Устройство и принцип работы электродвигателя переменного тока

Содержание

• 1 Электрические двигатели: разновидности
  • 1.1 Коллекторные двигатели
  • 1.2 Асинхронные двигатели
  • 1.3 Синхронные двигатели
• 2 Как работают электрические двигатели
  • 2.1 Асинхронные двигатели
• 3 Работа синхронных двигателей

Двигатели электрические выпускают синхронные, асинхронные, коллекторные, каждому присущи особенности работы. Минус большой: сеть интернет дает скудные представления о различиях в работе, принципе действия. Можем читать обзоры про синхронные электродвигатели, не понять в итоге главного: нюансов! Почему на ГЭС используются такие генераторы, в быту моторов-зеркал не видно (двигатель переменного тока обратим)?

Электрические двигатели: разновидности

Сразу скажем, не ставили целью довести вниманию читателей исчерпывающую информацию по указанной теме. Невозможно объять необъятное. Будут рассматриваться случаи, опущенные литературой. Информация вроде выложен, систематизировать издателям недосуг. Поможем понять, как функционируют виды электродвигателей. Начнем простым перечислением.

Двигатель коллекторного типа

Коллекторные двигатели

Часто путают с синхронными. Обнаруживаются угольные щетки. Этим сходство ограничивается, частота вращения коллекторных двигателей меняется в широких пределах, каждый может лицезреть на примере стиральной машины. Управление скоростью осуществляется путем коммутации обмоток, подстройкой значения действующего напряжения (изменяется угол отсечки вольтажа промышленной частоты).

Главным отличием устройств является наличие коллектора. Своеобразная секционная конструкция, насаженная на вал. Составлена множеством катушек, равномерно идущих кругом. Коллектор обеспечивает последовательную коммутацию, чтобы поле постепенно двигалось вкруг вала. Цепляясь за статор, ротор начинает движение.

К недостаткам коллекторных двигателей причисляют хрупкость (для промышленности). В быту тип устройств доминирующие. Простым путем осуществляется регулировка скорости (отсечкой части периода синусоиды). Коллекторных двигателей видим другие минусы/плюсы, упоминали ранее, сейчас изучим особенности. Наличие на валу секционированного барабана.

Можно поставить вместо него магнит, вращать поле статора? Да, получим синхронный двигатель (типичный пример – помпы стиральных машин). Можно питать обмотку постоянным током, вращать поле статора? Да, будет синхронный двигатель. Видите, коллектор однозначно дает понять тип устройства.

Асинхронные двигатели

Чаще применяются промышленностью. Получаем простоту конструкции, кучу плюшек. Ударопрочность, вибропрочность: отсутствие угольных щеток. Взамен получается кипа конструкций. Семейство самое многочисленное.

Асинхронный двигатель

Во-первых, ротор. Может быть короткозамкнутым, фазным. Первое означает: на вал насажена конструкция (для уменьшения веса силуминовая), где вставлены прожилки меди. Закорочено периметром двумя кольцами. Получается барабан, иногда называемый беличьей клеткой.

Возникает поле под действием вращающейся ЭДС статора, в отличие от коллекторных запуск асинхронных двигателей постоянным током не производят. Вторичное отличие. Первичное назвали: к ротору не подходят контакты (исключая пусковой реостат), вал увенчан беличьей клеткой, вывод о принадлежности однозначный. Что касается фазных асинхронных машин, питание катушек ротора производится через токосъемные кольца. Вал подхватывается, постепенно набирает обороты.

Синхронные двигатели

Тип устройств, составить понятие о котором, согласно заметкам сети попросту невозможно. Отличие простое: поле настолько сильное, что захватывается без проблем, не проскальзывает, как в случае с асинхронными или (в меньшей степени) коллекторными двигателями. Обеспечивается постоянным магнитом чаще, либо обмотка возбуждения находится на роторе. Статор снабжается переменным напряжением нужной частоты.

Скорость вращения зависит от частоты сети питания. Полюсов только два, поэтому составляет 25 Гц (1500 об/мин). Черта, по которой можно предположить: видим синхронный двигатель – кратное, целое число. Ключевым является совпадение скорости вращения вала и частоты напряжения питания. Многое зависит от количества полюсов. Например, на ГЭС генераторы работают на частоте вала 1-2 Гц, промышленные 50 Гц получаются путем намотки многочисленных катушек статора, соединенных параллельно.

Как работают электрические двигатели

Асинхронные двигатели

Кратенько описали внешние отличия электрических двигателей, теперь пара слов по поводу устройства и функционирования. Асинхронные двигатели при помощи статора создают по оси вращающееся магнитное поле. Барабан беличьей клетки редко изготавливается из ферромагнитных материалов (если вообще имеет место быть). В противном случае нагрев вышел бы значительным. Фактически получается индукционная печь.

Силуминовый барабан вдоль линий магнитного поля содержит медные проводники. Разница в проводимости такова, что не проводится изоляции: ток несут красно-коричневые жилы. Поле, индуцированное статором ЭДС, слабое. Применяются специальные меры, помогающие разогнать вал. Магнитное поле ротора плохо цепляется, асинхронный двигатель стоит столбом. Действенная мера противодействия проблеме ограничивается созданием двойной беличьей клетки: вдоль барабана проходит на некоторой глубине второй ряд медных жил. Объединены торцами единой сетью.

На запуске частота тока, глубина проникновения поля велики. Включаются в работу оба слоя беличьей клетки. По мере разгона разница нивелируется, падает до нуля. Амплитуда поля снижается, рабочим остается внешний слой беличьей клетки. Обратите внимание, догнать поле ротор бессилен, проскальзывает, запаздывает. Поэтому двигатели получили название асинхронных. Англичане делают проще – зовут индукционными.

Если поле вращать со скоростью ротора, ЭДС перестает наводиться. Последует замедление, цикл повторится, начавшись разгоном. Ротор по-прежнему будет отставать от поля. Так работает устройство короткозамкнутого типа. Фазный ротор (спасибо Википедия), содержащий трехфазную обмотку, выполняет несколько функций, согласно назначению устройства:

• Подпитывается электричеством через кольцо токосъемника. Теперь ротор получает фазу и наводит на статоре ЭДС. Постепенно вал подхватывается полем, дальнейший процесс описан выше.
• Подпитывается постоянным током. Образуется синхронный двигатель.
• Снабжается реостатами, дросселями, регулирующими скорость.
• Реализует управление инвертором (усложненный первый случай).

Принцип действия асинхронных двигателей: используется наведенная ЭДС, скорость вращения неспособна догнать поле (пропадают токи). Иначе тип мотора меняется (синхронный). Для регуляции скорости часто используется амплитуда питающего напряжения. Способ годится двигателям асинхронного типа с короткозамкнутым, фазным ротором. Перечислим методики:

Работа двигателя переменного тока

• Для машин с короткозамкнутым ротором годятся:
  1. Регулирование частоты напряжения питания.
  2. Изменение числа пар полюсов статора. В результате меняется скорость вращения поля, давая нужный эффект.
• Для машин с фазным ротором допускается:
  1. Вводить реостат в цепь питания. Растут потери на скольжение, закономерно изменяя скорость.
  2. Применять специальные вентили. Энергия скольжения выпрямляется схемой Ларионова, подается в виде постоянного напряжения вспомогательному электрическому двигателю, нарезающему импульсы через управляемые извне тиристоры. Мощность, которая обычно терялась бы, возвращается. Через вал вспомогательного двигателя, трансформатор, обмотки которого частично включены в сеть питания. Управление скоростью выполняют внедрением дополнительной ЭДС. Делается либо напрямую (через источник питания), либо сдвигом угла включения тиристоров относительно питания. Частота отклоняется от номинала.
  3. Двигатель двойного питания является вариантом реализации регулировки скорости в оборудовании с фазным ротором. Тип чаще применяется для реализации схем генераторов. Ротор уплывает частотой вращения – двигатель все-таки асинхронный. Статор, ротор питаются отдельно. Позволяет для каждой обмотки задавать частоту, закономерно приводит к нужным изменениям скорости.

Асинхронным двигателям годится изменение амплитуды питания. Наибольшим КПД обладают вентильные схемы, самые дорогие.

Двигатель асинхронного типа

Работа синхронных двигателей

Проходились по коллекторным двигателям – рассказывали, как конструировать – поэтому пропускаем сегодня семейство. Бессильны иначе рассказать вещи гораздо интереснее: ведется много споров на форумах. Собираемся рассмотреть не совсем синхронные двигатели – генератор. Наподобие украшающих ГЭС.

Вы никогда не задумывались, как регулируется скорость вращения турбины, когда на лопасть падает поток воды? Створками направляющего аппарата? Нет. Генератор требует подпитки не только постоянным током, но и переменным. Первое подаётся на ротор, а второе – на статор. В результате вал не мог бы даже стронуться с места, но ему помогает вода. А вот энергия торможения потока уже преобразуется в ЭДС рабочих катушек статора, намотанных рядом со вспомогательными.

Фактически имеем на руках устройство электродвигателя переменного тока, среди обмоток большая часть генерирующих, снимается частота 50 Гц. Синхронность обеспечивается питающими напряжениями. Если вода слишком напирает, ток возбуждения растет, срыв оборотов предотвращается. Параллельно увеличивается выходная мощность электростанции. Частота определяет характеристики снимаемого напряжения, касательно номинала 50 Гц не допускаются отклонения более долей процента (0,1%).

Вал вращается со скоростью 1-2 оборота в секунду. Многочисленными генераторными обмотками, соединенными параллельно образует нужную форму синусоиды. Подчеркиваем, частота поддерживается напряжением возбуждения, следовательно, именно к нему и предъявляются повышенные требования. Требуется получить больше мощности электростанции, просто заслонки направляющего аппарата приоткрываются, масса воды начинает падать вниз. Лопасть быстрее не двигается, увеличивается ток возбуждения, закономерно вызывает возникновение более сильных полей.

Принцип действия электродвигателя переменного тока копирует сказанное, отсутствуют генераторные обмотки. Требуется получить больше мощности – увеличьте напряжение возбуждения, амплитуду по цепи питания. Усиливается сцепление полей, исключая проскальзывание. Понятно, большая масса вала неспособна набрать за мгновение 50 Гц (и не набирает), оборудование, изготовленное правильно, за короткий период достигает режима. Скорость зависит от количества полюсов.

Не успели сегодня рассмотреть технические характеристики электродвигателей переменного тока, многократно делали прежде, применительно к различного рода устройствам. Полагаем,  в будущем обзоры могут вновь повернуться к теме бушпритом.

Как работает электродвигатель [для чайников]

Сегодня электродвигатели всё чаще приходят на замену безнадежно устаревшим бензиновым агрегатам и используются как в современном транспорте, так и в многочисленных электронных устройствах. Примеры использования этих силовых агрегатов можно встретить повсюду. Вибровызов в телефоне осуществляется благодаря работе электродвигателя, современный электровелосипед тоже едет благодаря электродвигателю и даже «любимое» метро — всё это электродвигатели.

Разновидностей электродвигателей сегодня существует огромное количество, но есть один важный фактор, который будет практически для всех них схожим. Речь идёт о физике работы этого типа устройств. Отметим, что далеко не все они будут использовать в своей работе описываемый далее принцип, но большая часть электродвигателей работают именно так. Как минимум, физический эффект, на котором всё это держится, сохраняется. Прежде, чем обсуждать подробно физику процесса, благодаря которому происходит вращение электродвигателя, рассмотрим сначала конструкцию простейшего двигателя.

Конструкция простейшего электродвигателя

Простейший электродвигатель

Опять-таки, отметим, что рассматриваемая конструкция — это далеко не единственный вариант реализации подобных устройств. Однако, большая часть приборов работает именно так и среди бытовых приборов или в транспорте вы вряд ли обнаружите что-то другое. Поэтому, рассмотрим простейшую схему и элементарный вариант реализации прибора.

Конструкция самого простого электродвигателя является довольно примитивной. Он состоит из статора и ротора. Всё это убрано в корпус и подсоединяется проводами к источнику электрической энергии. Ещё есть подшипники, но это вещь сугубо механическая и нас сейчас не особенно интересует.

Части двигателя

Статор — это неподвижная часть. Преимущественно неподвижная часть представлена постоянными магнитами. Но бывает и обратный вариант, когда на статоре выполнена обмотка. Различие обусловлено тем, в сети какого типа работает двигатель — постоянного или переменного тока.

Ротор — это подвижная часть, которая, как правило является якорем, а на нем выполнена обмотка. К ротору подходят щётки, на которые подается электрический ток.

Щетки подключаются проводами к источнику питания. Именно они «передают электричество». Но щетки есть не во всех конструкциях двигателей.

Вся конструкция смонтирована в корпус и в закрытом виде представляет собой готовый к работе силовой агрегат. Иногда на ротор двигателя ещё добавляется крыльчатка вентилятора, которая обеспечивает циркуляцию воздуха через агрегат и его дополнительное охлаждение. Так обычно монтируются двигатели постоянного тока.

На валу двигателя мы получаем крутящий момент, который прекрасно можно использовать для своих нужд. Например, передать его посредством зубчатой передачи на редуктор или использовать непосредственно для получения полезной работы (как в вентиляторе дома).

Женщина доила корову, а воде отражалось всё наоборот. Такое может быть и с конструкцией электродвигателя. Тогда намотка там будет на статоре, вместо ротора. Это уже будут двигатели переменного тока. Сам же ротор будет выполнен или из постоянных магнитов, или выглядеть как короткозамкнутая клетка (её ещё именуют беличье колесо).

Бывает также, что и статор, и ротор электродвигателя представляют собой обмотки. Тогда картина незначительно меняется. Правда смысл всё равно сохраняется прежним. Про принципы конструирования таких машин мы поговорим чуть позже.

Принцип работы любого электродвигателя

Физический принцип работы электродвигателя держится на свойствах рамки с током в магнитном поле. Самое простое объяснение эффекта будет поверхностным, но ясным. Вспомните, как ведут себя два магнита, которые мы сводим одноименными полюсами. Они отталкиваются! При некотором приближении, можно сказать, что это и есть физический принцип работы любого электродвигателя. Для начала советую изучить мою статью про электромагнитную индукцию на сайте.

Тем или иным способом нам нужно создать два магнитных поля, которые оттолкнут друг друга. Если одно поле создать на крутящемся якоре, а второе на корпусе или статоре, то одно поле будет толкать другое, а движение будет превращаться в крутящий момент и получится двигатель. Дальше остается только поиграться с конструкцией. И таких конструкций известно много, но мы обсудим самые распространенные. Это двигатель постоянного тока и двигатель переменного тока. Последний вариант разделяют на синхронные и асинхронные.

Физический принцип работы электродвигателя постоянного тока

Если мы вспомним закон Ампера, то будет понятно, что на проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила. Именно это обстоятельство позволяет получить вращающийся якорь.

Вспомним самый простой опыт, который показывают школьникам. Рамку с током помещают в магнитное поле и она начинает двигаться. Правда двигается она недолго, а скорее дергается. Всему виной несовпадение векторов. Размести мы магниты слегка иначе и получили бы постоянное движение.

Силы Ампера, действующие на боковые стороны рамки, будут создавать вращающий момент, величина которого пропорциональна магнитной индукции, силе тока в рамке, ее площади S и зависит от угла a между вектором магнитной индукции и нормалью к рамке.

Рамка с током в магнитном поле

В представленной ситуации рамка будет вращаться только тогда, когда вектора Fа будут не деформировать её, а придавать вращательное движение.

Вот так крутится рамка

Для этого в данном примере рамку нужно повернуть на 90 градусов. Теперь представим, что якорь нашего двигателя весь состоит из таких рамок, их очень много. Это улучшит процесс движения.

Вот и получился самый простой электрический двигатель постоянного тока.

Теперь представим, как будет выглядеть поведение такого двигателя при включении в цепь с переменным током. Он начнет танцевать в разные стороны. Ведь переменный электрический ток отличается тем, что регулярно меняет своё направление. Рамка с током, через которую он проходит, будет также менять направление своего движения. Крутиться равномерно такая штука не сможет. Поэтому, в переменных сетях используется двигатели переменного тока. Двигатель постоянного тока конечно же сможет работать в переменной сети, но для этого нужно использовать выпрямитель перед ним.

Правда бывают и универсальные электродвигатели, которые одинаково комфортно юзаются и там, и там. Но про это чуть позже.

Физический принцип работы электродвигателя переменного тока

Тут логика работы строится немного иначе. Обмотка у нас находится на статоре. А вот ротор представляет собой сердечник со специальной замкнутой рамкой или постоянными магнитами. Так проще обыграть постоянную смену направления тока.

Если двигатель переменного тока однофазный (или, правильнее сказать, может работать в нашей электрической цепи на 220 В) , то в обмотке статора при прохождении тока создается пульсирующее магнитное поле. Это поле раскладывается на два поля, имеющих равные амплитуды и вращающиеся в противоположные стороны с одинаковой частотой. Для разложения мы просто делаем замкнутый контур и получаем, что по одной части контура ток идёт в одну сторону, а по другой — в противоположную. Вот вам и момент, который крутанет рамку с током. А точнее — ротор определенной конструкции. Дальше обмотку статора «разносят» на 180 градусов и получают рабочую схему.

Поскольку полярность тока на статоре постоянно меняется, получается что генерируемое магнитное поле тоже меняет направление и регулярно, в соответствии с фазой колебания, «даёт пинок» нашему якорю. Этот процесс и порождает непрерывное равномерное движение ротора. Но есть тут один прикол!

Если двигатель однофазный, то прежде, чем он начнет работать, его ротор нужно крутануть. Или же магнитное поле так и будет пульсировать, а ротор так и будет стоять. Для этого обычно используется дополнительная обмотка или прочие ухищрения. Для создания вращающегося магнитного поля необходимо, чтобы магнитный поток через пусковую обмотку был сдвинут по фазе относительно рабочей. Но про это как-нибудь в другой раз.

Отметим, что этого недуга лишены трехфазные двигатели переменного тока. Там всё тоже самое, но поскольку у нас есть три разных фазы с разными точками максимальных значений относительно времени, в статоре создается вращающееся магнитное поле.

Оно начинает бегать по кругу, а заодно пинает ротор. Этот процесс и порождает непрерывное равномерное движение ротора. Тут уже не нужно никакое возбуждение, потому что ротор будет регулярно пинаться по кругу, как карусель, раскручиваемый детьми.

Синхронный и асинхронный двигатели переменного тока

Двигатели переменного тока подразделяют на синхронные и асинхронные. Для постоянного тока это разделение не имеет особого смысла. Ведь там нет как такового понятия фаза и изменения направления тока.

Логика работы в обоих двигателях одинаковая. Но, судя по названию, в асинхронном что-то должно происходить ни в такт с основным процессом.

Синхронный и асинхронный двигатели отличаются преимущественно конструкцией ротора.

В роторе синхронного двигателя предусмотрена обмотка с независимой подачей напряжения или постоянные магнитики. Они толкают ротор относительно пульсирующего магнитного поля.

Ротор синхронного двигателя

У асинхронного ротора ток формируется с помощью магнитного статорного поля. В соответствии с законом электромагнитной индукции под действием прямого и обратного магнитных потоков в обмотке ротора станет действовать электродвижущая сила. Ротор похож по своей конструкции на колесо для грызуна. Но бывают и варианты с обмоткой, расположенной определенным образом.

Ротор асинхронного двигателя

В синхронном двигателе поля статора и ротора взаимодействуют друг с другом и имеют равную скорость. Ротор вращается в соответствии и точно в такт с полем статора. Частота вращения ротора синхронна частоте тока обмотки статора.

У асинхронных агрегатов имеет место разность магнитного поля роторного и статорного механизма на величину скольжения. Это то самое проскальзывание. Обороты асинхронного двигателя под нагрузкой всегда на величину скольжения отстают от вращения магнитного поля статора.

Не забываем, что обмотка ротора асинхронного двигателя, будь-то клетка или катушки под 120 градусов, является замкнутым контуром. В ней наводится ЭДС, а возникающий магнитный поток придает вращение ротору, отталкиваясь от пульсирующего магнитного поля статора. Движется эта кухня в направлении движения магнитного потока статора. Вращающий электромагнитный момент пытается уравнять скорости вращения магнитных полей статора и ротора, но это не всегда получается (а лучше сказать — никогда). Ведь уровнять эти моменты можно лишь в случае, если создавать поля одновременно, как в синхронном двигателе. Также влияет механическая нагрузка, которая подключена к валу ротора и мешает догнать поле. Но и в свободном состоянии эти цифры будут различаться. Ведь у любого механизма имеется некоторая инертность, а на время появления поля в замкнутой клетке (т.е. роторе асинхронного двигателя) тоже требуется время.

Вообщем-то, это основные вещи, которые вам следует уяснить. Всё остальное — это погружение в особенности конструкций конкретных агрегатов.

Поделиться:

Что такое двигатель переменного тока и как он работает?

Большинство приборов, оборудования и инструментов, которыми мы ежедневно пользуемся, приводятся в действие двигателем переменного тока. Все, что можно подключить, скорее всего, будет питаться от двигателя переменного тока. Вот почему двигатели переменного тока можно назвать сердцем многих машин, которые мы используем каждый день. Это источник питания для различных применений благодаря своей гибкости, эффективности и бесшумной работе.

Двигатель переменного тока

Двигатель переменного тока представляет собой тип электродвигателя, в котором используется явление электромагнитной индукции. Переменный ток приводит в движение этот электродвигатель. Это тип электрического тока, который периодически меняет направление и непрерывно меняет свою величину со временем.

Этот ток отличается от постоянного тока, который течет только в одном направлении. Двигатель переменного тока может предложить сравнительно эффективный метод производства механической энергии из простого электрического входного сигнала.

Двигатель переменного тока обычно состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статор остается снаружи, что является неподвижной частью двигателя. Он имеет катушки и питается переменным током для создания вращающегося магнитного поля.

Ротор остается внутри, это вращающаяся часть двигателя. Он создает второе вращающееся магнитное поле, будучи прикрепленным к выходному валу. Постоянные магниты, магнитное сопротивление или электрическая обмотка могут создавать магнитное поле ротора.

Как работает двигатель переменного тока?

Чтобы понять, как именно работает двигатель переменного тока, нам нужно знать его основные характеристики. Двигатель переменного тока отличается от многих других типов двигателей, особенно двигателей постоянного тока. Но основной причиной этого является тот факт, что он работает исключительно на переменном токе.

Переменный ток или заряд – это ток, направление потока которого по цепи через равные промежутки времени меняется на противоположное. Это также означает, что напряжение в цепи переменного тока периодически изменяется, тогда как в цепи постоянного тока остается относительно постоянным.

Теперь двигатель переменного тока использует устройство, называемое генератором переменного тока, для создания переменного направления заряда. Это специализированный тип электрического генератора. Когда электричество проходит через вращающийся вал, в этом генераторе обычно создается ротор, электромагнитное поле или ЭДС.

Тем временем статор вращается вокруг себя или в наборе статических проволочных катушек. Когда ротор вращается относительно статора, результирующая ЭДС меняет направление или полярность в заданных точках относительно статора.

Это происходит потому, что заряженный ротор вращается вокруг неподвижной оси. В результате переключения полярности периодическое изменение направления тока в двигателе переменного тока происходит через регулярные и предсказуемые промежутки времени. Все это можно сравнить с поршнем или лопастью, которая перемещает воду по системе воздуховодов.

Когда поршень перемещает воду внутрь и наружу с постоянной скоростью, он по очереди толкает воду вперед и назад по каналу.

Заключение

Несмотря на то, что двигатель переменного тока имеет простую конструкцию, аналогичную магнитному приводу – статор с медной обмоткой и роторный механизм. Но двигатель переменного тока — это недорогой и высокоэффективный механизм, используемый во многих приложениях. Везде, где используются электроприборы, двигатель переменного тока находит применение в тяжелых промышленных и бытовых условиях, независимо от его типов и категорий.

Читайте также

Асинхронные двигатели переменного тока | Как работают двигатели переменного тока

Асинхронные двигатели переменного тока | Как работают двигатели переменного тока — объясните это

Вы здесь: Домашняя страница > Электричество и электроника > Асинхронные двигатели

• Дом
• Индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 26 января 2023 г.

Вы знаете, как работают электродвигатели? Ответ, вероятно, да и нет! Хотя многие из нас узнали, как основные моторные работы, из простых научных книг и веб-страниц, таких как эта, многие из двигатели, которые мы используем каждый день — во всем, от заводских машин до электрички — вообще так не работают. Что за книги расскажите нам о простых двигателях постоянного тока (DC), которые имеют петля из проволоки, вращающаяся между полюсами постоянного магнита; в реальной жизни, большинство мощных двигателей используют переменный ток (AC) и работают совершенно по-другому: это то, что мы называем индукционными двигатели, и они весьма изобретательно используют вращающееся магнитное поле. Давайте посмотрим поближе!

Фото: Электромагнетизм, создаваемый катушками из плотно намотанной медной проволоки, — это «мощность» асинхронных двигателей переменного тока. Фото Тейлора Л. Джексона предоставлено ВМС США и Wikimedia Commons.

Содержимое

1. Как работает обычный двигатель постоянного тока?
2. Как работает двигатель переменного тока?
3. Как работает асинхронный двигатель переменного тока?
4. Асинхронные двигатели на практике
5. Преимущества и недостатки асинхронных двигателей
6. Кто изобрел асинхронный двигатель?
7. Узнать больше

Как работает обычный двигатель постоянного тока?

Простые двигатели, описанные в научных книгах, основаны на кусок проволоки, согнутый в прямоугольную петлю, которая подвешивается между полюса магнита. (Физики назвали бы это проводник с током, находящийся в магнитном поле.) Когда вы подключаете такой провод к батарее, через него протекает постоянный ток, создавая вокруг него временное магнитное поле. Это временное поле отталкивает исходное поле от постоянного магнита, в результате чего проволока перевернуть.

Обычно провод останавливается в этой точке, а затем снова переворачивается, но если мы используем остроумное вращающееся соединение называется коммутатором, мы можем менять направление тока каждый раз, когда проволока переворачивается, и это означает, что проволока будет продолжать вращаться в в том же направлении, пока течет ток.

Это Суть простого электродвигателя постоянного тока, который был задуман в 1820-е годы Майкла Фарадея и превратилось в практическое изобретение о десять лет спустя Уильям Стерджен. (Более подробную информацию вы найдете в нашей вводной статье об электродвигателях.)

Рисунок: Электродвигатель постоянного тока основан на петле из проволоки, вращающейся внутри фиксированного магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом. Коммутатор (разрезное кольцо) и щетки (угольные контакты коммутатора) меняют направление электрического тока каждый раз, когда провод переворачивается, благодаря чему он вращается в том же направлении.

Прежде чем мы перейдем к двигателям переменного тока, давайте быстро обобщить, что здесь происходит. В двигателе постоянного тока магнит (и его магнитное поле) фиксируется на месте и образует внешнюю, статическую часть двигатель (статор), а катушка провода, несущая электрический ток формирует вращающуюся часть двигателя (ротор). Магнитное поле исходит от статора, который представляет собой постоянным магнитом, пока вы подаете электроэнергию на катушку, которая составляет ротор.

Взаимодействие между постоянными магнитными поле статора и временное магнитное поле, создаваемое ротором что заставляет двигатель крутиться.

Рекламные ссылки

Как работает двигатель переменного тока?

В отличие от игрушек и фонариков, в большинстве домов, офисов, заводы и другие здания не питаются от маленьких батареек: они питаются не от постоянного тока, а от переменного (AC), который меняет свое направление примерно 50 раз в секунду (с частотой 50 Гц). Если вы хотите, чтобы двигатель работал от бытовой сети переменного тока, вместо батареи постоянного тока нужна другая конструкция двигателя.

В двигателе переменного тока есть кольцо электромагнитов расположены снаружи (составляя статор), которые предназначены для создания вращающегося магнитного поля. Внутри статора есть сплошная металлическая ось, проволочная петля, катушка, беличья клетка из металлических стержней и межсоединений (например, вращающиеся клетки, которые люди иногда развлекают домашними мышами), или какая-либо другая свободно вращающаяся металлическая деталь, которая может проводить электричество. В отличие от двигателя постоянного тока, где вы отправляете энергию на внутреннюю ротор, в двигателе переменного тока вы отправляете мощность на внешние катушки, которые составляют статор. Катушки запитываются попарно, последовательно, создавая магнитное поле, которое вращается вокруг двигателя снаружи.

Фото: Обычный асинхронный двигатель переменного тока со снятым корпусом и ротором, видны медные обмотки катушек, составляющих статор (статическая, неподвижная часть двигателя). Эти катушки предназначены для создания вращающегося магнитного поля, которое вращает ротор (подвижную часть двигателя) в пространстве между ними. Фото Дэвида Парсонса предоставлено Министерством энергетики США/NREL.

Как это вращающееся поле заставляет двигатель двигаться? Помните, что ротор, подвешенный внутри магнитное поле, является электрическим проводником. Магнитное поле постоянно меняется (потому что оно вращается), поэтому согласно законам электромагнетизма (закону Фарадея, если быть точным), магнитное поле производит (или индуцирует, используя термин Фарадея) электрический ток внутри ротора. Если проводник представляет собой кольцо или проволоку, ток течет по нему по петле. Если проводник представляет собой просто цельный кусок металла, вокруг него закручиваются вихревые токи. В любом случае индуцированный ток производит свое собственного магнитного поля и, согласно другому закону электромагнетизма (закон Ленца) пытается остановить то, что его вызывает — вращающееся магнитное поле — также вращением. (Вы можете думать о роторе отчаянно пытаясь «догнать» вращающееся магнитное поле, чтобы устранить разница в движении между ними.) Электромагнитная индукция является ключом к тому, почему такой двигатель вращается, и поэтому он называется асинхронным двигателем.

Фото: Эффективный асинхронный двигатель переменного тока. Фото Аль Пуэнте любезно предоставлено НРЕЛ.

Как работает асинхронный двигатель переменного тока?

Вот небольшая анимация, чтобы подвести итог и, надеюсь, сделать все понятным:

1. Две пары катушек электромагнитов, показанные здесь красным и синим цветом, по очереди питаются от источника переменного тока (не показан, но входит в провода справа).
   Две красные катушки соединены последовательно и запитываются вместе, а две синие катушки подключены одинаково. Поскольку это переменный ток, ток в каждой катушке не включается и не выключается резко (как показано на этой анимации), а плавно возрастает и падает в форме синусоиды: когда красные катушки наиболее активны, синие катушки полностью неактивны, и наоборот. Другими словами, их токи не совпадают (90° не по фазе).
2. Когда катушки находятся под напряжением, магнитное поле, которое они создают между ними, индуцирует электрический ток в роторе. Этот ток создает собственное магнитное поле, которое пытается противодействовать тому, что его вызвало (магнитному полю внешних катушек). Взаимодействие между двумя полями заставляет ротор вращаться.
3. Поскольку магнитное поле чередуется между красной и синей катушками, оно эффективно вращается вокруг двигателя. Вращающееся магнитное поле заставляет ротор вращаться в том же направлении и (теоретически) почти с той же скоростью.

Асинхронные двигатели на практике

Что управляет скоростью двигателя переменного тока?

Фото: Частотно-регулируемый двигатель. Фото Уоррена Гретца предоставлено НРЕЛ.

В синхронных двигателях переменного тока ротор вращается точно с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле; в асинхронном двигателе ротор всегда вращается с меньшей скоростью, чем поле, что делает его примером так называемого асинхронного двигателя переменного тока. Теоретическая скорость ротора асинхронного двигателя зависит от частоты сети переменного тока и количества витков, составляющих статор, и при отсутствии нагрузки на двигатель приближается к скорости вращающегося магнитного поля. На практике нагрузка на двигатель (что бы он ни приводил) также играет роль, замедляя ротор. Чем больше нагрузка, тем больше «скольжение» между скоростью вращающегося магнитного поля и фактической скоростью вращения ротора. Чтобы контролировать скорость двигателя переменного тока (заставить его работать быстрее или медленнее), вы должны увеличить или уменьшить частоту источника переменного тока, используя так называемый частотно-регулируемый привод.

Таким образом, когда вы регулируете скорость чего-то вроде фабричной машины, питаемой от асинхронного двигателя переменного тока, вы на самом деле управляете цепью, которая повышает или понижает частоту тока, приводящего в движение двигатель.

Что такое «фаза» двигателя переменного тока?

Мы не обязательно должны управлять ротором с четырьмя катушками (две противоположные пары), как показано здесь. Можно построить асинхронные двигатели с любым другим расположением катушек. Чем больше у вас катушек, тем плавнее будет работать двигатель. Количество отдельных электрических токов, питающих катушки независимо, не синхронно, известно как фаза двигателя, поэтому показанная выше конструкция представляет собой двухфазный двигатель (с двумя токами, питающими четыре катушки, которые работают не синхронно в двух парах). ). В трехфазном двигателе у нас может быть три катушки, расположенные вокруг статора треугольником, шесть равномерно расположенных катушек (три пары) или даже 12 катушек (три набора по четыре катушки) с одной, двумя или четырьмя катушками.

включается и выключается одновременно тремя отдельными противофазными токами.

Анимация: трехфазный двигатель, работающий от трех токов (обозначен красным, зеленым и синие пары катушек), сдвинутые по фазе на 120°.

Преимущества и недостатки асинхронных двигателей

Преимущества

Самым большим преимуществом асинхронных двигателей переменного тока является их простота. У них есть только одна движущаяся часть, ротор, что делает их недорогими, тихими, долговечными и относительно безотказными. ОКРУГ КОЛУМБИЯ двигатели, напротив, имеют коллектор и угольные щетки, которые изнашиваются выходят из строя и время от времени нуждаются в замене. Трение между щетками и коммутатор также делает двигатели постоянного тока относительно шумными (а иногда даже довольно вонючими). [1]

Произведение искусства: Электродвигатели чрезвычайно эффективны, обычно они преобразуют около 85 процентов поступающей электроэнергии в полезную, исходящую механическую работу. Несмотря на это, внутри обмоток по-прежнему теряется довольно много энергии в виде тепла, поэтому двигатели могут сильно нагреваться. Большинство промышленных двигателей переменного тока имеют встроенную систему охлаждения. Внутри корпуса есть вентилятор, прикрепленный к валу ротора (на противоположном конце оси, приводящей в движение любую машину, к которой прикреплен двигатель), показанный здесь красным. Вентилятор всасывает воздух в мотор, обдувая его снаружи корпуса мимо ребер радиатора. Если вы когда-нибудь задумывались, почему у электродвигателей такие выступы снаружи (как вы можете видеть на различных фотографиях на этой странице), то причина в том, что они охлаждают двигатель.

Недостатки

Так как скорость асинхронного двигателя зависит от частоты переменного тока, который его приводит в действие, он вращается при постоянная скорость, если вы не используете частотно-регулируемый привод; скорость двигателей постоянного тока намного легче контролировать, просто повышая или понижая напряжение питания. Хотя асинхронные двигатели относительно просты, они могут быть довольно тяжелыми и громоздкими из-за их катушек. В отличие от двигателей постоянного тока, они не могут работать от батарей или любого другого источника постоянного тока (например, солнечных батарей) без использования инвертора (устройства, которое превращает постоянный ток в переменный). Это потому, что им нужно переменное магнитное поле, чтобы вращать ротор.

Фото: Статор создает магнитное поле с помощью плотно намотанных катушек из медной проволоки, которые называются обмотками. Когда электродвигатель изнашивается или перегорает, один из вариантов — заменить его другим двигателем. Иногда проще заменить обмотки двигателя новым проводом — квалифицированная работа, называемая перемоткой, что и происходит здесь. Фото Сета Скарлетта любезно предоставлено ВМС США.

Кто изобрел асинхронный двигатель?

Никола Тесла (1856–1943) был физиком. и плодовитый изобретатель, чей удивительный вклад в науку и технику никогда не были полностью признаны. После того, как он прибыл в Соединенные Штаты в возрасте 28 лет, он начал работал на знаменитого пионера электротехники Томаса Эдисона. Но двое мужчин выпали катастрофически и вскоре стали заклятыми соперниками. Тесла твердо верил что переменный ток (AC) намного превосходит постоянный ток (DC), в то время как Эдисон думал об обратном. Со своим партнером Джорджем Вестингауз, Тесла защищали переменный ток, а Эдисон полны решимости управлять миром в округе Колумбия и придумывали всевозможные рекламные трюки, чтобы доказать, что переменный ток слишком опасен для широкого использования (изобретение электрического стула, чтобы доказать, что переменный ток может быть смертельным, и даже убить слона Топси электрическим током, чтобы показать, насколько это смертельно и жестоко). Битва между этими двумя очень разные взгляды на электроэнергию иногда называют Войной токов.

Работа: Оригинальный дизайн Николы Теслы для асинхронного двигателя переменного тока. Это работает точно так же, как анимация выше, с двумя синими и двумя красными катушками, попеременно питаемыми генератором справа. Это произведение искусства взято из оригинального патента Теслы, депонированного в Бюро по патентам и товарным знакам США, с которым вы можете ознакомиться самостоятельно в приведенных ниже ссылках.

Несмотря на все (или худшие) усилия Эдисона, Тесла победил, и теперь электричество переменного тока обеспечивает большую часть энергии. мира. Во многом поэтому многие электродвигатели, электроприборы в наших домах, фабриках и офисах работают на переменном токе. асинхронные двигатели, работающие от вращающихся магнитных полей, которые Никола Тесла разработал в 1880-х годах (его патент, показанный здесь, был выдан в мае 1888 года). итальянский физик по имени Галилео Феррарис самостоятельно выдвинул ту же идею примерно в то же время, но история обошлась с ним еще более жестоко, чем с Теслой, и его имя сейчас почти забыто.

Инновации Теслы были началом истории, но ни в коем случае не концом. К концу 1880-х годов уроженец России пионер электротехники Михаил Доливо-Добровольский изобрел трехфазные двигатели. А усовершенствованные моторы проектируются и разрабатываются по сей день.

Узнать больше

На этом сайте

• Батарейки
• Вихретоковые тормоза (электромагнитные тормоза)
• Электричество
• Электродвигатели
• Двигатели
• Ступичные двигатели
• Линейные двигатели
• Шаговые двигатели

На других сайтах

• Электродвигатели и генераторы Джо Вулфа. На превосходном веб-сайте Physclips есть превосходная страница, на которой сравниваются различные типы двигателей постоянного и переменного тока с некоторыми действительно отличными анимациями.
• PBS: Tesla: Master of Lightning: отличный мини-сайт о Николе Тесле, его жизни и удивительных изобретениях.

Книги

Для читателей постарше

• Electric Motors and Drives: Fundamentals, Types and Applications by Austin Hughes and Bill Drury, Newnes (Elsevier), 2019. Асинхронные двигатели рассматриваются в главах 5, 6 и 7.
• «Волшебник: жизнь и времена Николы Теслы», Марк Дж. Сейфер, Кенсингтон, 2016 г.
• Тесла: Человек вне времени Маргарет Чейни, Touchstone, 2011.

Для младших читателей

• Электричество для молодых мастеров: Веселые и легкие проекты «Сделай сам», Марк де Винк. Maker Media/O’Reilly, 2017. Отличное практическое введение в электричество, включая пару заданий, связанных с созданием электродвигателей с нуля. Возраст 9–12.
• Эксперименты с электродвигателем, Эд Соби. Enslow, 2011. Это отличное общее введение в электродвигатели с большим количеством более широкого контекста науки и техники. Однако по очевидным практическим соображениям и соображениям безопасности он ориентирован только на проекты с двигателем постоянного тока и лучше всего подходит для детей в возрасте 11–14 лет.
• Сила и энергия Криса Вудфорда. Facts on File, 2004. Одна из моих книг, посвященная истории человеческих усилий по использованию энергии с древних времен до наших дней. Возраст 10+.
• Никола Тесла: разработчик электроэнергии Криса Вудфорда, в книге «Изобретатели и изобретения», том 5. Нью-Йорк: Маршалл Кавендиш, 2008 г. Краткую биографию Теслы я написал несколько лет назад. На момент написания все это, кажется, было доступно в Интернете по этой ссылке на Google Книги. Возраст 9–12 лет.

Патенты

Патенты предлагают более глубокие технические детали и собственное понимание изобретателем своей работы. Вот очень небольшая подборка многих патентов США, касающихся асинхронных двигателей.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2012, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подписывайтесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените или оставьте отзыв на этой странице, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2012/2023) Асинхронные двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/induction-motors.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Бибтекс

@misc{woodford_induction_motors, автор = «Вудфорд, Крис», title = «Асинхронные двигатели», publisher = «Объясните это», год = «2012», url = «https://www.explainthatstuff.com/induction-motors.html», URL-адрес = «2023-01-26» }

Подробнее на нашем веб-сайте.