Устройство эл двигателя: типы, устройство, принцип работы, параметры, производители

Принцип работы и устройство электродвигателя

Принцип работы электродвигателя

Рубрики статей

• Все
• Новости и новинки
• Новости компании
• Обзоры продукции

Отредактировано: 14.01.2022

Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Таким образом, электрические двигатели противоположны генераторам, которые преобразуют механическое движение в электрическую энергию. Существует множество различных типов и конструкций электродвигателей. Однако все электродвигатели основаны на сходном принципе работы.

Объяснение магнитных полей и силы Лоренца

Электродвигатель использует важнейшую силу природы — силу Лоренца. Как это работает и почему электродвигатель может это сделать, мы сначала объясним вам на основе упрощенных основ, прежде чем мы перейдем к конструкции.

Каждый магнит имеет два полюса: северный и южный. Магнитные силы всегда действуют с севера на юг и воздействуют на так называемые ферромагнитные материалы (кобальт, железо, никель). Твердые тела, такие как железо, всегда притягиваются к магниту. Однако, если есть два магнита, случается следующее: одни и те же полюса отталкиваются друг от друга (южный и южный, северный и северный полюса) — разные полюса притягиваются (южный и северный).

Электричество также имеет два разных полюса. Здесь есть плюс и минус. Это называется электрическим зарядом . Плюс означает, что частица имеет положительный заряд. Минус означает, что частица имеет отрицательный заряд.

Воздействие на заряд (плюс или минус) в магнитном поле называется силой Лоренца. Проще говоря, северный магнитный полюс отталкивает положительный заряд и притягивает отрицательный. Южный магнитный полюс притягивает положительный заряд и отталкивает отрицательный. Каждый электродвигатель основан на этом принципе. Он использует магнитное воздействие постоянного магнита на электромагнит (который находится под напряжением и имеет заряд).

Устройство и функции двигателя

Так называемый статор расположен под корпусом электродвигателя. Он состоит из стабильного магнитного поля (постоянный магнит). Это означает, что северный и южный полюса имеют фиксированное положение и не меняются. Ротор (лат. rotare = крутить) находится в самом двигателе, прикреплен к валу и поэтому может вращаться. Его электрическое магнитное поле постоянно меняется: северный и южный полюса меняются местами. Ротор окружен статором. Якорь представляет собой железный сердечник ротора. На него намотаны катушки ротора, по которым течет ток. С помощью этих катушек создается изменяющееся магнитное поле. Если якорь представляет собой постоянный магнит, то катушек нет.

Коммутатор (также называемый переключателем полюсов) сидит на валу ротора. Ток течет через него. Его задача — повернуть магнитное поле ротора и, таким образом, поменять местами полюса. Это всегда происходит при достижении определенного положения. К коммутатору присоединены скользящие контакты, питающие ротор электричеством. Если электродвигатель теперь находится под напряжением, в роторе создается магнитное поле. Только тогда он становится вращающимся электромагнитом.

По описанному выше принципу, что одноименные полюса всегда отталкиваются друг от друга, ротор начинает вращаться. Электромагнитное поле ротора всегда регулируется коммутатором таким образом, что северный полюс ротора и северный полюс статора (аналогично южному полюсу) обращены друг к другу. Проще говоря, через каждые пол-оборота меняется полярность ротора. В противном случае северный полюс и южный полюс были бы обращены друг к другу, и двигатель остановился бы.

Существует также вариант электродвигателя без коммутатора. В двигателях переменного тока магнитное поле изменяется в соответствии со скоростью вращения ротора. Одни и те же полюса «автоматически» обращены друг к другу. В этом случае структура немного отличается. Тем не менее, основные части остаются.

Разновидности электродвигателей

На данный момент используют большое количество электродвигателей, которые отличаются конструкцией. В основном их делят по двум характеристикам.

Принцип электропитания:

1. Переменного тока, когда двигатель работает, получая питание непосредственно от электросети.
2. Постоянного тока, когда двигатель работает от источника постоянного тока (батареек, аккумуляторов и т.п.).

Принцип работы:

1. Синхронный, вращение происходит в синхронизации с магнитным полем, вызывающим движение. У таких двигателей есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
2. Асинхронный, вращающийся ротор движется медленнее вращающегося магнитного поля в статоре. В таком двигателе нет щеток и обмоток на роторе, и он является одним из самых распространенных, что объясняется его простотой.

Если стоит выбор, где купить электродвигатель, выбирайте надёжного поставщика. Компания «АнЛан» занимает лидирующие позиции на рынке РФ с 2007 года. Разумная цена и европейское качество — то, что отличает продукцию компании от других организаций.

Копирование контента с сайта Anlan.ru возможно только при указании ссылки на источник.
© Все права защищены.

---

Рекомендуемые статьи

Предназначение коммутационных настенных шкафов

31

January

2017

Краткое содержание:

1. Что нужно знать при выборе шкафа
2. Разновидности настенных шкафов
3. Размерность шкафов

Статья поможет вам узнать о настенных шкафах, какими они бывают и как выбрать необходимый.

Открыть

Cabeus представила гофрированные легкие трубы из ПВХ с протяжкой

22

December

2022

Компания Cabeus расширила ассортимент своей продукции гофрированными легкими трубами из ПВХ с протяжкой. Представлены трубы диаметром от 16 до 50 мм.

Открыть

Подробнее о категории 6а

11

June

2021

Категория 6A может поддерживать скорость передачи данных до 10 Гбит / с при максимальной полосе пропускания 500 МГц. Она имеет более жесткие скрутки с дополнительной изоляцией для уменьшения перекрестных помех. CAT6A также обратно совместима с категориями 5 и 6.

Открыть

Коннекторы Cabeus 8P8C-SH-C6+ -TWP

22

January

2020

Коннектор RJ-45 с фиксатором кабеля используется для оконцевания шнуров и обеспечивает функциональность в кабельных системах до 6а категории.

Открыть

Компьютерные и телефонные розетки

14

September

2015

Краткое содержание:

1. Какие бывают розетки?
2. Подключение розетки

В статье вы узнаете виды компьютерных розеток и пошаговую инструкцию по подключению.

Открыть

Кабельные короба российского завода «Экопласт»

09

June

2020

Кабель-каналы Экопласт производятся из поливинилхлорида (ПВХ) в который добавляются специально разработанные и запатентованные добавки. Это позволило добиться высоких изоляционных свойств и повышенной устойчивости к горению, а значит добавило безопасности при эксплуатации. 

Открыть

Рекомендуемые товары

IEK DRV056-A4-000-1-1510 Электродвигатель АИР DRIVE 3ф 56A4 380В 0.12кВт 1500об/мин 1081

IEK DRV056-A4-000-1-1510 Электродвигатель АИР DRIVE 3ф 56A4 380В 0.12кВт 1500об/мин 1081

Артикул: DRV056-A4-000-1-1510

Цена: 7 392,23 ₽

От 25 000 ₽ 7 392,23 ₽

От 100 000 ₽ 7 392,23 ₽

IEK DRV071-A8-000-2-0720 Электродвигатель АИР DRIVE 3ф 71A8 380В 0.18кВт 750об/мин 2081

IEK DRV071-A8-000-2-0720 Электродвигатель АИР DRIVE 3ф 71A8 380В 0.18кВт 750об/мин 2081

Артикул: DRV071-A8-000-2-0720

Цена: 12 803,72 ₽

От 25 000 ₽ 12 803,72 ₽

От 100 000 ₽ 12 803,72 ₽

IEK DRV112-M4-005-5-1520 Электродвигатель АИР DRIVE 3ф 112M4 380В 5. 5кВт 1500об/мин 2081

IEK DRV112-M4-005-5-1520 Электродвигатель АИР DRIVE 3ф 112M4 380В 5.5кВт 1500об/мин 2081

Артикул: DRV112-M4-005-5-1520

Цена: 41 180,65 ₽

От 25 000 ₽ 41 180,65 ₽

От 100 000 ₽ 41 180,65 ₽

Электродвигатель переменного тока | Техника и человек

Электрические двигатели давно и прочно заняли лидирующие позиции среди силовых агрегатов различного типа оборудования. Их можно найти в автомобиле и в пылесосе, в сложнейших станках и в обычных детских игрушках. Они есть практически везде, хотя и отличаются между собой типом, строением и рабочими характеристиками.

Электродвигатели – это силовые агрегаты, способные превращать электрическую энергию в механическую. Различают два их основных вида: двигатели переменного и постоянного тока. Разница между ними, как понятно из названия, заключается в типе питающего тока. В данной статье речь пойдет о первом виде – электродвигателе переменного тока

Устройство и принцип работы

Основная движущая сила любого электрического двигателя – электромагнитная индукция. Электромагнитная индукция, если описать ее в двух словах – это появление силы тока в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле. Источником переменного магнитного поля является неподвижный корпус двигателя с размещенными на нем обмотками – статор, подключенный к источнику переменного тока. В нем расположен подвижный элемент – ротор, в котором и возникает ток. По закону Ампера на заряженный проводник, помещенный в магнитное поле, начинает действовать электродвижущая сила – ЭДС, которая вращает вал ротора. Таким образом, электрическая энергия, которая подается на статор, превращается в механическую энергию ротора. К вращающемуся валу можно подключать различные механизмы, выполняющие полезную работу.

Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные. Разница между ними в том, что в первых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной скоростью, а во вторых ротор вращается медленнее, чем магнитное поле. Отличаются они и по устройству, и по принципу работы.

Асинхронный двигатель

Устройство асинхронного двигателя

На статоре асинхронного двигателя закреплены обмотки, создающие переменное вращающееся магнитное поле, концы которой выводятся на клеммную коробку. Поскольку при работе двигатель нагревается, на его валу устанавливается вентилятор системы охлаждения.

Ротор асинхронного двигателя выполнен с валом как одно целое. Он представляет собой металлические стержни, замкнутые между собой с двух сторон, из-за чего такой ротор еще именуется короткозамкнутым. Своим видом он напоминает клетку, поэтому его часто называют «беличьим колесом» Более медленное вращение ротора в сравнении с вращением магнитного поля – результат потери мощности при трении подшипников. Кстати, если бы не было этой разницы в скорости, ЭДС бы не возникала, а без нее не было бы и тока в роторе и самого вращения.

Магнитное поле вращается за счет постоянной смены полюсов. При этом соответственно меняется направление тока в обмотках. Скорость вращения вала асинхронного двигателя зависит от числа полюсов магнитного поля.

Синхронный двигатель

Устройство синхронного двигателя

Устройство синхронного электродвигателя немного отличается. Как понятно из названия, в этом двигателе ротор вращается с одной скоростью с магнитным полем. Он состоит из корпуса с закрепленными на нем обмотками и ротора или якоря, снабженного такими же обмотками. Концы обмоток выводятся и закрепляются на коллекторе. На коллектор или токосъемное кольцо подается напряжение посредством графитовых щеток. При этом концы обмоток размещены таким образом, что одновременно напряжение может подаваться только на одну пару.

В отличие от асинхронных на ротор синхронных двигателей напряжение подается щетками, заряжая его обмотки, а не индуцируется переменным магнитным полем. Направление тока в обмотках ротора меняется параллельно с изменением направления магнитного поля, поэтому выходной вал всегда вращается в одну сторону. Синхронные электродвигатели позволяют регулировать скорость вращения вала путем изменения значения напряжения. На практике для этого обычно используются реостаты.

Краткая история создания

Впервые возможность превратить электричество в механическую энергию открыл британский ученый М.Фарадей еще в 1821 году. Его опыт с проводом, помещенным в ванну с ртутью, оснащенной магнитом, показал, что при подключении провода к источнику электроэнергии он начинает вращаться. Этот нехитрый опыт наверняка многие помнят по школе, правда, ртуть там заменяется безопасным рассолом. Следующим шагом в изучении этого феномена было создание униполярного двигателя – колеса Барлоу. Никакого полезного применения он так и не нашел, зато наглядно демонстрировал поведение заряженного проводника в магнитном поле.

На заре истории электродвигателей ученые пытались создать модель с сердечником, двигающимся в магнитном поле не по кругу, а возвратно-поступательно. Такой вариант был предложен, как альтернатива поршневым двигателям. Электродвигатель в привычном для нас виде впервые был создан в 1834 году русским ученым Б. С. Якоби. Именно он предложил идею использования вращающегося в магнитном поле якоря, и даже создал первый рабочий образец.

Первый асинхронный двигатель, в основе работы которого заложено вращающееся магнитное поле, появился в 1870 году. Авторами эффекта вращающегося магнитного поля независимо друг от друга стали два ученых: Г.Феррарис и Н. Тесла. Последнему принадлежит также идея создания бесколлекторного электродвигателя. По его чертежам были построены несколько электростанций с применением двухфазных двигателей переменного тока. Следующей более удачной разработкой оказался трехфазный двигатель, предложенный М.О. Доливо-Добровольским. Его первая действующая модель была запущена в 1888 году, после чего последовал ряд более совершенных двигателей. Этот русский ученый не только описал принцип действия трехфазного электродвигателя, но и изучал различные типы соединений фаз (треугольник и звезда), возможность использование разных напряжений тока. Именно он изобрел пусковые реостаты, трехфазные трансформаторы, разработал схемы подключения двигателей и генераторов.

Особенности электродвигателя переменного тока, его достоинства и недостатки

На сегодня электродвигатели являются одними из самых распространенных видов силовых установок, и тому есть немало причин. У них высокий КПД порядка 90%, а иногда и выше, довольно низкая себестоимость и простая конструкция, они не выделяют вредных веществ в процессе эксплуатации, дают возможность плавно менять скорость во время работы без использования дополнительных механизмов типа коробки передач, надежны и долговечны.

Среди недостатков всех типов электромоторов — отсутствие высокоемкостного аккумулятора электроэнергии для автономной работы.

Основное отличие электродвигателя переменного тока от его ближайшего родственника – электродвигателя постоянного тока – заключается в том, что первый питается переменным током. Если сравнивать их функциональные возможности, первый менее мощный, у него сложно регулировать скорость в широком диапазоне, он имеет меньший КПД.

Если же сравнивать асинхронный и синхронный электродвигатель переменного тока, то первый имеет более простую конструкцию и лишен «слабого звена» — графитовых щеток. Именно они обычно первыми выходят из строя при поломке синхронных двигателей. Вместе с тем, у него сложно получить и регулировать постоянную скорость, которая зависит от нагрузки. Синхронные двигатели позволяют регулировать скорость вращения с помощью реостатов.

Сфера применения

Электродвигатели переменного тока широко используются практически во всех сферах. Ими оснащаются электростанции, их используют в автомобиле- и машиностроении, есть они и в домашней бытовой технике. Простота их конструкции, надежность, долговечность и высокий показатель КПД делает их практически универсальными.

Асинхронные двигатели нашли применение в приводных системах различных станков, машин, центрифуг, вентиляторов, компрессоров, а также бытовых приборов. Трехфазные асинхронные двигатели являются наиболее распространенными и востребованными. Синхронные двигатели используются не только в качестве силовых агрегатов, но и генераторов, а также для привода крупных установок, где важно контролировать скорость.

Схема подключения электродвигателя к сети

Электродвигатели переменного тока бывают трех и однофазные.

Асинхронные однофазные двигатели имеют на корпусе 2 вывода и подключить их к сети не составляет трудности. Т.к. вся бытовая электрическая сеть в основном однофазная 220В и имеет 2 провода — фаза и ноль. С синхронными все намного интереснее, их тоже можно подключить с помощью 2 проводов, достаточно обмотки ротора и статора соединить. Но соединять их нужно так, чтобы обмотки однополюсного намагничивания ротора и статора располагались напротив друг друга.
Сложности представляют двигатели для 3ех фазной сети. Ну во-первых у таких двигателей в основном в клеммной коробке 6 выводов и это означает что обмотки двигателя нужно подключать самому, а во-вторых их обмотки можно подключать разными способами — по типу «звезда» и «треугольник». Ниже приведен рисунок соединения клем в клеммной коробке, в зависимости от типа соединения обмоток.

Подключение одного и того же электродвигателя разным способом в одну и туже электрическую сеть приведет к потреблению разной мощности. При этом не правильное подключение электродвигателя, может привести к расплавлению обмоток статора.

Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в  раз.  Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/660 В. Если в сети линейное напряжение 660 В, то обмотку статора следует соединить звездой, а если 380 В, то треугольником. В обоих случаях напряжение на обмотке каждой фазы будет 380 В. Выводы обмоток фаз располагают на панели таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних. В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).

 

Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рисунке. Обмотка ротора этого двигате­ля соединена с пусковым реостатом ЯР, создающим в цепи рото­ра добавочное сопротивление Rдобав.

Что такое электродвигатель?

Все, что превращает электричество в движение, то есть электрическую энергию в механическую, называется электродвигателем . Электродвигатели повсюду! Почти каждое механическое движение, которое вы видите вокруг себя, может быть создано электродвигателем.

Учитывая почти неограниченное количество применений электродвигателей, нетрудно представить, что по всему миру работают сотни миллионов двигателей. Давайте разберемся, что они из себя представляют и как они работают.

Как работают электродвигатели?

Электродвигатели работают по очень простому принципу: когда электричество и магнетизм объединяются в одну силу, это называется электромагнитной силой . Таким образом, электрические двигатели работают на принципах электромагнетизма. Когда электрический ток вводится в магнитное поле, возникает сила. В электродвигателе используется замкнутых провода — те самые провода, по которым течет ток, — которые расположены под прямым углом к ​​магнитному полю в электродвигателе. Поскольку магнитное поле имеет двойную полярность, каждый конец провода перемещается в другом направлении. Это создает вращательное движение.

Крутящий момент , то есть способность вращающегося элемента преодолевать сопротивление вращению, регулируется добавлением нескольких контуров к якорю, а магнитное поле создается электромагнитом. Эта конструкция позволяет вращать ротор простым электромеханическим усилием. Есть очень мало деталей, которые на самом деле изнашиваются, и с учетом этих двух факторов электродвигатели могут продолжать работать в течение невероятно долгого времени, демонстрируя очень небольшой износ.

Действительно, одна из самых замечательных особенностей электродвигателей заключается в том, что в них очень мало деталей. По сравнению, например, с двигателем внутреннего сгорания, электродвигатель представляет собой простое устройство. На самом деле, все различные части электродвигателя можно легко вытащить и разложить на очень маленьком столе, конечно, в зависимости от размера двигателя.

Неподвижная часть электродвигателя называется статором . Статор будет снабжен постоянные магниты или обмотки, в зависимости от технологии двигателя. Обмотки будут знакомы любому, кто имеет опыт работы с другими электрическими компонентами. Обычно они представляют собой простые обмотки проволоки вокруг магнитного железного сердечника. Когда через эти обмотки проходит ток, они генерируют магнитное поле.

Ротор — это часть, которая фактически преобразует электрическую энергию в механическую. Они бывают различных конструкций. Одним из самых больших прорывов в конструкции электродвигателей был поиск способа непрерывной работы ротора, обеспечивающего непрерывный крутящий момент всему, что приводится в действие электродвигателем. Современные электродвигатели способны развивать невероятный крутящий момент. Коммутатор, тем временем, представляет собой устройство, которое используется для переключения входа электродвигателя.

Если мы вернемся в историю, электродвигатели, как и многие электрические устройства, начинались как простые эксперименты, а затем использовались в качестве демонстрационных устройств, пока не нашли практического применения.

Очень краткая история электрического двигателя

В 1821 году британский ученый Майкл Фарадей объяснил преобразование электрической энергии в механическую, поместив проводник с током в магнитное поле, что привело к вращению проводника из-за к крутящему моменту, создаваемому взаимным действием электрического тока и поля. Самой примитивной из машин была машина постоянного тока, разработанная другим британским ученым Уильямом Стердженом в 1832 году. Но его модель была слишком дорогой и не использовалась для каких-либо практических целей. Позже в 1886 году Первый электродвигатель , способный вращаться с постоянной скоростью при различной нагрузке, был изобретен ученым Фрэнком Джулианом Спрагом .

Эволюция электродвигателя

Сегодня на рынке представлено несколько различных типов электродвигателей. Прежде всего, их можно отличить по тому, используют ли они мощность переменного или постоянного тока в качестве средства активации двигателя. Электродвигатели переменного тока приводятся в действие переменным током, например синхронный двигатель, который всегда работает при синхронная скорость . Здесь ротор представляет собой электромагнит, который магнитно заперт с вращающимся магнитным полем статора и вращается вместе с ним. Скорость этих машин варьируется путем изменения частоты (f) и числа полюсов (P).

Асинхронные двигатели основаны на взаимодействии магнитного поля и циркулирующих токов, так что ротор начинает вращаться и продолжает вращаться. Асинхронные двигатели, также известные как асинхронные двигатели , работают со скоростью, немного меньшей синхронной скорости. Существуют и другие типы электродвигателей, например, серводвигатели со специальными характеристиками, такими как высокий крутящий момент в компактной конструкции или высокие динамические характеристики, которые были разработаны в соответствии с потребностями отрасли. Обычно в этих двигателях в ротор встроен постоянный редкоземельный магнит.

Как запустить электродвигатель?

Электродвигатели используют различные пусковые механизмы. В самых простых и малогабаритных типах пускатель может подключаться непосредственно к сети электропитания. Это также известно как Direct On Line (DOL) 9.0004 . Для более крупных двигателей требуются более сложные устройства, такие как устройства плавного пуска .

Устройство плавного пуска позволяет оператору запускать устройство с пониженным напряжением. Пользователь может определить пределы для пускового тока и других переменных. Пускатель звезда-треугольник — это тип устройства плавного пуска, который постепенно увеличивает напряжение до максимальной нагрузки по мере увеличения скорости двигателя. Плавный пуск имеет то преимущество, что позволяет контролировать механическую нагрузку и выходной крутящий момент нагрузки. Вместо внезапного запуска двигателя с полным крутящим моментом и скоростью, как в случае с пускателем DOL, двигатель постепенно раскручивается.

Приводы с регулируемой скоростью и электродвигатели

Приводы с регулируемой скоростью все чаще используются с трехфазными асинхронными двигателями. Эти контроллеры используются в электродвигателях всех размеров. Наиболее значительным преимуществом является то, что они обеспечивают высочайший уровень контроля и функциональности. В промышленных условиях предлагаемое ими управление крутящим моментом, натяжением, ускорением и потоком может способствовать повышению эффективности и управляемости процессов. Приводы также объединяют множество функций, таких как автоматизация и ПЛК, средства связи, полевые шины, контроль безопасности и т. д.

Электродвигатели можно найти в огромном количестве приложений. Все, начиная от насосов, компрессоров, вентиляторов, башенных кранов и погрузочно-разгрузочных работ, текстиля, полиграфии, упаковки, деревообрабатывающего оборудования и испытательных стендов, использует их возможности. Они являются одними из наиболее распространенных электрических компонентов, используемых сегодня, поэтому справедливо сказать, что электродвигатели сильно повлияли на нашу повседневную жизнь.

Мы будем рады присылать вам ежемесячный информационный бюллетень, наполненный полезными экспертными знаниями и случайными специальными предложениями. Мы не будем отправлять вам больше одного электронного письма в месяц и не будем использовать ваши данные ни для чего другого.

Уведомление о конфиденциальности

20.2 Двигатели, генераторы и трансформаторы — физика

Раздел Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Объяснять, как работают электродвигатели, генераторы и трансформаторы
• Объясните, как коммерческая электроэнергия производится, передается и распределяется

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим учащимся освоить следующие стандарты:

• (5) Учащийся знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
  • (Г) исследовать и описывать взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.

Основные термины раздела

электродвигатель

генератор

трансформатор

Электродвигатели, генераторы и трансформаторы

Как мы узнали ранее, на проводник с током в магнитном поле действует сила — вспомним F=IℓBsinθF=IℓBsinθ . Электродвигатели, которые преобразуют электрическую энергию в механическую, являются наиболее распространенным приложением магнитной силы на проводах с током. Двигатели состоят из проволочных петель в магнитном поле. Когда ток проходит через петли, магнитное поле оказывает на петли крутящий момент, который вращает вал. При этом электрическая энергия преобразуется в механическую работу. На рис. 20.23 показан схематический чертеж электродвигателя.

Рисунок 20.23 Крутящий момент в токовой петле. Вертикальная проволочная петля в горизонтальном магнитном поле прикреплена к вертикальному валу. Когда ток проходит через проволочную петлю, на нее действует крутящий момент, заставляющий вращать вал.

Давайте рассмотрим силу, действующую на каждый сегмент петли на рис. 20.23, чтобы найти крутящие моменты, возникающие вокруг оси вертикального вала, — это приведет к полезному уравнению для крутящего момента в петле. Считаем магнитное поле однородным на прямоугольной петле шириной w и высотой ℓ,ℓ, как показано на рисунке. Сначала рассмотрим силу, действующую на верхний сегмент петли. Для определения направления силы воспользуемся правилом правой руки. Ток идет слева направо внутрь страницы, а магнитное поле идет слева направо в плоскости страницы. Согните правые пальцы от текущего вектора к вектору магнитного поля, и ваш правый большой палец указывает вниз. Таким образом, сила на верхнем сегменте направлена ​​вниз, что не создает крутящего момента на валу. Повторение этого анализа для нижнего сегмента — пренебрегая небольшим зазором, где выходят провода — показывает, что сила на нижнем сегменте направлена ​​вверх, снова не создавая крутящего момента на валу.

Рассмотрим теперь левый вертикальный сегмент петли. Снова используя правило правой руки, мы находим, что сила, действующая на этот сегмент, перпендикулярна магнитному полю, как показано на рис. 20.23. Эта сила создает крутящий момент на валу. Повторение этого анализа на правом вертикальном сегменте петли показывает, что сила на этом сегменте направлена ​​в направлении, противоположном силе на левом сегменте, таким образом создавая равный крутящий момент на валу. Таким образом, общий крутящий момент на валу вдвое превышает крутящий момент на одном из вертикальных сегментов петли.

Чтобы найти величину крутящего момента при вращении проволочной петли, рассмотрите рис. 20.24, на котором показан вид проволочной петли сверху. Напомним, что крутящий момент определяется как τ=rFsinθ,τ=rFsinθ, где F — приложенная сила, r — расстояние от оси вращения до места приложения силы, а θ — угол между r и Ф . Обратите внимание, что при вращении петли ток в вертикальных сегментах петли всегда перпендикулярен магнитному полю. Таким образом, уравнение F=IℓBsinθF=IℓBsinθ дает величину силы на каждом вертикальном сегменте как F=IℓB.F=IℓB. Расстояние r от вала до места приложения этой силы составляет w /2, поэтому крутящий момент, создаваемый этой силой, равен

τсегмент=rFsinθ=w/2IℓBsinθ=(w/2)IℓBsinθ.

20.10

Поскольку есть два вертикальных сегмента, общий крутящий момент в два раза больше, или

τ=wIℓBsinθ.τ=wIℓBsinθ.

20.11

Если у нас есть многократная петля с Н витков, мы получаем Н раз больше крутящего момента одиночной петли. Используя тот факт, что площадь петли равна A=wℓ;A=wℓ; выражение для крутящего момента становится равным

τ=NIABsinθ. τ=NIABsinθ.

20,12

Это крутящий момент на петле с током в однородном магнитном поле. Можно показать, что это уравнение справедливо для петли любой формы.

Рисунок 20.24 Вид сверху на проволочную петлю с рис. 20.23. Магнитное поле создает силу F на каждом вертикальном сегменте проволочной петли, которая создает крутящий момент на валу. Обратите внимание, что токи Iin и IoutIin и Iout имеют одинаковую величину, потому что они оба представляют ток, протекающий в проводной петле, но IinIin течет в страницу, а IoutIout выходит из страницы.

Из уравнения τ=NIABsinθ,τ=NIABsinθ видно, что крутящий момент равен нулю, когда θ=0,θ=0. По мере вращения проволочной петли крутящий момент увеличивается до максимального положительного крутящего момента wℓBwℓB, когда θ=90°.θ=90°. Затем крутящий момент снова уменьшается до нуля по мере того, как проволочная петля поворачивается до θ=180°.θ=180°. От θ=180°, θ=180° до θ=360°, θ=360°, крутящий момент отрицательный. Таким образом, крутящий момент меняет знак каждые пол-оборота, поэтому проволочная петля будет совершать возвратно-поступательные колебания.

Чтобы катушка продолжала вращаться в том же направлении, ток меняется на противоположный, когда катушка проходит через θ=0 и θ=180°, θ=0 и θ=180° с помощью автоматических переключателей, называемых щетки , как показано на рисунке 20.25.

Рисунок 20.25 (а) Поскольку угловой момент катушки переносит ее через θ = 0, θ = 0, щетки меняют направление тока, и крутящий момент остается по часовой стрелке. (b) Катушка непрерывно вращается по часовой стрелке, при этом ток меняется на противоположное каждые пол-оборота, чтобы поддерживать крутящий момент по часовой стрелке.

Рассмотрим теперь, что произойдет, если мы запустим двигатель в обратном направлении; то есть мы прикрепляем ручку к валу и механически заставляем катушку вращаться в магнитном поле, как показано на рис. 20.26. Согласно уравнению F=qvBsinθF=qvBsinθ, где θθ — угол между векторами v→v→ и B→—зарядыB→, заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, поскольку они движутся в магнитном поле. Снова используя правило правой руки, когда мы сгибаем пальцы от вектора v→v→ к вектору B→B→, мы обнаруживаем, что заряды в верхнем и нижнем сегментах испытывают силу, перпендикулярную проводнику, которая не вызывает ток . Однако заряды в вертикальных проводах испытывают силы, параллельные проводу, в результате чего ток течет по проводу и через внешнюю цепь, если она подключена. Такое устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую, называется генератором.

Рисунок 20.26 Когда эта катушка поворачивается на четверть оборота, магнитный поток Φ изменяется от своего максимума до нуля, индуцируя ЭДС, которая пропускает ток через внешнюю цепь.

Поскольку ток индуцируется только в боковых проводах, мы можем найти ЭДС индукции, рассматривая только эти провода. Как поясняется в разделе «Индуцированный ток в проводе», ЭДС движения в прямом проводе, движущемся со скоростью 90 129 v 90 130 через магнитное поле 90 129 B 90 130, равна E=Bℓv, E=Bℓv, где скорость перпендикулярна магнитному полю. В генераторе скорость составляет угол θθ с B (см. рис. 20.27), поэтому составляющая скорости, перпендикулярная B , равна vsinθ.vsinθ. Таким образом, в этом случае ЭДС, индуцированная на каждом вертикальном отрезке провода, равна E=Bℓvsinθ, E=Bℓvsinθ, и они имеют одинаковое направление. Суммарная ЭДС вокруг контура тогда равна

E=2Bℓvsinθ.E=2Bℓvsinθ.

20.13

Хотя это выражение справедливо, оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы найти, как изменяется во времени ЭДС, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью ω.ω. Угол θθ связан с угловой скоростью соотношением θ=ωt, θ=ωt, так что

E=2Bℓvsinωt.E=2Bℓvsinωt.

20,14

Напомним, что тангенциальная скорость v связана с угловой скоростью ωω соотношением v=rω.v=rω. Здесь r=w/2r=w/2, так что v=(w/2)ωv=(w/2)ω и

E=2Bℓ(w2ω)sinωt=Bℓwωsinωt. E=2Bℓ(w2ω)sinωt=Bℓwωsinωt.

20,15

Заметив, что площадь петли равна A=ℓwA=ℓw и учитывая N проволочных петель, находим, что

E=NABωsinωtE=NABωsinωt

20,16

— ЭДС, индуцируемая в катушке генератора N витков и площадь A вращающаяся с постоянной угловой скоростью ωω в однородном магнитном поле B . Это также может быть выражено как

E=E0sinωtE=E0sinωt

20,17

где

E0=NABωE0=NABω

20,18

– максимальная (пиковая) ЭДС.

Рисунок 20.27 Мгновенная скорость вертикальных отрезков проволоки составляет угол θθ с магнитным полем. Скорость показана на рисунке зеленой стрелкой, указан угол θθ.

На рис. 20.28 показан генератор, подключенный к лампочке, и график зависимости ЭДС от времени. Обратите внимание, что ЭДС колеблется от положительного максимума E0E0 до отрицательного максимума -E0.-E0. Между ними ЭДС проходит через ноль, что означает, что в эти моменты через лампочку протекает нулевой ток. Таким образом, лампочка на самом деле вспыхивает и гаснет с частотой 2 f , потому что за период приходится два пересечения нуля. Поскольку переменный ток, подобный этому, используется в домах по всему миру, почему мы не замечаем мерцание света? В США частота переменного тока составляет 60 Гц, поэтому лампочки мигают с частотой 120 Гц. Это быстрее, чем частота обновления человеческого глаза, поэтому вы не замечаете мерцания огней. Кроме того, другие факторы препятствуют столь быстрому включению и выключению различных типов лампочек, поэтому светоотдача составляет немного сгладил .

Рисунок 20.28 ЭДС генератора передается на лампочку с показанной системой колец и щеток. На графике показана зависимость ЭДС генератора от времени. E0E0 – пиковая ЭДС. Период равен T=1/f=2π/ω, T=1/f=2π/ω, где f – частота вращения катушки в магнитном поле.

Виртуальная физика

Генератор

Используйте эту симуляцию, чтобы узнать, как работает электрический генератор. Управляйте подачей воды, которая заставляет водяное колесо вращать магнит. Это индуцирует ЭДС в соседней проволочной катушке, которая используется для зажигания лампочки. Вы также можете заменить лампочку вольтметром, который позволяет увидеть полярность напряжения, которая меняется с положительной на отрицательную.

Проверка захвата

Установите количество проволочных петель равным трем, силу стержневого магнита примерно на 50 процентов и площадь петли на 100 процентов. Обратите внимание на максимальное напряжение на вольтметре. Предполагая, что одно основное деление вольтметра равно 5 В, каково максимальное напряжение при использовании только одной проволочной петли вместо трех проволочных?

1. 5 В
2. 15 В
3. 125 В
4. 53 В

В реальной жизни электрические генераторы выглядят совсем иначе, чем на рисунках в этом разделе, но принцип тот же. Источником механической энергии, вращающей змеевик, может быть падающая вода, гидроэнергетика, пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра. Рисунок 20.29показан вид в разрезе паровой турбины; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора.

Рисунок 20.29 Генератор паровой турбины. Пар, образующийся при сжигании угля, воздействует на лопатки турбины, вращая вал, соединенный с генератором. (кредит: Набонако, Викисклад)

Другое очень полезное и распространенное устройство, использующее магнитную индукцию, называется трансформатором. Трансформаторы делают то, что следует из их названия — они преобразуют напряжение из одного значения в другое; термин напряжение используется, а не ЭДС, потому что трансформаторы имеют внутреннее сопротивление. Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие бытовые приборы имеют встроенный трансформатор, который преобразует 120 В или 240 В переменного тока в любое напряжение, используемое устройством. На рис. 20.30 показаны два разных трансформатора. Обратите внимание на проволочные катушки, которые видны в каждом устройстве. Назначение этих катушек объясняется ниже.

Рисунок 20.30 Слева — обычный трансформатор с многослойным сердечником, который широко используется в электропередаче и электроприборах. Справа тороидальный трансформатор, который меньше трансформатора с многослойным сердечником при той же номинальной мощности, но его изготовление дороже из-за оборудования, необходимого для намотки проводов в форме пончика.

На рис. 20.31 показан трансформатор с пластинчатой ​​катушкой, который основан на законе индукции Фарадея и очень похож по конструкции на аппарат, который Фарадей использовал для демонстрации того, что магнитные поля могут генерировать электрические токи. Две проволочные катушки называются первичной и вторичной катушками. При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную обмотку, а вторичная создает преобразованное выходное напряжение. Железный сердечник не только улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, но и его намагничивание увеличивает напряженность поля, что аналогично тому, как диэлектрик увеличивает напряженность электрического поля в конденсаторе. Поскольку входное напряжение переменного тока, через вторичную катушку проходит изменяющийся во времени магнитный поток, индуцирующий выходное напряжение переменного тока.

Рисунок 20.31 Типичная конструкция простого трансформатора состоит из двух катушек, намотанных на ферромагнитном сердечнике. Магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, в основном ограничивается и усиливается сердечником, который передает его вторичной катушке. Любое изменение тока в первичной обмотке индуцирует ток во вторичной обмотке.

Для трансформатора, показанного на рис. 20.31, выходное напряжение VSVS со вторичной обмотки почти полностью зависит от входного напряжения VPVP на первичной обмотке и числа витков в первичной и вторичной обмотках. Закон индукции Фарадея для вторичной катушки дает ее индуцированное выходное напряжение VSVS равным

VS=-NSΔΦΔt,VS=-NSΔΦΔt,

20,19

где NSNS — число витков вторичной обмотки, а ΔΦ/ΔtΔΦ/Δt — скорость изменения магнитного потока. Выходное напряжение равно ЭДС индукции (VS = ES), (VS = ES) при условии, что сопротивление катушки мало — разумное предположение для трансформаторов. Площадь поперечного сечения катушек одинакова с каждой стороны, как и напряженность магнитного поля, поэтому ΔΦ/ΔtΔΦ/Δt одинаково с каждой стороны. Входное первичное напряжение VPVP также связано с изменением потока на

VP=-NPΔΦΔt.VP=-NPΔΦΔt.

20,20

Соотношение этих двух последних уравнений дает полезное соотношение

ВСВП=НСНП(3.07).ВСВП=НСНП(3.07).

20.21

Это известно как уравнение трансформатора. В нем просто говорится, что отношение вторичного напряжения к первичному напряжению в трансформаторе равно отношению количества витков во вторичной обмотке к количеству витков в первичной обмотке.

Передача электроэнергии

Трансформаторы

широко используются в электроэнергетике для повышения напряжения (так называемые повышающие трансформаторы ) перед передачей на большие расстояния по высоковольтным проводам. Они также используются для снижения напряжения — так называемые понижающие трансформаторы — для подачи электроэнергии в дома и на предприятия. Подавляющее большинство электроэнергии вырабатывается с помощью магнитной индукции, при которой проволочная катушка или медный диск вращаются в магнитном поле. Первичная энергия, необходимая для вращения катушек или диска, может быть обеспечена различными способами. Гидроэлектростанции используют кинетическую энергию воды для привода электрогенераторов. Угольные или атомные электростанции производят пар для привода паровых турбин, которые вращают змеевики. Другие источники первичной энергии включают ветер, приливы или волны на воде.

После выработки электроэнергии ее необходимо передать потребителю, что часто означает передачу мощности на сотни километров. Для этого напряжение силовой установки повышают повышающим трансформатором, то есть ступенчато, а ток уменьшается пропорционально т.к.

Pпередача=IпередачаVпередача⋅Pпередача=IпередачаVпередача⋅

20,22

Меньший ток IпередачаIпередача в проводах передачи уменьшает Джоулевые потери , то есть нагрев провода из-за протекания тока. Этот нагрев вызван малым, но отличным от нуля сопротивлением проводов передачи RwireRwire. Мощность, потерянная в окружающую среду за счет этого тепла, равна

.

Plost=Itransmitted2Rwire,Plost=Itransmitted2Rwire,

20,23

, что пропорционально току в квадрате в проводе передачи. Поэтому передаваемый ток Iпередача Iпередача должна быть как можно меньше и, следовательно, напряжение должно быть большим для передачи мощности Pпередачи⋅Pпередачи⋅

Напряжение от 120 до 700 кВ используется для передачи электроэнергии на большие расстояния. Напряжение повышается на выходе электростанции с помощью повышающего трансформатора, как показано на рис. 20.32.

Рисунок 20.32 Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках системы распределения электроэнергии. Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжении от 120 до 700 кВ для ограничения потерь энергии. Местное распределение электроэнергии в районы или предприятия проходит через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния при напряжении от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для обеспечения безопасности на объекте отдельного пользователя.

Как только электроэнергия поступает в населенный пункт или промышленный центр, напряжение на подстанции снижается до 5–30 кВ. Наконец, в отдельных домах или на предприятиях мощность снова снижается до 120, 240 или 480 В. Каждое повышающее и понижающее преобразование выполняется с помощью трансформатора, разработанного на основе закона индукции Фарадея. Мы прошли долгий путь с тех пор, как королева Елизавета спросила Фарадея, как можно использовать электричество.

Проверьте свое понимание

7.

Что такое электродвигатель?

1. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую.

2. Электродвигатель преобразует механическую энергию в электрическую.

3. Электродвигатель преобразует химическую энергию в механическую.

4. Электродвигатель преобразует механическую энергию в химическую.

8.

Что произойдет с крутящим моментом электродвигателя, если удвоить количество витков в двигателе?

1. Крутящий момент будет удвоен.

2. Крутящий момент уменьшился бы вдвое.

3. Крутящий момент увеличился бы в четыре раза.

4. Крутящий момент увеличился бы втрое.

9.

Что такое повышающий трансформатор?

1. Повышающий трансформатор уменьшает ток для передачи мощности на короткие расстояния с минимальными потерями.

2. Повышающий трансформатор увеличивает ток для передачи мощности на короткие расстояния с минимальными потерями.