не за горами.

Энергетическая компания

Электричество, вырабатываемое электростанциями в США, имеет переменный ток с частотой 60 Гц… ток проходит через 60 «циклов» триггеров каждую секунду. «Среднее» напряжение составляет 110-120 вольт. МЫ энергии снабжает район Милуоки электричеством. У них огромные генераторы которые должны быть раскручены каким-то внешним источником. Электростанция Ок-Крик сжигает уголь для получения пара высокого давления. Это движется через турбину (точно так же, как вода вращает водяное колесо). Электростанция Пойнт-Бич производит пар с теплом, выделяемым ядерным реактором. Однако самый дешевый и чистый способ крутить колесо — это использовать гидроэлектроэнергию… возобновляемый. К сожалению, только северо-западная часть Тихого океана (Вашингтон и Орегон) имеет достаточное количество осадков и рельеф (перекрыть большое количество воды), что означает, что только гидроэлектроэнергия становится возможным в этом регионе.

Трансформаторы

Электропитание в вашем доме 110-120 вольт переменного тока. Не все устройства могут сделать использование электроэнергии в этом виде. Многие устройства в доме требуют низкой напряжение (переменного или постоянного тока) ток для правильной работы. В другом примере искра штепсельные вилки в вашем автомобиле требуют напряжения в диапазоне 30 000–40 000 вольт, но у тебя аккумулятор всего 12 вольт. Трансформеры делают все это возможным. В большинстве домов есть такие крошечные черные ящики, которые вы подключаете к стене, чтобы преобразовать энергию … это трансформаторы… так и катушка зажигания в вашем автомобиле.

Держу пари, у тебя дома много таких трансформеров!

Как все это работает?

Трансформаторы используют закон Фарадея-Генри. Трансформатор имеет два наборы проводов, первичная катушка и вторичная катушка . два набора катушек (первичная и вторичная) находятся в непосредственной близости друг от друга (но не подключен физически). Обе катушки обычно намотаны на железный стержень, помогающий концентрировать магнитные поля и снижать потери мощности; однако, железный стержень не необходимо, чтобы заставить его работать.

Базовый трансформатор А

Основной задачей трансформатора является регулировка напряжения (в вторичная катушка) в соответствии с применением. Они работают, потому что источник ток в первичной обмотке переменный (переменный ток). Трансформеры делают использование электромагнитной индукции, но давайте замедлимся и рассмотрим это в большом подробно, потому что это очень важно.

Почему работает трансформатор:

Провод с током создает магнитное поле вокруг провода. Это простой электромагнит. Нам нужен ток, чтобы течь в первичной катушка для создания магнитного поля.
Если ток в первичной обмотке стабилен, то же самое происходит и с окружающим магнитным полем. поле вокруг катушки. Это бесполезно! Нам нужна смена магнитное поле, чтобы сделать эту работу.
Когда мы используем переменный ток в первичной обмотке, он генерирует изменяющийся магнитное поле, сосредоточенное железным сердечником. Это магнитное поле нарастает и спадает с той же частотой, что и линейный ток в первичная — 60 раз в секунду.
Вторичная катушка «чувствует» это изменяющееся магнитное поле.
Теперь во вторичной обмотке индуцируются токи. по закону Фарадея-Генри. … переменные токи должны быть точный. Это трансформатор.
Напряжение и сила тока во вторичной обмотке задаются количеством обмотки провода у вас есть (сколько раз проволока обернута вокруг магнит) относительно количества витков в первичной обмотке. Если оба первичная и вторичная катушки имеют одинаковое количество обмоток, вы в основном Ничего не сделал. Если вы хотите более высокое напряжение во вторичной обмотке, просто сделайте уверен, что в этой катушке больше обмоток, чем в первичной катушке.

Точное выходное напряжение (и сила тока) определяется в основном соотношением витков в каждой катушке. Однако, вы никогда не получите что-то бесплатно. Должен быть компромисс. В случае трансформатор, вы в основном обмениваете вольты на амперы (или наоборот). То есть, если вы хотите получить более высокое напряжение во вторичной обмотке, вы обнаружите, что имеют меньшую силу тока (по сравнению с первичной катушкой).

В каком-то смысле трансформатор можно представить как «электрический» рычаг. Ты вспомните, что рычаг позволяет создавать большую силу (на коротком расстоянии) за счет обеспечивая гораздо меньшую силу на гораздо большем расстоянии. Рычаг не создает никакой энергии, так как работа на входе = работа на выходе. Трансформатор работает так же, но с электроэнергией. Электрическая мощность является произведением напряжение, умноженное на ток:

Электрическая мощность = вольт * ампер

или Р = V * I

Если одно количество увеличивается, другое уменьшается.

Если во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной, трансформатор называется « повышающий трансформатор », что означает напряжение повышено. вторичный может имеют в 10 раз большее напряжение (по сравнению с первичным), но будут выдавать только 1/10 силы тока (без учета потери тепла).

Проверить ссылка 3.4.h и ссылка 3.4.i, чтобы увидеть несколько отличных апплетов Java.

Беспроводная передача энергии? Ещё бы! У вас может быть электрическая зубная щетка (см. ниже), которая, кажется, никогда не нуждается в подзарядке. Все вам нужно поместить его в док-станцию, и он будет работать вечно??? Однако, док-станцию еще нужно подключить к стене. Так что же все это о? Это не что иное, как трансформер. Док-станция имеет витки проводов, встроенные в основание, по которым течет ток. Базовые катушки представляют собой первичные обмотки трансформатора. вторичные провода встроены в основание самой зубной щетки. В течение при стыковке изменяющиеся магнитные поля в базовом блоке вызывают протекание токов в вторичные обмотки в щетках. Эти индуцированные токи заряжают маленькая батарея. Эта технология прижилась в устройстве, известном как Splashpower. для подзарядки многих типов устройств, используя одну и ту же идею (включая новейшие айфон).

Электроэнергия для вашего дома

В электрической компании на первичную обмотку подается 110-120 вольт переменного тока (среднее) от генераторов. Повышающий трансформатор преобразует это в высокий напряжение … которое отправляется в удаленные места. На подстанции а серия понижающих трансформаторов в конечном итоге преобразует это обратно в 110-120 вольт. (иметь в виду).

Томас Эдисон (1847-1931) пытался провести электричество в домах Нью-Йорка. Город в 1882 году. Он использовал постоянный ток (DC), но обнаружил, что потери мощности, когда он пытался передавать электричество на большие расстояния. Этот в результате такого высокого тока (много ампер) в проводах передачи, что потери на электрическое сопротивление были чрезмерными. решение пришло в виде переменного тока (AC), потому что повышающие трансформаторы были способен преобразовывать более низкое напряжение — большую силу тока в высокое напряжение — низкую мощность ампер. Это позволило передавать электроэнергию на большие расстояния. с гораздо меньшими потерями мощности на тепло. Эти возвышающиеся линии электропередачи на выходе из электростанций может быть до 500 000 вольт (ссылка 3. 4.к). Когда-то рядом с домами понижающие трансформаторы снова может быть использован для преобразования высокого напряжения с малой силой тока обратно в годная к употреблению форма. Эта идея принадлежит сербско-американскому изобретателю Николе. Тесла (1856-1919 гг.)43) и Джорджа Вестингауза (1846–1914). я только что прочитал книга под названием Последние дни ночи (ссылка 3.4.k), в котором рассказывалось о битвах Эдисона, Теслы и Вестингауза. должен был установить стандарт на поставку электричества в наши дома. Вы уже знаете результат — AC выиграли эту битву.

Если интересно, читайте ссылка 3.4.l статья, чтобы увидеть, как электричество распределяется от электростанции к твой дом.

GFCI — прерыватели замыкания на землю

Электрические розетки в вашем доме подключены к 2 проводам (давайте пока забудем о зеленом «земляном» проводе). Черный провод «горячий» … это означает, что он несет 120 вольт (в среднем) переменного тока по отношению к белый или «нейтральный» провод. Когда вы используете прибор (называемый «нагрузкой»), переменный ток течет как по черному, так и по белому проводу.

Электрическое короткое замыкание (анимация)

При случайном прикосновении к черному «горячему» проводу можно получить потенциально смертельный шок, потому что теперь вы становитесь «грузом», когда ваши ноги находятся в контакта с нейтральной землей. Чтобы предотвратить этот сценарий, большинство торговых точек в ванные комнаты или бассейны защищены прерывателем цепи замыкания на землю или GFCI для краткости. Эти устройства умеют следить за током в черном «горячий» провод, а также ток, протекающий по белому «нейтральному» проводу. Под нормальные условия, эти токи должен быть точно таким же, как . Однако, если вы уроните фен в воду, ток потечет прямо к земля (и обход белого провода). Датчик определяет наличие дисбаланс между токами в черном и белом проводах, и что-то неправильно. .. поэтому он быстро активирует электромагнит, чтобы остановить поток во всех провода. Но задумывались ли вы когда-нибудь, как сенсор способен это ощущать? Текущий дисбаланс?

Сначала вы окружаете небольшой участок черного (горячего) провода моток проволоки. Когда по этому «горячему» проводу течет переменный ток, он автоматически создают изменяющееся магнитное поле, которое вызывает протекание токов в этой окружающей катушке. То же самое можно сказать и о текущей в белый «нейтральный» провод. Хитрость здесь заключается в том, чтобы направить ток в оба провода, поэтому поток движется в противоположных направлениях (как автомобили, движущиеся по противоположные направления на двухполосном шоссе). В нормальных условиях работы, магнитные поля обоих проводов компенсируют друг друга, и никакие токи индуцируются в этой соседней катушке. Однако, если ток течет через ваше тело, она течет по «горячему» проводу, а не по белому нулевому проводу. Это мгновенно возбудит ток в соседней катушке … который возбуждает электромагнит… который размыкает все цепи.

Катушки индуктивности

Катушка индуктивности — это просто электромагнит (или трансформатор без вторичной обмотки). катушка, но теперь железный сердечник является необходимым компонентом). Когда через катушку пропускают переменный ток, происходит интересное. В железе возникают небольшие «вихревые токи». основной.

Индуктор (анимация)

Эти «вихревые токи» индуцируют токи в исходной катушке! Электрики называют это «обратной ЭДС»… это потому, что индукционный ток находится в направлении, противоположном тому, которое первоначально произвело его. Этот эффект присутствует во всех двигателях и трансформаторах… но мы проигнорировали это к этому моменту. Однако некоторые устройства полагаются на «обратную ЭДС», чтобы сделать они работают.

Для ясности давайте пройдемся по шагам здесь, потому что это немного сложно:

Если токи в катушке устойчивы. .. ничего не происходит, потому что соответствующее магнитное поле не меняется.
Если ток в катушке возрастает или падает (как при переменном токе), магнитный поле растет и схлопывается соответственно.
Свободные электроны в железном стержне «чувствуют» эти изменяющиеся магнитные поля и индуцируется течением. Только проводов действительно нет… они просто бегают по кругу в кругах внутри железного стержня (вихревые токи).
Эти вращающиеся электроны действуют точно так же, как провода, движущиеся по катушке… то есть, они создают собственное магнитное поле.
Это магнитное поле неустойчиво. По мере того как эти вихревые токи усиливаются и ослабевают, создаваемое ими магнитное поле также увеличивается и уменьшается.
Теперь катушка «чувствует» этот эффект, и внутри нее индуцируются новые токи. катушка… только они в обратном направлении от токов, которые начал все это дело. Вот почему они называются «обратной ЭДС». (для электродвижущей силы).

Еще одна вещь, о которой следует помнить, это тот факт, что все это процесс представляет собой преобразование форм энергии. то есть электрическая энергия преобразуется в магнитную энергию, а затем обратно в электрическую энергию. Помните маятник? Когда мы изучаем, как работает радио (и другие средства беспроводной передачи), мы вернуться к этому примеру.

Металлодетекторы используют принципы индукции, чтобы помочь вам найти клад (они также используются на светофорах, чтобы определить, находится ли машина на перекресток). Это потому, что закопанные монеты (или ваша машина) действуют как железный сердечник … через который «вихревые токи» могут инициировать «обратную ЭДС» к катушка, с которой все началось. Этот обратный ток улавливается и сообщает вам что ты разбогател!

Подготовка индукционной петли на будущей полосе левого поворота

Индукционные петли, скорее всего, находятся под большинством окон для проезда.