Во-первых, вы должны выбрать одну из трех основных групп электродвигателей:

💠 Асинхронный двигатель переменного тока (однофазный или трехфазный)
💠 Синхронный двигатель: двигатель постоянного тока (постоянного тока), бесщеточный и др.

Чтобы выбрать между этими группами, необходимо определить тип требуемого приложения, поскольку это повлияет на ваш выбор:

Если вы хотите, чтобы ваш двигатель работал непрерывно и с небольшим количеством переключений передач, вам следует выбрать асинхронный двигатель. Для динамических приложений очень важно иметь синхронный двигатель.Наконец, если вам требуется точное позиционирование, вам следует выбрать шаговый двигатель.

В зависимости от требуемого движения вам также потребуется определить технические характеристики и размер двигателя:

💠 Для определения технических характеристик потребуется определить мощность, крутящий момент и скорость двигателя.
💠 Чтобы определить размер, вы должны знать, сколько места займет двигатель и как он будет установлен (то есть как он будет закреплен в системе).

При выборе размеров и прочности двигателя вы также должны учитывать производственную среду, в которой двигатель будет работать:

Существует формат, адаптированный для любого типа среды (взрывоопасная, влажная, коррозионная, высокая температура и т. Д.). Для суровых условий окружающей среды существуют двигатели с усиленным, водонепроницаемым, ударопрочным или грязеотталкивающим корпусом.

Наконец, в последние годы энергоэффективность стала важным фактором, который необходимо учитывать при выборе двигателя. Электродвигатель, который потребляет меньше энергии, будет иметь низкое энергетическое воздействие, что снизит его стоимость энергии.

Использование электродвигателя

Электродвигатели используются в самых разных областях применения. Некоторые из них перечислены ниже:

💠 Дрели
💠 Жесткие Диски
💠 Водяные Насосы
💠 Стиральные Машины
💠 Промышленное Оборудование

Вы можете ожидать, что эффективность работающего двигателя составит около 70-85%, так как оставшаяся энергия тратится на производство тепла и издаваемые звуки.

Что следует учитывать при покупке двигателя:

При выборе двигателя необходимо обратить внимание на несколько характеристик, но наиболее важными являются напряжение, ток, крутящий момент и скорость (об / мин).

✔️ Ток

это то, что питает двигатель, и слишком большой ток приведет к его повреждению. Для двигателей постоянного тока важны рабочий ток и ток останова. Рабочий ток — это средняя величина тока, которую двигатель может потреблять при типичном крутящем моменте. Ток останова обеспечивает достаточный крутящий момент для двигателя, чтобы работать со скоростью останова, или 0 об / мин. Это максимальный ток, который двигатель может потреблять, а также максимальная мощность, умноженная на номинальное напряжение. Радиаторы важны, если двигатель постоянно работает или работает с напряжением выше номинального, чтобы катушки не плавились.

✔️ Напряжение

Напряжение используется для поддержания тока сети, протекающего в одном направлении, и для преодоления обратного тока. Чем выше напряжение, тем выше крутящий момент. Номинальное напряжение двигателя постоянного тока указывает наиболее эффективное напряжение во время работы. Обязательно подавайте рекомендуемое напряжение. Если вы подадите слишком мало вольт, двигатель не будет работать, в то время как слишком много вольт может привести к короткому замыканию обмоток, что приведет к потере мощности или полному разрушению.

✔️ Значения работы и остановки/ крутящий момент

Значения работы и остановки также необходимо учитывать с учетом крутящего момента. Рабочий крутящий момент — это величина крутящего момента, на которую был рассчитан двигатель, а крутящий момент остановки — это величина крутящего момента, создаваемого при подаче мощности от скорости остановки. Вы всегда должны обращать внимание на необходимый рабочий крутящий момент, но в некоторых приложениях вам потребуется знать, как далеко вы можете продвинуть двигатель. Например, для колесного робота хороший крутящий момент равен хорошему ускорению, но вы должны убедиться, что крутящий момент остановки достаточно силен, чтобы поднять вес робота. В данном случае крутящий момент важнее скорости.

✔️ Скорость (об/мин)

Скорость (об / мин) может быть сложной для двигателей. Общее правило заключается в том, что двигатели наиболее эффективно работают на самых высоких скоростях, но это не всегда возможно, если требуется передача. Добавление шестерен снизит эффективность двигателя, поэтому примите во внимание снижение скорости и крутящего момента.

Это основные принципы, которые следует учитывать при выборе двигателя. Подумайте о назначении приложения и о том, какой ток он использует, чтобы выбрать подходящий тип двигателя. Технические характеристики приложения, такие как напряжение, ток, крутящий момент и скорость, будут определять, какой двигатель является наиболее подходящим, поэтому обязательно обратите внимание на его требования.

💠 Какие основные качества следует учитывать в двигателе электроинструмента?
Что важно учитывать при работе с двигателями электроинструментов, так это: щетки, крутящий момент, скорость и род тока.

FAQ❓

🔘 Какие основные качества следует учитывать в двигателе электроинструмента?
Что важно учитывать при работе с двигателями электроинструментов, так это: щетки, крутящий момент, скорость и род тока.

🔘 В чем разница между двигателями переменного и постоянного тока?
Двигатель постоянного или постоянного тока работает от батареи или накопленной
энергии, а двигатель переменного тока подключается к электрической сети.

🔘 Какие преимущества предлагают двухскоростные двигатели?
Они практически более эффективны и производительны, более универсальны и многофункциональны.

🔘 Какой момент затяжки?
В основном это означает силу, прилагаемую к затяжке болта или гайки.

Заключение🧾

Здесь изложены основные принципы, которые следует учитывать при выборе двигателя. Подумайте о назначении приложения и о том, какой ток он использует, чтобы выбрать правильный тип двигателя.

Принципы работы электрического двигателя для чайников

Июнь 29, 2014

52683 просмотров

Электродвигатель – это электротехническое  устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Сегодня повсеместно применяются электромоторы в промышленности для привода различных станков и механизмов.

В домашнем хозяйстве они установлены в стиральной машине, холодильнике, соковыжималке, кухонном комбайне, вентиляторах, электробритвах и т. п. Электродвигатели приводят в движение, подключенные к ней устройства и механизмы.

В этой статье Я расскажу о самых распространенных видах и принципах работы электрических двигателей переменного тока, широко используемых в гараже, в домашнем хозяйстве или мастерской.

Как работает электродвигатель

Двигатель работает на основе эффекта, обнаруженного Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращение.

Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении  рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться.

В результате рамка повернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент.

  На рисунке это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.

В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания  магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.

В быту же постоянные магниты используются в детских игрушках на батарейках.

В других же более мощных двигателях используются только электромагниты или обмотки. Вращающаяся часть с ними называется ротор, а неподвижная- статор.

Виды электродвигателей

Сегодня существуют довольно много электродвигателей разных конструкций и типов. Их можно разделить по типу электропитания:

1. Переменного тока, работающие напрямую от электросети.
2. Постоянного тока, которые работают от батареек, АКБ, блоков питания или других источников постоянного тока.

По принципу работы:

1. Синхронные, в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
2. Асинхронные, самый простой и распространенный вид мотора. В них нет щеток и обмоток на роторе.

Синхронный мотор вращается синхронно с магнитным полем, которое его вращает, а у асинхронного ротор вращается медленнее вращающегося магнитного поля в статоре .

Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателя

В корпусе асинхронного двигателя укладываются обмотки статора (для 380 Вольт их будет 3), которые создают вращающееся магнитное поле. Концы их для подключения выводятся на специальную клеммную колодку.

Охлаждаются обмотки, благодаря вентилятору, установленному на вале в торце электродвигателя.

Ротор, являющиеся одним целым с валом, изготавливается из металлических стержней, которые замыкаются  между собой с обоих сторон, поэтому он и называется короткозамкнутым.
Благодаря такой конструкции отпадает необходимость в частом периодическом обслуживании и замене токоподающих щеток, многократно увеличивается надежность, долговечность и безотказность.

Как правило, основной причиной поломки асинхронного мотора является износ подшипников, в которых вращается вал.

Принцип работы. Для того что бы работал асинхронный двигатель необходимо, что бы ротор вращался медленнее электромагнитного поля статора, в результате чего наводится ЭДС (возникает электроток) в роторе.

Здесь важное условие, если бы ротор вращался с такой же скоростью как и магнитное поле, то в нем по закону электромагнитной индукции не наводилось бы ЭДС и, следовательно не было бы вращения. Но в реальности, из-за трения подшипников или нагрузки на вал, ротор всегда будет вращаться медленнее.

Магнитные полюса постоянно вращаются в обмотках мотора, и постоянно меняется направление тока в роторе. В один момент времени, например направление токов в обмотках статора и ротора изображено схематично в виде крестиков (ток течет от нас) и точек (ток на нас). Вращающееся магнитное поле изображено изображено пунктиром.

Например, как работает циркулярная пила. Наибольшие обороты у нее без нагрузки. Но как только мы начинаем резать доску, скорость вращения уменьшается и одновременно с этим ротор начинает медленнее вращаться относительно электромагнитного поля и в нем по законам электротехники начинает наводится еще большей величины ЭДС.

Вырастает потребляемый ток мотором и он начинает работать на полной мощности. Если же нагрузка на вал будет столь велика, что его застопорит, то может возникнуть повреждение короткозамкнутого ротора из-за максимальной величины наводимой в нем ЭДС. Вот почему важно подбирать двигатель, подходящей мощности.

Если же взять большей, то неоправданными будут энергозатраты.

Скорость вращения ротора зависит от количества полюсов. При 2 полюсах скорость вращения будет равна скорости вращения магнитного поля, равного максимум 3000 оборотов в секунду при частоте сети 50 Гц. Что бы понизить скорость вдвое, необходимо увеличить количество полюсов в статоре до четырех.

Весомым недостатком асинхронных двигателей является то, что они подаются регулировке скорости вращения вала только при помощи изменения частоты электрического тока. А так не возможно добиться  постоянной частоты вращения вала.

Принцип работы и устройство синхронного электродвигателя переменного тока

Данный вид электродвигателя используется в быту там, где необходима постоянная скорость вращения, возможность ее регулировки, а так же если необходима скорость вращения более 3000 оборотов в минуту (это максимум для асинхронных).

Синхронные моторы устанавливаются в электроинструменте, пылесосе, стиральной машине и т. д.

В корпусе синхронного двигателя переменного тока расположены обмотки (3 на рисунке), которые также намотаны и на ротор или якорь (1). Их выводы припаяны к секторам токосъемного кольца или коллектора (5), на которые при помощи графитовых щеток (4) подается напряжение. При чем выводы расположены так, что щетки всегда подают напряжение только на одну пару.

Наиболее частыми поломками коллекторных двигателей является:

1. Износ щеток или их плохой их контакт из-за ослабления прижимной пружины.
2. Загрязнение коллектора. Чистите либо спиртом или нулевой наждачной бумагой.
3. Износ подшипников.

Принцип работы. Вращающий момент в электромоторе создается в результате взаимодействия между током тока якоря и магнитным потоком в обмотке возбуждения. С изменением направления переменного тока будет меняться и направление магнитного потока одновременно в корпусе и якоре, благодаря чему вращение всегда будет в одну сторону.

Регулировка скорости вращения меняется методом изменения величины подаваемого напряжения. В дрелях и пылесосах для этого используется реостат или переменное сопротивление.

• Изменение направления вращения происходит также как и у двигателей постоянного тока, о которых Я расскажу в следующей статье.
• Самое главное о синхронных двигателях Я постарался изложить, более подробно Вы можете прочитать на них на Википедии.
• Режимы работы электродвигателя в следующей статье.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока

Электрический двигатель – неоценимое изобретение человека. Благодаря этому устройству наша цивилизация за последние сотни лет ушла далеко вперёд. Это настолько важно, что принцип работы электродвигателя изучают ещё со школьной скамьи.

Круговое вращение электроприводного вала легко трансформируется во все остальные виды движения. Поэтому любой станок, созданный для облегчения труда и сокращения времени на изготовление продукции, можно приспособить под выполнение множества задач.

Каков же принцип действия электродвигателя, как он работает и каково его устройство – обо всём этом понятным языком рассказывается в представленной статье.

Подавляющее большинство электрических машин работает по принципу магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней ток, то её вытолкнет наружу.

Как это возможно? Дело в том, что проходя по проводнику, ток формирует вокруг себя круговое магнитное поле по всей длине провода. Направление этого поля определяют по правилу буравчика (винта).

При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается.

То есть среда становится упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки (правило правой руки используется для генераторов, а правило левой руки подходит только для двигателей). Эта сила называется «амперовой» и её величина определяется по закону Ампера F=BхIхL, где В – значение магнитной индукции поля; I – ток, циркулирующий в проводнике; L – длина провода.

Это явление использовали как основной принцип работы первых электродвигателей, этот же принцип используют и поныне. В двигателях постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля применяются постоянные магниты. В электромоторах средней и большой мощности однородное магнитное поле создают с помощью обмотки возбуждения или индуктора.

Рассмотрим принцип создания механического движения с помощью электричества более подробно. На динамической иллюстрации показан простейший электромотор. В однородном магнитном поле вертикально располагаем проволочную рамку и пропускаем по ней ток.

Что происходит? Рамка проворачивается и по инерции двигается какое-то время до достижения горизонтального положения. Это нейтральное положение – мёртвая точка — место, где воздействие поля на проводник с током равно нулю.

Чтобы движение продолжилось, нужно добавить ещё хотя бы одну рамку и обеспечить переключение направление тока в рамке в нужный момент. На обучающем видео внизу страницы хорошо виден этот процесс.

Современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полясами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе.

Принцип его работы следующий.

Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части — «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо. Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение. Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя.

Таким образом, обмотка якоря передаёт вращающий момент на вал электромотора, а тот в свою очередь приводит в движение рабочие механизмы любого оборудования, такого как, например, станок для сетки рабицы.

Хотя в этом случае используется асинхронный двигатель переменного тока, основной принцип его работы идентичен принципу действия двигателя постоянного тока – это выталкивание проводника с током из магнитного поля.

Только у асинхронного электромотора вращающееся магнитное поле, а у электродвигателя постоянного тока – поле статичное.

Продолжая тему двигателя постоянного тока нужно отметить, что принцип действия электродвигателя основывается на инвертировании постоянного тока в якорной цепи, чтобы не было торможения, и вращение ротора поддерживалось в постоянном ритме. Если изменить направление тока в возбуждающей обмотке статора, то, согласно правилу левой руки, изменится направление вращения ротора.

То же самое произойдёт, если мы поменяем местами щёточные контакты, подводящие питание от источника к якорной обмотке. А вот если поменять «+» «-» и там и там, то направление вращения вала не изменится. Поэтому, в принципе, для питания такого мотора можно использовать и переменный ток, т.к. ток в индукторе и якоре будет меняться одновременно.

На практике такие устройства используются редко.

Что касается электрической схемы включения двигателя, то их несколько и они показаны на рисунке. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря делается из большого количества витков тонкой проволоки. При таком подключении коммутируемый коллектором ток будет значительно меньше из-за большого сопротивления и пластины не будут сильно искрить и выгорать.

Если делать последовательное соединение обмоток индуктора и якоря, то обмотка индуктора делается из провода большего диаметра с меньшим количеством витков, т.к. весь якорный ток устремляется через статорную обмотку.

При таких манипуляциях с пропорциональным изменением значений тока и количества витков, намагничивающая сила остаётся постоянной, а качественные характеристики устройства становятся лучше.

На сегодняшний день двигатели постоянного тока мало используются на производстве. Из недостатков этого типа электрических машин можно отметить быстрый износ щёточно-коллекторного узла. Преимущества – хорошие характеристики запуска, лёгкая регулировка частоты и направления вращения, простота устройства и управления.

 • Скачать лекцию: двигатели постоянного тока 

Свежие записи:

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения

Дмитрий Левкин

Конструкция синхронного электродвигателя с обмоткой возбуждения

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)

Принцип работы

Постоянная скорость вращения синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.

Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора

Статор: вращающееся магнитное поле

На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение. В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется вращающееся магнитное поле можно прочитать в статье «Трехфазный асинхронный электродвигатель».

Взаимодействие между вращающимся (у статора) и постоянным (у ротора) магнитными полями

Ротор: постоянное магнитное поле

Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже.

Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля.

Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил.

Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом

Синхронная скорость

Скорость с которой вращается магнитное поле может быть вычислена по следующему уравнению:

• где Ns – частота вращения магнитного поля, об/мин,
• f – частота тока статора, Гц,
• p – количество пар полюсов.

Это значит, что скорость синхронного электродвигателя может очень точно контролироваться изменением частоты питающего тока. Таким образом эти электродвигатели подходят для высокоточных приложений.

Прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?

Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора будет притягиваться к южному полюсу вращающегося магнитного поля, и начнет двигаться в том же направлении.

Но так как ротор имеет определенный момент инерции, его стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля будет замещен северным полюсом. Таким образом появятся отталкивающие силы.

В результате чего ротор начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом ротор не сможет запуститься.

Демпферная обмотка — прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Чтобы реализовать самозапуск синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора размещается «беличья клетка», которая также называется демпферной обмоткой.

При запуске электродвигателя катушки ротора не возбуждаются.

Под действием вращающегося магнитного поля, индуцируется ток в витках «беличьей клетки» и ротор начинает вращаться подобно тому, как запускаются асинхронные двигатели.

Когда ротор достигает своей максимальной скорости, подается питание на обмотку возбуждения ротора. В результате, как говорилось ранее, полюса ротора сцепляются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью.

При вращении ротора с синхронной скоростью, относительное движение между белечьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю.

Это значит, что отсутствует ток в короткозамкнутых витках, а следовательно «беличья клетка» не оказывает воздействия на синхронную работу электродвигателя.

Выход из синхронизма

Синхронные электродвигатели имеют постоянную скорость независящую от нагрузки (при условии что нагрузка не превышает макимально допустимую). Если момент нагрузки больше, чем момент создаваемый самим электродвигателем, то он выйдет из синхронизма и остановиться. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут быть причинами выхода двигателя из синхронизма.

Синхронный компенсатор

Синхронные электродвигатели могут также использоваться для улучшения коэффициента мощности системы. Когда единственной целью использования синхронных электродвигателей является улучшение коэффициента мощности их называют синхронными компенсаторами. В таком случае вал электродвигателя не соединяется с механической нагрузкой и вращается свободно.

Принципы работы электрического двигателя для чайников

Главная › Электрика ›

26.05.2019

Курс электрических машин посвящён изучению принципов построения, конструкций, технических и эксплуатационных характеристик трансформаторов, а также генераторов и двигателей постоянного и переменного тока. Этот курс является основным разделом электротехники, наряду с теорией линейных электрических цепей и электрическим приводом.

• Цель курса – получение базовых знаний в области теории электрических машин, достаточных для специалистов технических направлений подготовки неэлектротехнических профилей, а также для всех желающих познакомиться с основами электротехники и получить навыки решения задач, связанных с эксплуатацией электрических машин.
• При изучении каждого из десяти разделов курса используются виртуальные лаборатории, характер которых соответствует задачам повседневной инженерной практики.
• После окончания курса слушатели будут знать принципы построения, конструкции, технические и эксплуатационные характеристики трансформаторов, генераторов и двигателей постоянного и переменного тока, а также приобретут навыки решения задач, связанных с эксплуатацией электрических машин.

Программа курса

1. Катушка с магнитопроводом в цепи переменного тока.
2. Преобразование энергии трансформатором.
3. Специальные типы трансформаторов и их применение в технике.
4. Магнитные поля бесколлекторных машин.
5. Конструкция, принцип действия и характеристики асинхронного двигателя.
6. Управление асинхронным двигателем. Специальные типы двигателей.
7. Конструкция принцип действия и характеристики синхронных машин.
8. Синхронные двигатели.
9. Двигатели постоянного тока.
10. Управление двигателем постоянного тока. Специальные типы коллекторных машин и вентильные двигатели.

Каждая тема предполагает изучение в течение одной недели.

На 6-й и 12-й неделях запланированы упражнения по пройденному материалу.

В курсе имеется два типа дедлайна (предельного срока выполнения оценивающих мероприятий):
– мягкий дедлайн, при котором необходимо выполнить все оценивающие мероприятия текущей недели до ее завершения;

– жесткий дедлайн, при котором на выполнение оценивающих мероприятий после мягкого дедлайна дополнительно выделяется еще две недели, по окончании которых доступ к соответствующим мероприятиям закрывается.

Принципы работы электрического двигателя для чайников Ссылка на основную публикацию

Электрические машины постоянного тока: виды и принцип их работы

Машины постоянного тока представляют собой возвратную электрическую машину, в которых происходит процесс преобразования энергии. В машинах, где механическая энергия преобразуется в электрическую, называются генераторами. Они предназначены для выработки электроэнергии. Для работы необходимо наличие какого-либо двигателя (дизеля, паровой или водяной турбины), который будет вращать вал генератора.

Обратное преобразование энергий происходит в электродвигателях. Они приводят в движение колесные пары локомотивов, вращают валы вентиляторов и т.д. Для работы необходимо подсоединение электродвигателя с источником электроэнергии посредством проводов.

Принцип работы электрических машин постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции, а также законов, которые определяют взаимодействие электрических токов и магнитных полей.

Эти машины включают в себя неподвижную и вращающуюся части. В конструкцию неподвижной части, или статора входят станина, главные и дополнительные полюса, подшипниковые щиты и щеточная траверса с графитовыми или медно-графитовыми щетками.

Вращающаяся часть, или ротор, в электрических машинах постоянного тока именуются якорем.

При вращении машины происходит перемещение якоря и статора относительно друг друга. Статор создает магнитное поле, а в обмотке якоря индуцируется э. д. с. Возникает ток, который при воздействии с магнитным полем создает электромагнитные силы, отвечающие за процесс преобразования энергии.

Электрические машины постоянного тока в зависимости от наличия или отсутствия коммутации бывают обычными и униполярными, а по расположению вала — вертикальными и горизонтальными.

По типу переключателей тока их можно подразделить на машины с щеточно-коллекторным и электронным переключателем. Последние называются еще вентильными электродвигателями.

По мощности они делятся на микромашины мощностью до 0,5 кВт, а также, машины малой, средней и большой мощности — 0,5-10 кВт, 10-200 кВт и более 200 кВт соответственно.

По частоте вращения различают тихоходные (до 300 об/мин), средней быстроходности (300-500 об/мин), быстроходные (1500-6000 об/мин) и сверхбыстроходные (более 6000 об/мин) электрические машины постоянного тока.

Устройство и принцип действия синхронного двигателя

Синхронный электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его также можно использовать в качестве генератора. Чаще всего он применяется в компрессорах, прокатных станках, поршневых насосах и другом подобном оборудовании. Рассмотрим принцип действия синхронного электродвигателя, его характеристики и свойства.

Устройство синхронного электродвигателя

Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:

• Неподвижной части (якорь или статор).
• Подвижной части (ротор или индуктор).
• Вентилятора.
• Контактных колец.
• Щеток.
• Возбудителя.

Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами).

Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали.

Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.

Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.

Принцип работы синхронного электродвигателя

Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения.

Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения.

При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.

В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.

Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:

• Асинхронный. Обмотки индуктора замыкаются с помощью реостата. Вращающееся магнитное поле, возникающее при включении напряжения, пересекает короткозамкнутую обмотку, установленную на роторе. В ней индуцируются токи, взаимодействующие с вращающимся полем статора. По достижении синхронной скорости крутящий момент начинает уменьшаться и сводится к нулю после замыкания магнитного поля.
• С помощью вспомогательного двигателя. Для этого синхронный двигатель механически соединяется со вспомогательным (двигателем постоянного тока либо трехфазным индукционным двигателем). Постоянный ток подается только после того, как вращение двигателя достигает скорости, близкой к синхронной. Магнитное поле замыкается, и связь со вспомогательным двигателем прекращается.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

• Работу при высоком значении коэффициента мощности.
• Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
• Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
• Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
• Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

• Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
• Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
• Сложность пуска.
• Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

• Для улучшения коэффициента мощности.
• В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.

Принцип работы электродвигателя постоянного тока, устройство электромотора.

Электродвигатель постоянного тока был изобретен раньше других типов машин, преобразующих электрическую энергию в механическую. Несмотря на то, что позднее самое широкое распространение получили двигатели переменного тока, существуют сферы применения, в которых нет альтернативы электродвигателям постоянного тока.

Подробно о классификации и принципах работы электрических моторов, рекомендуем прочитать в нашей отдельной статье.

Содержание:

• История изобретения
• Устройство и принцип работы
• Основной принцип
• Конструкция
• Пусковые токи
• Схемы подключения
• Регулировка вращения
• Реверсирование
• Сфера применения
• Достоинства и недостатки

Электродвигатель постоянного и переменного тока

История изобретения

Электродвигатель Якоби.

Для того чтобы понять принцип работы электрических двигателей постоянного тока (ДПТ) мы обратимся к истории его создания. Итак, первые опытные доказательства того, что электрическую энергию можно превращать в механическую, продемонстрировал Майкл Фарадей. В 1821 году он провел опыт с проводником, опущенным в сосуд, наполненный ртутью, на дне которого располагался постоянный магнит. После подачи электричества на проводник, тот начинал вращаться вокруг магнита, демонстрируя свою реакцию на имеющееся в сосуде магнитное поле. Эксперимент Фарадея не нашел практического применения, но доказал возможность создания электрических машин, и дал старт развитию электромеханики.

Первый электрический двигатель постоянного тока, в основу которого был положен принцип вращения подвижной части (ротора) был создан русским физиком-механиком Борисом Семеновичем Якоби в 1834 году. Это устройство работало следующим образом:

1. После подачи питания вокруг якоря-ротора создавалось электромагнитное поле, чьи полюса располагались напротив друг друга по правилу буравчика и отклонялись от одноименных полюсов индуктора.
2. Перед тем, как электромагнитное поле якоря устанавливалось на максимальном приближении к разноименным полюсам индуктора, специальный коммутатор отключал питание, и якорь продолжал вращаться по инерции.
3. После того, как якорь выходил из-под полюсов индуктора, коммутатор включал питание с обратной полярностью и появившееся «перевернутое» электромагнитное поле отталкивалось от полюсов индуктора, делая полный оборот якоря.

   1-4 — металлические кольца, 5 — скользящий контакт, 6 — батарея

Описанный принцип использовался в двигателе, который Якоби установил на лодке с 12 пассажирами в 1839 году. Судно двигалось рывками со скоростью в 3 км/ч против течения (по другим данным — 4.5 км/ч), но успешно пересекло реку и высадило пассажиров на берег. В качестве источника питания использовалась батарея с 320 гальваническими элементами, а движение осуществлялось с помощью лопастных колес.

Дальнейшее изучение вопроса привело исследователей к разрешению массы вопросов, касаемо того, какие источники питания лучше использовать, как улучшить его рабочие характеристики и оптимизировать габариты.

В 1886 году Фрэнком Джулиан Спрэгом впервые был сконструирован электродвигатель постоянного тока, близкий по конструкции тем, которые применяются в наши дни. В нем был реализован принцип самовозбуждения и принцип обратимости электрической машины. К этому моменту все двигатели данного типа перешли на питание от более подходящего источника – генератора постоянного тока.

Щёточно-коллекторный узел обеспечивает электрическое соединение цепи ротора с цепями, расположенными в неподвижной части машины

Устройство и принцип работы

В современных ДПТ используется все тот же принцип взаимодействия заряженного проводника с магнитным полем. С усовершенствованием технологий устройство лишь дополняется некоторыми элементами, улучшающими производительность. К примеру, в наши дни постоянные магниты используются лишь в двигателях низкой мощности, поскольку в крупных аппаратах они занимали бы слишком много места.

Основной принцип

Первоначальные прототипы двигателей данного типа были заметно проще современных аппаратов. Их примитивное устройство включало в себя лишь статор из двух магнитов и якорь с обмотками, на которые подавался ток. Изучив принцип взаимодействия магнитных полей, конструкторы определили следующий алгоритм работы двигателя:

1. Подача питания создает на обмотках якоря электромагнитное поле.
2. Полюса электромагнитного поля отталкиваются от одноименных полюсов поля постоянного магнита.
3. Якорь вместе с валом, на котором он закреплен, вращается в соответствии с отталкивающимся полем обмотки.

Данный алгоритм отлично работал в теории, однако на практике перед создателями первых двигателей вставали характерные проблемы, препятствовавшие функционированию машины:

• Мертвое положение, из которого двигатель невозможно запустить – когда полюса точно сориентированы друг перед другом.
• Невозможность пуска из-за сильного сопротивления или слабого отталкивания полюсов.
• Ротор останавливается после совершения одного оборота. Это связано с тем, что после прохождения половины окружности притягивание магнита не разгоняло, а тормозило вращение ротора.

Решение первой проблемы было найдено довольно быстро – для этого было предложено использовать более двух магнитов. Позднее в устройство двигателя стали включать несколько обмоток и коллекторно-щеточный узел, который подавал питание только на одну пару обмоток в определенный момент времени.

Коллекторно-щеточная система подачи тока решает и проблему торможения ротора – переключение полярности происходит до того момента, когда вращение ротора начинает замедляться. Это значит, что во время одного оборота двигателя происходит как минимум два переключения полярности.

Конструкция

Итак, постоянный магнит закрепляется на корпусе двигателя, образуя вместе с ним статор, внутри которого располагается ротор. После подачи питания на обмотке якоря возникает электромагнитное поле, вступающее во взаимодействие с магнитным полем статора, это приводит к вращению ротора, жестко посаженного на вал. Для передачи электрического тока от источника к якорю двигатель оснащается коллекторно-щеточным узлом, состоящим из:

1. Коллектора. Он представляет собой токосъемное кольцо из нескольких секций, разделенных диэлектрическим материалом, подключается к обмоткам якоря и крепится непосредственно на валу двигателя.
2. Графитовых щеток. Они замыкают цепь между коллектором и источником питания с помощью щеток, которые прижимаются к контактным площадкам коллектора прижимными пружинами.

Обмотки якоря одними концами соединяются между собой, а другими – с секциями коллектора, образуя таким образом цепь, по которой ток идет по следующему маршруту: входная щетка –> обмотка ротора -> выходная щетка.

Приведенная принципиальная схема (рис. 3) демонстрирует принцип работы примитивного электродвигателя постоянного тока с коллектором из двух секций:

1. В этом примере мы будет считать стартовым положением ротора то, которое нарисовано на схеме. Итак, после подачи питания на нижнюю щетку, помеченную знаком «+», ток протекает по обмотке и создает вокруг нее электромагнитное поле.
2. По правилу буравчика в левой нижней части формируется северный полюс якоря, а на правой верхней – южный. Располагаясь вблизи одноименных полюсов статора, они начинают отталкиваться, приводя тем самым ротор в движение, которое продолжается до тех пор, пока противоположные полюса не окажутся на минимальном друг от друга расстоянии, то есть придут в окончательное положение (рис. 1).
3. Конструкция коллектора на данном этапе приведет к переключению полярности на обмотках якоря. В результате этого полюса магнитных полей снова окажутся на близком расстоянии и начнут отталкиваться.
4. Ротор совершает полный оборот, и коллектор снова меняет полярность, продолжая его движение.

Детали электродвигателя постоянного тока

Здесь, как уже было отмечено, продемонстрирован принцип работы примитивного прототипа. В настоящих двигателях используется более двух магнитов, а коллектор состоит из большего числа контактных площадок, благодаря чему обеспечивается плавное вращение.

В высокомощных двигателях использование постоянных магнитов не представляется возможным из-за их большого размера. Альтернативой для них служит система из нескольких токопроводящих стержней, на каждой из которых имеется своя обмотка, подключаемая к питающим шинам. Одноименные полюса включаются в сеть последовательно. На корпусе может присутствовать от 1 до 4 пар полюсов, а их количеству должно соответствовать число токосъемных щеток на коллекторе.

Электродвигатели, рассчитанные на большую мощность, обладают рядом функциональных преимуществ перед более «легкими» аналогами. К примеру, здешнее устройство токосъемных щеток поворачивает их на определенный угол относительно вала для компенсации торможения вала, названного «реакцией якоря».

Пусковые токи

Постепенное оснащение ротора двигателя дополнительными элементами, обеспечивающими его бесперебойную работу и исключающими секторальное торможение, возникает проблема его запуска. Но все это увеличивает вес ротора – с учетом сопротивления вала столкнуть его с места становится сложнее. Первым решением этой проблемы, приходящим в голову, может быть увеличение силы тока, подаваемой на старте, но это может привести к неприятным последствиям:

• защитный автомат линии не выдержит тока и отключится;
• провода обмотки сгорят от перегрузки;
• секторы переключения на коллекторе приварятся от перегрева.

Поэтому такое решение можно назвать скорее рискованной полумерой.

Вообще, данная проблема является главным недостатком электродвигателей постоянного тока, но включает в себя основное их преимущество, благодаря которому они незаменимы в некоторых областях. Преимущество это заключается в прямой передаче момента вращения сразу же после пуска – вал (если тронется с места) будет крутиться с любой нагрузкой. Двигатели переменного тока на такое не способны.

Решить эту проблему полностью до сих пор не удалось. На сегодняшний день для пуска таких двигателей используется автомат-стартер, чей принцип работы схож с автомобильной коробкой передач:

1. Сначала ток постепенно поднимается до пускового значения.
2. После «сдвига» с места значение тока резко падает и снова плавно поднимается «подгоняя вращение вала».
3. После подъема до предельного значения сила тока снова снижается и «подгоняется».

Схемы подключения

Подключение ДПТ выполняется несколько сложнее, в сравнении с двигателями со спецификацией на переменный ток.

У двигателей высокой и средней мощности, как правило, есть специальные контакты обмотки возбуждения (ОВ) и якоря, вынесенные в клеммную коробку. Чаще всего на якорь подают выходное напряжение источника, а на ОВ – ток, отрегулированный, как правило, реостатом. Скорость вращения двигателя напрямую зависит от силы тока, поданного на обмотку возбуждения.

Есть три основные схемы включения якоря и обмотки возбуждения электродвигателей постоянного тока:

1. Последовательное возбуждение используется в моторах, от которых требуется большая сила тока на старте (электрический транспорт, прокатное оборудование и т.п.). Данная схема предусматривает последовательное подключение ОВ и якоря к источнику. После подачи напряжения по обмоткам якоря и ОВ проходят токи одинаковой величины.Следует учитывать, что снижение нагрузки на вал даже на четверть при последовательном возбуждении приведет к резкому повышению оборотов, что может привести к поломке двигателя, поэтому эта схема и используется в условиях постоянной нагрузки.
2. Параллельное возбуждение применяется в моторах, обеспечивающих работу станкового, вентиляторного и прочего оборудования, которое в момент пуска не оказывает высокую нагрузку на вал. В этой схеме для возбуждения ОВ используется независимая обмотка, регулируемая, чаще всего, реостатом.
3. Независимое возбуждение очень схоже с параллельным, но в данном случае для подачи питания ОВ используется независимый источник, что исключает появление электрической связи между якорем и обмоткой возбуждения.

В современных электрических двигателях постоянного тока могут применяться смешанные схемы, основанные на базе трех описанных.

Регулировка скорости вращения

Способ регулирования оборотов ДПТ зависит от схемы его подключения:

1. В моторах с параллельным возбуждением снижение оборотов относительно номинала можно производить изменяя напряжение якоря, а повышение – ослабляя поток возбуждения. Для увеличения оборотов (не более чем в 4 раза относительно номинальной величины) в цепь ОВ добавляется реостат.
2. При последовательном возбуждении регулировка легко осуществляется переменным сопротивлением в цепи якоря. Правда этот метод подходит только для снижения оборотов и лишь в соотношениях 1:3 или 1:2 (кроме того, это приводит к большим потерям в реостате). Повышение осуществляется с помощью регулировочного реостата в цепи ОВ.

Данные схемы редко применяются в современном высокотехнологичном оборудовании, поскольку обладают узким диапазоном регулировки и другими недостатками. В наши дни для этих целей все чаще создают электронные схемы управления.

Реверсирование

Для того чтобы реверсировать (обратить) вращение двигателя постоянного тока необходимо:

• при последовательном возбуждении – просто изменить полярность входных контактов;
• при смешанном и параллельном возбуждении – необходимо менять направление тока в обмотке якоря; разрыв ОВ может привести к критическому повышению нагнетаемой электродвижущей силы и пробою изоляции проводов.

Сфера применения

Как вы уже поняли, использование электродвигателей постоянного тока целесообразно в условиях, когда постоянное беспрерывное подключение к сети неосуществимо. Хорошим примером здесь может служить автомобильный стартер, толкающий двигатель внутреннего сгорания «с места», или детские игрушки с моторчиком. В данных случаях для запуска двигателя используются аккумуляторные батареи. В промышленных целях ДПТ применяются на прокатных станах.

Основная же сфера применения ДПТ – электрический транспорт. Пароходы, электровозы, трамваи, троллейбусы и другие аналогичные имеют очень большое пусковое сопротивление, преодоление которого возможно только с помощью двигателей постоянного тока с их мягкими характеристиками и широкими пределами регулировки вращения. С учетом стремительного развития и популяризации экологических транспортных технологий, сфера применения ДПТ лишь увеличивается.

Самый простой щёточно-коллекторный узел

Достоинства и недостатки

Резюмируя все вышесказанное, можно описать характерные для электродвигателей постоянного тока достоинства и недостатки относительно их аналогов, рассчитанных на работу от переменного тока.

Основные достоинства:

• ДПТ незаменимы в ситуациях, когда необходим сильный пусковой момент;
• скорость вращения якоря легко регулируется;
• двигатель постоянного тока является универсальной электрической машиной, то есть может применяться в качестве генератора.

Главные недостатки:

• ДПТ имеют высокую производственную стоимость;
• использование щеточно-коллекторного узла приводит к необходимости частого техобслуживания и ремонта;
• для работы нужен источник постоянного тока или выпрямители.

Электродвигатели постоянного тока, безусловно, проигрывают своим «переменным» сородичам по стоимости и надежности, однако используются и будут использоваться, поскольку плюсы от их использования в определенных сферах категорические перечеркивают все минусы.

Как работает электродвигатель: характеристики и преимущества

Несомненно, электромобили стремительно развиваются. Многие технологии находятся в стадии разработки для повышения эффективности этих двигателей. Однако не многие знают Как работает электродвигатель.

Поэтому мы собираемся посвятить эту статью тому, чтобы рассказать вам, как работает электродвигатель, каковы его составные части и преимущества в его использовании.

Индекс

• 1 Электрические транспортные средства
• 2 Детали электродвигателя
• 3 Как работает электродвигатель
• 4 Тип
• 5 Преимущества электродвигателя

Электрические транспортные средства

Мало движущихся частей, простая и надежная работа, нет необходимости в охлаждении или традиционном редукторе. Уже несколько лет об электромобилях у всех на слуху. Это была одна из самых передовых модификаций того времени, потому что первый автомобиль с батарейным питанием. Его изобрел Роберт Андерсон в 1839 году.. Однако они мало что знают о том, как на самом деле работают электромобили.

Tesla хвасталась, что автовладельцам нужно пополнять только бачки для омывателя лобового стекла и тормозной жидкости. Это связано с тем, что электродвигатель автомобиля не вырабатывает достаточно тепла, чтобы требовать традиционной системы охлаждения, ему не нужно смазывать движущиеся части, У него нет коробки передач с традиционным сцеплением., а также требует специальной жидкости для обеспечения ее целостности и контроля температуры.

Детали электродвигателя

Прежде чем понять принцип работы двигателя электромобиля, нам нужно знать, каковы его компоненты, потому что мы не можем найти поршни, цилиндры, коленчатые валы или выхлопные системы, и это лишь некоторые из них. Компоненты электрической системы делятся на четыре основные группы: бортовое зарядное устройство, аккумулятор, преобразователь и сам двигатель. Вместе они несут ответственность за преобразование электрической энергии, которую мы заряжаем в батарее, посредством мобильного ввода заряда на колесах. Это роль каждого компонента:

• Бортовое зарядное устройство: Он отвечает за преобразование электрической энергии от точки зарядки переменного тока в постоянный ток и накопление ее в батарее.
• Конвертер: отвечает за преобразование энергии из постоянного в переменный и наоборот, в зависимости от того, ускоряемся мы или замедляемся. Он также отвечает за управление двигателем по запросу водителя.
• Электродвигатель: преобразует электрическую энергию в движение. В фазе замедления он может восстанавливать энергию торможения, преобразовывать кинетическую энергию в электрическую и сохранять ее в батарее, то есть рекуперативное торможение.
• батарея: Это устройство для хранения электроэнергии, состоящее из небольших батарей. Это топливный бак электромобиля.

Как работает электродвигатель

Внутри двигателя у нас есть статор, который является статической частью двигателя, а также различные обмотки, через которые проходит ток. создаст вращающееся магнитное поле в статоре. В центре мы находим ротор, который представляет собой движущуюся часть, содержащую фиксированное магнитное поле. Вращающееся магнитное поле в статоре притягивает и вращает фиксированное магнитное поле ротора. Это, в свою очередь, поворачивает колеса электромобиля через ряд шестерен, создавая таким образом движение.

Также интересно понять, как электромобили управляют энергией на разных этапах их использования. Мы нашли две разные фазы, фаза ускорения и фаза замедления, которые контролируются непосредственно водителем.

В обоих случаях, в отличие от теплового двигателя, электродвигатель может вводить энергию для создания движения или преобразовывать кинетическую энергию (движение) в электрическую для зарядки аккумулятора.

• Фаза разгона: В фазе ускорения электрическая энергия в виде постоянного тока передается от батареи к преобразователю, и преобразователь отвечает за преобразование этой электрической энергии из постоянного тока в переменный. Это достигает двигателя, который перемещает ротор через систему, описанную выше, и, наконец, становится движением колес.
• Фаза замедления: На этом этапе движение меняется на противоположное. Эта фаза начинается с колес, и колеса приходят в движение после окончания фазы ускорения, то есть когда мы убираем ногу с педали акселератора. Двигатель создает сопротивление и преобразует кинетическую энергию в переменный ток, который преобразуется обратно в постоянный ток через преобразователь и затем сохраняется в батарее. Этот процесс также происходит при рекуперативном торможении электромобилей.

Тип

Как только мы узнаем, как работает электродвигатель, мы увидим, какие основные типы существуют:

Двигатель постоянного тока (DC): sОн используется в ситуациях, когда важно иметь возможность непрерывно регулировать частоту вращения двигателя. Этот тип двигателя должен иметь одинаковое количество полюсов на роторе и статоре и одинаковое количество углерода. Двигатели постоянного тока можно разделить на три типа:

• серия
• Паралело
• Смешанный

Двигатели переменного тока (AC): Это двигатели, работающие на переменном токе. Электродвигатель преобразует электрическую энергию во вращательную силу за счет взаимодействия магнитного поля.

Преимущества электродвигателя

Есть много преимуществ, которые дает использование электродвигателя по сравнению с обычным. Перечислим основные преимущества:

• Отсутствие газовых выбросов.
• Бесшумная работа.
• Легкость в обращении.
• Возможность подзарядки в любой розетке.
• Возможность подзарядки возобновляемой энергией (энергия ветра и солнца).
• Опция щеточного двигателя постоянного тока.
• Двигатели со щетками постоянного тока, которые могут иметь поле возбуждения или с постоянными магнитами.
• Асинхронный двигатель, который довольно прост и очень эффективен.
• Большинство электродвигателей могут обеспечивать высокую мощность на короткое время.
• Системы для электромобилей — это системы с возможностью рекуперативного торможения. Звезда и стоп, (что позволяет использовать энергию, обычно теряемую при торможении)

Но лучший электромотор, Это трехфазный индукционный электронный контроллер с рекуперативным торможением. Двигатель, который, по их словам, может обеспечить отличную автономность и практически нулевые выбросы загрязняющих веществ.

Как видите, изучение того, как работает электродвигатель, может обеспечить расширение использования этой революционной технологии. Я надеюсь, что с этой информацией вы сможете больше узнать о том, как работает электродвигатель.

How Electric Motors Work — The Engineering Mindset

Узнайте, как работает электрический двигатель, основные части, почему и где они используются, а также рабочие примеры.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть обучающее видео на YouTube

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

Асинхронный двигатель будет выглядеть примерно так. Они превращают электрическую энергию в механическую, которую мы можем использовать для привода насосов, вентиляторов, компрессоров, шестерен, шкивов и т. д. Почти все детали находятся внутри основного корпуса. Спереди мы находим вал, это та часть, которая вращается, и мы можем подключить к ней такие вещи, как насосы, шестерни и шкивы, чтобы они работали за нас. Сзади мы видим вентилятор и защитную крышку, вентилятор соединен с валом, поэтому он вращается всякий раз, когда работает двигатель. Асинхронный двигатель может выделять много тепла во время работы, поэтому вентилятор обдувает корпус окружающим воздухом, охлаждая его. Если асинхронный двигатель станет слишком горячим, изоляция внутренних электрических катушек расплавится, что вызовет короткое замыкание, и двигатель разрушится. Ребра на боковой стороне корпуса помогают увеличить площадь поверхности, что позволяет отводить больше нежелательного тепла.

Вал поддерживается несколькими подшипниками, установленными внутри переднего и заднего щитов. Подшипники помогают валу вращаться плавно и удерживают его в нужном положении.

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

Ротор соединен с валом. В данном случае это ротор с короткозамкнутым ротором. Она называется беличьей клеткой, потому что у нее есть два концевых кольца, которые соединены стержнями, и они вращаются вместе. Эта конструкция похожа на маленькую клетку или колесо для упражнений, которое используют домашний хомяк или даже белка.

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

Когда ротор помещен внутрь статора и статор подключен к источнику электропитания, ротор начнет вращаться. Итак, как это возможно?

Как работают асинхронные двигатели

Когда электричество проходит по проводу, вокруг провода создается электромагнитное поле. Мы можем увидеть это, поместив несколько компасов вокруг провода, компасы будут вращаться, чтобы выровняться с этим магнитным полем. Если направление тока меняется на противоположное, меняется и магнитное поле, поэтому компас меняет направление.

Магнитное поле провода тянет и толкает циферблаты компаса. Точно так же, как если бы мы сдвинули два стержневых магнита навстречу друг другу. Они будут либо притягиваться, либо отталкиваться. Мы даже можем использовать один магнит для вращения другого магнита. Или мы можем вращать магнит, изменяя интенсивность магнитного поля вокруг него.

Если поместить провод в магнитное поле и пропустить через него ток, то магнитное поле провода будет взаимодействовать с постоянными магнитами, магнитное поле и на провод будет действовать сила. Эта сила будет перемещать провод либо вверх, либо вниз, в зависимости от направления тока и полярности магнитных полей.

Если мы смотаем провод в катушку, электромагнитное поле станет сильнее, катушка создаст северный и южный полюса, как постоянный магнит. Мы называем эти катушки проволоки индуктором. Когда мы пропускаем переменный ток через провод, электроны будут постоянно менять направление между движением вперед и назад. Таким образом, магнитное поле также будет расширяться и сжиматься, а полярность каждый раз будет меняться. Когда мы поместим другую отдельную катушку в непосредственной близости и замкнем цепь, электромагнитное поле индуцирует ток в этой второй катушке.

Мы можем соединить две катушки вместе и разместить их напротив друг друга, чтобы создать большее магнитное поле. Если мы поместим замкнутую проволочную петлю внутри этого большого магнитного поля, мы индуцируем ток в этой петле. Как мы знаем, когда мы пропускаем ток через провод, он генерирует магнитное поле, и мы также знаем, что магнитные поля будут толкать или притягивать друг друга. Таким образом, эта проволочная петля также будет генерировать магнитное поле, и оно будет взаимодействовать с большим магнитным полем. На каждую сторону катушки действуют противоположные силы, заставляющие ее вращаться. Таким образом, эта петля является нашим ротором, а катушки — статором.

Ротор будет вращаться только до тех пор, пока не выровняется с катушками статора, затем он застрянет, когда индуцированный ток изменит направление с катушкой. Чтобы преодолеть это, нам нужно ввести еще один набор катушек в статоре, и мы должны подключить их к другой фазе. Электроны в этой фазе текут в несколько другое время, поэтому электромагнитное поле также будет изменять силу и полярность в несколько другое время. Это заставит ротор вращаться.

Внутри асинхронного двигателя у нас есть 3 отдельные катушки, которые используются для создания вращательного электромагнитного поля. Когда мы пропускаем переменный ток через каждую катушку, катушки будут создавать электромагнитное поле, интенсивность и полярность которого меняются по мере того, как электроны меняют направление, но если бы мы соединили каждую катушку с другой фазой, то электроны в каждой катушка изменит направление в разное время. Это означает, что полярность и напряженность магнитного поля также будут иметь место в разное время.

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

Ранее в этой статье мы видели, что ток может индуцироваться во второй катушке, когда она находится в непосредственной близости. Стержни беличьей клетки закорочены на каждом конце, что создает несколько петель или катушек, поэтому каждый стержень индуцирует ток и создает магнитное поле.

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

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

Электрические соединения

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

Внутри этой коробки у нас есть 6 электрических клемм. Каждый терминал имеет соответствующую букву и номер, у нас есть U1, V1 и W1, затем W2, U2 и V2. У нас есть катушка первой фазы, подключенная к двум клеммам U, затем катушки фазы 2, подключенные к двум клеммам V, и, наконец, катушка фазы 3, подключенная к двум клеммам W. Обратите внимание, что электрические клеммы расположены по-разному на одной стороне и на другой. Мы увидим, почему это так, через мгновение.

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

Теперь, когда мы подаем переменный ток по фазам, мы видим, что электричество течет от одной фазы к другой, поскольку направление переменного тока меняется на противоположное в каждой фазе в разное время. Вот почему у нас есть терминалы в разном расположении в клеммной коробке, потому что мы можем легко соединиться и позволить электричеству течь между фазами, когда электроны меняются местами в разное время.

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

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

Расчеты звезда (звезда) треугольник

Давайте посмотрим на разницу между конфигурациями звезды и треугольника.

Допустим, у нас есть двигатель, соединенный треугольником, с напряжением питания 400 Вольт. Это означает, что когда мы используем мультиметр для измерения напряжения между любыми двумя фазами, мы получим показание 400 вольт, мы называем это межфазным напряжением.

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

Теперь, если мы посмотрим на конфигурацию звезды или звезды, мы снова получим линейное напряжение 400 В. Мы видим это, если измеряем между любыми двумя фазами. Но в конфигурации звезды все наши катушки соединены вместе и встречаются в точке звезды или в нейтральной точке. Именно отсюда мы можем провести нейтральный провод, если это необходимо. Итак, на этот раз, когда мы измеряем напряжение на концах любой катушки, мы получаем более низкое значение 230 вольт, потому что фаза не подключена напрямую к двум катушкам, как в конфигурации треугольника, один конец катушки подключен к фаза, а другая подключена к общей точке, поэтому напряжение является общим. Напряжение меньше, так как одна фаза всегда перевернута. Мы можем рассчитать это, разделив 400 вольт на квадратный корень из 3, что равно 230 вольтам. Чем меньше напряжение, тем меньше будет ток. Если эта катушка также имеет импеданс 20 Ом, то 230 вольт разделить на 20 ампер = 11,5 ампер. Таким образом, линейный ток также будет одинаковым и составит 11,5 ампер.

Таким образом, из конфигурации треугольника мы можем видеть, что на катушку подается полное напряжение 400 В между двумя фазами, но начальная конфигурация подвергается воздействию только 230 В между фазой и нейтралью. Таким образом, звезда использует меньшее напряжение и меньший ток по сравнению с треугольной версией.

Как работает электродвигатель?

Электродвигатель помогает преобразовывать электрическую энергию в механическую. Он основан на принципах электромагнетизма.

Для работы многих устройств требуются вращающиеся детали. Одним из таких используемых устройств является электродвигатель. Электродвигатель представляет собой вращающееся устройство. Он играет роль в энергетике. преобразование. Теории электродвигателей изучаются в физике.

Электродвигатель является широко используемым инструментом. Он используется в повседневной жизни. Электродвигатель полезен для преобразования одного вида энергии в другой. Электрический двигатель используется в транспортных средствах, устройствах и т. д. Он работает по принципу электромагнетизм. Эта статья поможет вам понять работу, строительство, и т. д. электродвигателя.

Что такое электродвигатель?

Электродвигатель — это прибор, преобразующий энергию. Электродвигатель представляет собой тип вращающегося устройства. Он преобразует электрическую форму энергии в механическую. Он работает по принципу электромагнетизма. Он работает из-за взаимодействия между магнитным полем двигателя. Магнитное поле взаимодействует с электрическим током в проводах обмотки. Это взаимодействие создает силу в виде крутящего момента. Этот крутящий момент приложен к валу двигателя.

Для питания электродвигателя используется постоянный или переменный ток. Постоянный ток передается батареями или выпрямителями. Переменный ток передается инверторами, электрическими генераторами и электрическими сетями. Электродвигатели классифицируются на основе многих факторов. Например, тип источника питания, области применения и т. д.

Принцип работы электродвигателя

Каждый инструмент имеет свой принцип. Принцип описывает теорию, по которой работает прибор. Электродвигатель также имеет определенный принцип. Принцип работы электродвигателя заключается в том, что при пропускании тока через прямоугольную катушку, помещенную в магнитное поле, к катушке прикладывается сила. Эта сила отвечает за непрерывное вращение двигателя.

Благодаря этому вращению происходит преобразование энергии. Простыми словами, принцип работы электродвигателя переносится на проводник с током. Этот проводник с током создает магнитное поле. Этот проводник с током расположен перпендикулярно направлению магнитного поля. Благодаря этому он испытывает силу.

Конструкция электродвигателя

Каждое устройство имеет уникальную конструкцию. Необходимо понимание конструкции. Вот объяснение конструкции электродвигателя.

Конструкция электродвигателя

• Он имеет прямоугольную катушку провода ABCD.

• У него сильный подковообразный магнит. Катушка ABCD расположена перпендикулярно этому магниту.

• Концы катушки ABCD соединены с разъемными кольцами P и Q. Эти разъемные кольца играют роль коммутатора. Это помогает изменить направление тока.

• Внутренняя часть разрезных колец изолирована. Он прикреплен к оси. Ось свободно вращается.

• Внешняя сторона токопроводящих кромок разрезных колец соединена со стационарными щетками. Эти щетки X и Y соединены с аккумулятором. Это завершает схему.

Это общая конструкция электродвигателя.

Детали электродвигателя

 Электродвигатель состоит из множества частей. Эти детали необходимы для бесперебойной работы двигателя. Вот описание основных частей электродвигателя.

Детали электродвигателя

• Ротор: это движущаяся часть двигателя. Его роль заключается во вращении вала двигателя. Это вращение на валу производит механическую энергию. Ротарь также содержит проводник. По этому проводнику текут токи. Это также помогает в общении с магнитным полем, присутствующим в статоре.

• Подшипники: Подшипники используются для поддержки вращателя. Это необходимо для активации оси ротора. С помощью них расширяется вал двигателя. Он распространяется до нагрузки двигателя.

• Статор: это неактивная часть электромагнитной цепи двигателя. Он состоит из постоянного магнита и обмотки. Статор можно изготовить из тонких металлических листов. Их называют ламинатами. Они помогают уменьшить потери энергии.

• Обмотки: Провода, проложенные внутри катушки электродвигателя, называются обмотками. Обычно они намотаны на гибкий железный магнитный сердечник. Это создает магнитные полюса при подаче тока.

Это были все важные части и их использование в электродвигателе.

Работа электродвигателя

Упомянутый электродвигатель представляет собой вращающееся устройство. Работа электродвигателя объясняет его механизм. Вот несколько шагов, которые объясняют работу электродвигателя.

Работа электродвигателя

• Когда аккумулятор двигателя включен, в нем протекает ток. Ток течет через катушку AB от A к B. При этом направление магнитного поля с севера на юг. О правиле левой руки Флеминга сила действует вниз на AB. Подобно этому восходящая сила применяется к CD. Благодаря этому катушка вращается. AB движется вниз, а CD движется вверх.

• Теперь обе катушки AB и CD поменялись местами. Теперь поток тока идет от C к D. А направление магнитного поля — с севера на юг. Катушка CD получает направленную вверх силу и движется вверх. Катушка AB движется вниз. Таким образом, обе катушки делают половину оборота.

• Электродвигателю для работы требуется полный оборот. Для этого направление тока меняется. Направление тока меняется с помощью коммутатора. Коммутатор имеет два разрезных кольца. Щетки также присоединены к его контуру.

• Когда катушка начинает вращаться, кольца тоже вращаются. Как только катушка становится параллельной магнитному полю, щетки касаются зазора между кольцами. Из-за этого цепь разрывается.

• Из-за инерции кольцо продолжает двигаться. Противоположный конец кольца подключается к положительному концу провода.

• Разрезные кольца P и Q прикреплены к катушке CD и AB соответственно. Благодаря этому направление тока в цепи меняется на противоположное.

• Катушка CD слева, катушка AB справа. Ток в катушке CD меняется на противоположный. Теперь ток течет от D к C. На AB действует восходящая сила, а на CD — направленная вниз сила. Это удерживает катушку во вращении.

• Эта реверсия электрического тока происходит после каждого полуоборота. Это позволяет катушке вращаться до тех пор, пока батарея не будет отключена.

Детальная схема работы электродвигателя.

Преимущества электродвигателя

Электродвигатель имеет множество преимуществ. Это лучше, чем другие устройства преобразования энергии. Есть много преимуществ использования электродвигателя. Вот некоторые из них:

• Первоначальная стоимость электродвигателя довольно низкая. Это лучше, чем двигатели, использующие ископаемое топливо.

• Электродвигатель имеет различные рабочие части. За счет этого электродвигатель имеет более длительный срок службы.

• Двигатель требует меньше обслуживания. Электродвигатель имеет среднюю мощность 30 000 часов.

• Электродвигатель имеет автоматическое управление. Он упрощает управление и имеет функции автоматического запуска и остановки. Кроме того, электрические двигатели очень эффективны.

• Они не используют ископаемое топливо. Это потому, что им не нужно моторное масло.

Это различные преимущества электродвигателя. Благодаря этим преимуществам он является широко используемым инструментом для преобразования энергии.

Применение электродвигателя

Широко используется электродвигатель. Он получил много приложений. Эти приложения описывают использование электродвигателя. Электродвигатели являются неотъемлемой частью многих приборов. Он имеет множество приложений. Некоторые из них:

• Электродвигатель используется в воздуходувках, станках, электроинструментах, насосах и турбинах. Он также используется во вращающихся устройствах, таких как компрессоры, прокатные станы, вентиляторы, корабли, двигатели и т. д.

Применение электродвигателя

Электродвигатель также является обязательным компонентом многих устройств. К ним относятся отопительное и охлаждающее оборудование, различная бытовая техника, а также автомобили.

Вот несколько вариантов применения электродвигателя.

Заключение:

Электродвигатель является широко используемым инструментом. Его основная цель — преобразование энергии. Он эффективен в преобразовании электрической энергии в механическую форму энергии. Его функционирование можно объяснить принципами электромагнетизма.

Имеет различные части и уникальные конструкции. Это дешевле и эффективнее любого другого преобразователя энергии. Он имеет широкий спектр применения. Габаритный электродвигатель представляет собой эффективное устройство.

Двигатель, который может работать как от источников переменного, так и от постоянного тока, называется универсальным двигателем.

Электродвигатели, демонстрирующие преобразование энергии переменного тока в механическую, называются двигателями переменного тока. А те, которые показывают преобразование энергии постоянного тока в механическую, называются двигателями постоянного тока.

Нет. В вакууме электродвигатель будет работать некоторое время, а затем остановится, потому что смазочные материалы и изоляционные материалы испарятся из-за низкого давления и вакуума, это явление называется дегазацией.

Круглый и круглый с простыми двигателями

1. Дайте определение термину «электродвигатель».

Расскажите классу, что электродвигатель — это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Магнетизм играет важную роль в этом процессе. Объясните, что учащиеся собираются построить простой электродвигатель, который они будут использовать в эксперименте для проверки гипотезы. Во-первых, они примут участие в некоторых демонстрациях частей двигателя.

2. Продемонстрируйте, что магниты имеют два полюса и что, когда два магнита соединяются вместе, эти полюса могут вызывать движение объекта.

Покажите магниты второго класса. Спросите: Что произойдет, если эти два магнита сблизить? (Магниты будут притягиваться друг к другу противоположными полюсами и отталкиваться друг от друга одинаковыми полюсами. ) Продемонстрируйте с помощью магнитов и попросите учащихся изложить свои наблюдения. Объясните, что магниты имеют два полюса, по одному на каждом конце, северный и южный. Когда противоположные полюса (северный и южный) находятся рядом друг с другом, они притягиваются друг к другу. Когда одноименные полюса находятся рядом друг с другом (например, север и север), они отталкиваются друг от друга. Чтобы продемонстрировать, прикрепите один магнит к задней части маленькой игрушечной машинки. Используйте второй магнит, чтобы заставить автомобиль двигаться, удерживая одинаковые полюса рядом друг с другом. Предложите учащимся попробовать сдвинуть машину с помощью магнитов. Спросить: Будет ли машина двигаться, если противоположные полюса держать рядом друг с другом? Попросите студента-добровольца продемонстрировать.

3. Продемонстрируйте взаимосвязь между текущим электричеством и магнетизмом.

Продемонстрируйте, что катушка проволоки и гвоздь могут действовать как магнит, когда по проводу проходит электричество. Поднимите гвоздь, чтобы все могли видеть. Спросите: Смогу ли я поднимать скрепки этим гвоздем? Будет ли он действовать как магнит? Поднесите гвоздь к скрепкам, чтобы продемонстрировать, что вы не можете поднять скрепки, используя только гвоздь. Теперь вставьте гвоздь в спираль, которую вы сделали перед уроком. Спросить: Смогу ли я поднять скрепки гвоздем, теперь, когда он обернут металлической спиралью? Поднесите гвоздь со спиралью к скрепкам, чтобы продемонстрировать, что вы все еще не можете поднять скрепки. Объясните, что вы собираетесь превратить гвоздь и катушку в электромагнит с помощью батарейки.

Следуйте инструкциям в разделе «Настройка», чтобы создать электромагнит перед занятием. В классе поместите батарею типа D в держатель для батареи типа D. Прикрепите один конец провода к каждой из клемм на держателе батареи. Попросите класс предсказать, что произойдет, если вы поднесете гвоздь, свернутый в спираль и подключенный к батарее, рядом со скрепками. Держите гвоздь рядом со скрепками. Объясните, что теперь он поднимает скрепки, потому что вы создали электромагнит, добавив электричество. Гвоздь намагничивается, потому что через катушку протекает электрический ток. Обязательно отсоедините провода от аккумулятора, чтобы он не перегревался.

4. Объясните, что электричество и магнетизм могут использоваться для создания крутящего момента.

Объясните, что крутящий момент является мерой силы вращения. Продемонстрируйте крутящий момент для класса. Вызовите добровольца вперед и попросите ученика держать резинку за два конца. Вставьте пластиковую ложку в центр резинки и крутите ее по кругу, пока резинка не станет тугой и перекрученной. Попросите класс предсказать, что произойдет, если вы отпустите ложку. Отпусти ложку. Объясните, что при приложении к резинке скручивающего движения создается сила вращения, называемая крутящим моментом. Крутящий момент можно использовать для питания механических устройств, таких как роботы-манипуляторы и системы мобильности, где шестерни используются для регулирования скорости, с которой применяется этот крутящий момент. Крутящий момент — это также сила вращения, которую вы используете, открывая бутылку газировки или используя гаечный ключ, чтобы ослабить или затянуть гайку.

Расскажите классу, что крутящий момент можно создать с помощью сил электричества и магнетизма — притяжения и отталкивания, проявляемых магнитами, свидетелями которых они были ранее. Объясните, что они будут собирать в классе простой двигатель, использующий эти принципы.

5. Учащиеся выдвигают гипотезу о двигателях, слушают инструкции по технике безопасности, а затем конструируют простой двигатель для проверки своей гипотезы.

Спросите: Как можно использовать движение, создаваемое простым двигателем, для обеспечения движения другого объекта? Напишите предложения учащихся на доске. Продолжайте задавать вопросы, пока предложения не будут сведены к одной проверяемой гипотезе, разработанной всем классом. (Гипотеза представлена ​​в разделе «Советы», если она вам нужна. ) Объясните, что учащиеся должны построить простой двигатель, чтобы использовать его в эксперименте для проверки этой гипотезы.

Перед раздачей материалов скажите учащимся, что они никогда не должны соединять положительный и отрицательный полюс батареи напрямую друг с другом с помощью провода или чего-либо другого проводящего, так как это создаст короткое замыкание и приведет к выходу батареи из строя. сильно нагреваться и может привести к болевому шоку. Кроме того, попросите студентов немедленно разобрать свой проект, если какая-либо часть станет горячей, а затем сообщить об этом преподавателю.

Разделите учащихся на группы по 2–4 человека. Раздайте раздаточный материал «Как построить простой двигатель » и рабочий лист «Научный метод » каждой группе. Вместе с классом просмотрите шаги из раздаточного материала «Как построить простой двигатель», а затем попросите каждую группу отправить по одному участнику, чтобы собрать предметы, которые потребуются группе для сборки двигателя. Попросите каждую группу заполнить разделы «проблема/вопрос» и «гипотеза» в своем рабочем листе «Научный метод». Учащиеся также записывают информацию о создании своего двигателя в разделе «Процесс». Следите за прогрессом каждой группы по мере их создания. Спроектируйте фотогалерею Build a Simple Motor, в которой при необходимости документируется каждый шаг из раздаточного материала How to Build a Simple Motor. Задавайте вопросы каждой группе и помогайте по мере необходимости.

6. Учащиеся планируют эксперимент для проверки своей гипотезы с использованием простого двигателя.

Когда все группы успешно соберут свои моторы, предложите им поделиться своим опытом с остальным классом. Затем, работая в своих группах, предложите учащимся спланировать эксперимент, используя свою моторику, чтобы проверить гипотезу, выдвинутую классом ранее. Предложите учащимся нарисовать экспериментальную установку в своих группах, подписать свои рисунки и написать полное описание шагов, которые они предпримут, в процедурной части рабочего листа «Научный метод».

7. Попросите группы поделиться описаниями своих экспериментов и обсудите в классе сходства и различия между всеми экспериментами для проверки одной и той же гипотезы .

Спросите: Что общего у экспериментов? Чем отличались эксперименты? Если позволяет время, устройте демонстрацию, где группы смогут изучить чертежи установки эксперимента других групп. Предложите учащимся представить, как двигатель может приводить в действие более крупные объекты, например робота. (Двигатели обычно используются для обеспечения движения механических структур робота; например, колеса для перемещения робота или рука для взаимодействия с окружающей средой.)

Неформальное оценивание

Соберите рабочий лист учащихся по научному методу, схему и описание эксперимента и оцените их полноту.

Расширение обучения

Получите все дополнительные материалы, необходимые для проведения одного или нескольких студенческих экспериментов, и попросите учащихся провести эксперимент и заполнить оставшуюся часть рабочего листа «Научный метод».

Предметы и дисциплины

• Физика

Цели обучения

Учащиеся будут:

• Разрабатывать научную гипотезу в условиях сотрудничества
• Соберите рабочую модель простого двигателя
• Объясните, как работает двигатель с использованием электромагнитных сил
• Разработать эксперимент для проверки гипотезы

Подход к обучению

• Обучение для использования

Методы обучения

• Экспериментальное обучение
• Практическое обучение

Обзор навыков

Это задание направлено на следующие навыки:

• Навыки критического мышления
  • Анализ
  • Применение
  • Создание
  • Оценка
  • Вспоминая
  • Понимание
• Научная и инженерная практика
  • Задавать вопросы (для науки) и формулировать проблемы (для техники)
  • Построение объяснений (для науки) и разработка решений (для инженерии)
  • Разработка и использование моделей
  • Получение, оценка и передача информации

Связь с национальными стандартами, принципами и практиками

Национальные стандарты научного образования

• (5-8) Стандарт A-1: Способности, необходимые для проведения научных исследований
• (5-8) Стандарт А-2: Понимание научных исследований
• (5-8) Стандарт Б-3: Передача энергии

Научные стандарты следующего поколения

• Энергетика: ГС-ПС3-5. Разработайте и используйте модель двух объектов, взаимодействующих через электрические или магнитные поля, чтобы проиллюстрировать силы между объектами и изменения энергии объектов из-за взаимодействия.
• Энергия: ГС-ПС3-3. Спроектируйте, создайте и усовершенствуйте устройство, которое работает с заданными ограничениями для преобразования одной формы энергии в другую форму энергии.
• Инженерный проект: МС-ETS1-4. Разработайте модель для генерации данных для итеративного тестирования и модификации предлагаемого объекта, инструмента или процесса, чтобы можно было достичь оптимального дизайна.
• Инженерный проект: МС-ЭТС1-1. Определить критерии и ограничения проблемы проектирования с достаточной точностью, чтобы гарантировать успешное решение, принимая во внимание соответствующие научные принципы и потенциальное воздействие на людей и природную среду, которое может ограничить возможные решения.
• Инженерный проект: МС-ETS1-2. Оцените конкурирующие проектные решения, используя систематический процесс, чтобы определить, насколько хорошо они соответствуют критериям и ограничениям проблемы.
• Инженерный проект: МС-ETS1-3. Проанализируйте данные тестов, чтобы определить сходства и различия между несколькими проектными решениями, чтобы определить лучшие характеристики каждого из них, которые можно объединить в новое решение, чтобы лучше соответствовать критериям успеха.
• Движение и устойчивость: силы и взаимодействия: МС-ПС2-5. Проведите исследование и оцените план эксперимента, чтобы получить доказательства существования полей между объектами, воздействующими друг на друга, даже если объекты не находятся в контакте.
• Движение и устойчивость: силы и взаимодействия: МС-ПС2-3. Задайте вопросы о данных, чтобы определить факторы, влияющие на силу электрических и магнитных сил.
• Движение и устойчивость: силы и взаимодействия: ГС-ПС2-5. Спланируйте и проведите исследование, чтобы предоставить доказательства того, что электрический ток может создавать магнитное поле и что изменяющееся магнитное поле может создавать электрический ток.

Что вам понадобится

Материалы, которые вы предоставите

• 1 1 магнит в виде пончика ¼ дюйма на группу
• 1 держатель батареи типа D на группу
• 1 батарея типа D на группу
• 1 карандаш на группу
• 1 резинка на группу
• 1 лист наждачной бумаги на группу
• 1 маленькая игрушечная машинка
• 2 булавки на группу
• 45–60 см (18–24 дюйма) изолированного магнитопровода 20-го калибра (медный эмалированный провод 20-го калибра) на группу
• Карандаши
• Малярная лента
• Гвозди
• Бумага
• Пластиковая ложка

Требуемая технология

• Доступ в Интернет: Требуется

Физическое пространство

• Класс

Настройка

Комната должна быть оборудована таким образом, чтобы учащиеся могли легко работать в группах.

Соберите и испытайте электромагнит перед уроком. Намотайте 40 см (15 дюймов) изолированного магнитного провода на стальной гвоздь, оставив два конца по 10 см (4 дюйма) отходящими от гвоздя с обоих концов. Используя наждачную бумагу, удалите 2,5 см (1 дюйм) изоляции с каждого конца провода, отходящего от гвоздя. Гвоздь должен легко входить и выходить из катушки, сохраняя при этом хороший контакт с проволокой. Проверьте электромагнит. Поместите батарею типа D в держатель батареи. Прикрепите один конец провода к каждой из клемм, создав цепь. Попробуйте использовать гвоздь, чтобы подобрать маленькие скрепки. По окончании проверки отсоедините провода от аккумулятора и вытащите гвоздь из катушки. Бросьте гвоздь на землю, чтобы размагнитить его перед демонстрацией в классе.

Группировка

• Инструкция большой группы

Исходная информация

Двигатели преобразуют электрическую энергию во вращательное движение, называемое крутящим моментом. Многие роботы используют крутящий момент, обеспечиваемый двигателями, для вращения колес или для перемещения шарнирных частей рук или ног. Эти двигатели известны как исполнительные механизмы. В простом двигателе, построенном в классе, используется катушка, которая является временным электромагнитом. Эта катушка получает силу, чтобы помочь создать крутящий момент от электрического тока, подаваемого аккумулятором. Магнит-бублик, используемый в двигателе, является постоянным магнитом, что означает, что у него есть северный и южный полюса, которые постоянно находятся на месте. Силы магнетизма и электричества работают вместе, заставляя катушку двигателя вращаться. Полюса постоянного магнита отталкивают одноименные полюса временного магнита, заставляя катушку совершать половинный оборот. После этого первого полуоборота изолированная часть провода (часть, которая не была отшлифована) входит в контакт с предохранительными булавками, и поток электричества прекращается и позволяет гравитации тянуть катушку до тех пор, пока не отшлифуется часть провода. проволока снова соприкасается с предохранительными штифтами. Электричество снова течет, и процесс начинается снова. Мощность двигателя или величина крутящего момента определяется напряжением аккумулятора и длиной провода в катушке; чем больше катушек, тем сильнее магнитное поле, тем больше крутящий момент.

Предварительные знания

• Знание основных схем
• Знание основных свойств магнитов

Рекомендуемая предшествующая деятельность

• Строительные схемы
• Схемы с друзьями

Словарь

инерция

Существительное

свойство материи, благодаря которому она остается в покое или в равномерном движении, если на нее не действует какая-либо внешняя сила.

изоляция

Существительное

любое из различных веществ, блокирующих или замедляющих прохождение электрических или тепловых токов.

магнит

Существительное

материал, обладающий способностью физически притягивать другие вещества.

магнитное поле

Существительное

область вокруг и под действием магнита или заряженной частицы.

магнетизм

Существительное

сила, благодаря которой объекты притягиваются или отталкиваются друг от друга.

двигатель

Существительное

двигатель, используемый для создания движения.

полярность

Существительное

свойство иметь полюса или притягиваться к ним, такие как положительные и отрицательные электрические заряды.

вращение

Существительное

Полный оборот объекта вокруг своей оси.

крутящий момент

Существительное

момент силы или системы сил, стремящихся вызвать вращение.

Интерактивы

• Интерактивная магнитная игра

Наконечники и модификации

Ознакомьтесь с заданием, выполнив его самостоятельно заранее, так как может потребоваться немного проб и ошибок, чтобы двигатель заработал.

В некоторых случаях было бы лучше предложить учащимся гипотезу для проверки. Хороший пример гипотезы: чем больше петель в катушке, тем быстрее будет вращаться катушка.

Проецируйте фотогалерею «Собери простой мотор», пока учащиеся собирают свои моторы. Эти фотографии отражают каждый этап процесса.

Учащиеся могут использовать iPad/iPhone, чтобы документировать в цифровом виде этапы сборки двигателя и этапы проверки своей гипотезы. Затем фотографии можно аннотировать с помощью приложения для рисования, такого как Skitch. Готовые проекты можно опубликовать в блоге или использовать в качестве мультимедийной презентации при сравнении результатов занятий.

Это задание можно выполнить с младшими школьниками, сместив акцент на магнитные свойства и то, как их можно использовать для создания движения. Выполните только шаги 1–3 задания и дайте учащимся время поэкспериментировать с магнитами после этого.

Чтобы выполнить шаги 5–7 с младшими учащимися, покажите классу предварительно собранный простой двигатель и то, как он работает. Дайте им упрощенное объяснение: катушка вращается, потому что противоположные полюса электромагнита и постоянного магнита притягиваются друг к другу. Сравните это движение с тем, как двигалась машина, когда противоположные стороны магнитов находились близко друг к другу. Работайте всем классом, чтобы выполнить Шаги 5-7.

Чтобы выполнить это задание за 45 минут, предложите учащимся следующую гипотезу для разработки эксперимента: Чем больше петель в катушке, тем быстрее будет вращаться катушка.

— Введение, работа, детали и использование

В начале 1800-х годов Майкл Фарадей раскрывал аспекты и использование электричества.

Электрический двигатель, как правило, хорошо известен как двигатель, является одним из самых больших достижений в научной области. Жизнь, которую мы ведем сегодня, связана с изобретением двигателей, иначе мы использовали бы электричество только для того, чтобы зажечь лампочку. Электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Проще говоря, электродвигатель — это устройство, используемое для производства вращательной энергии.

Принцип работы электродвигателя

Электродвигатель работает по принципу, когда катушка помещается в магнитное поле и через нее проходит ток, что приводит к вращению катушки.

Работа электродвигателя

Теперь давайте начнем с работы электродвигателя. Схематическое изображение электродвигателя показано ниже.

Прежде чем мы поймем, как это работает, давайте посмотрим на части электродвигателя. Базовая конструкция электродвигателя состоит из прямоугольного провода, двух сильных магнитов и аккумулятора. Если нас спросят, каковы два основных компонента электродвигателя, ответом будут магниты для создания магнитного поля и катушка для демонстрации эффекта магнитного поля.

Детали электродвигателя

• Прямоугольная катушка ABCD.

• Два сильных магнита, которые могут быть любого типа, будь то подковообразный или стержневой магнит. Они используются для создания сильного магнитного поля.

• Разрезные кольца используются для вращения прямоугольной катушки.

• Щетки используются в качестве контакта между разрезными кольцами.

Рабочий

• Теперь при пропускании электрического тока через прямоугольную катушку ABCD. Мы замечаем, что ток между плечами BC и AD параллелен магнитному полю, тогда как ток между AB и CD перпендикулярен магнитному полю. Поэтому магнитное поле будет действовать только на плечи AB и CD.

• Согласно правилу левой руки Флеминга, в плече АВ сила направлена ​​вниз, а магнитное поле направлено с севера на юг. Точно так же в руке CD направление силы направлено вверх.

• Следовательно, силы в плечах AB и CD направлены в противоположные стороны, это приведет к вращению прямоугольной катушки ABCD.

• После половины оборота кольцо Q соприкоснется со щеткой X, а кольцо P соприкоснется с Y, это приведет к изменению направления тока.

• Поскольку направление тока изменилось, направление сил в плечах AB и CD также изменится, поэтому катушка продолжает вращаться в том же направлении.

После изучения двигателей обычно возникает вопрос, каково использование электродвигателей. Электродвигатели широко используются в большинстве бытовых приборов, таких как вентиляторы, миксеры и т. д.

Использование электродвигателей

• Они используются в электрических вентиляторах.

• Используются в стиральных машинах.

• Используется в водяных насосах.

Типы электродвигателей

Три основных типа электродвигателей — это двигатели постоянного тока, двигатели переменного тока и другие двигатели специального назначения.

Ниже перечислены подтипы и пояснения к двигателям постоянного и переменного тока, а также двигателям специального назначения:

(A) Двигатель постоянного тока: Электродвигатель, который используется для преобразования постоянного электрического тока в механическую работу, называется двигателем постоянного тока. Различные типы двигателей постоянного тока включают шунтирующий двигатель постоянного тока, двигатель с независимым возбуждением, серийный двигатель, двигатель с постоянным током и комбинированный двигатель.

1. Шунтовой двигатель постоянного тока. Подобно обмоткам якоря и обмоткам возбуждения, обмотки шунтирующего двигателя постоянного тока соединены параллельно; эта параллельная связь называется шунтом, а обмотка называется шунтирующей обмоткой.

2. Двигатель с независимым возбуждением. В этом типе двигателя обмотки якоря сделаны более прочными для создания большего потока, а соединение между статором и ротором построено с использованием различных источников питания. Электродвигатель с независимым возбуждением управляется из каскада.

3. Двигатель постоянного тока — обмотки ротора в этом типе двигателя соединены последовательно. Двигатель постоянного тока работает по простому закону электромагнетизма. Электромагнитный закон гласит, что для создания электродвижущей силы электромагнитное поле приводится во взаимодействие с электрической цепью. Электромагнитный закон приводит к вращательному движению двигателя. Этот тип двигателя в основном используется в автомобилях или лифтах в качестве стартеров.

4. Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами. Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами или постоянный магнит поставляется со встроенным магнитом, который постоянно находится внутри двигателя. Этот магнит обеспечивает формирование крайне необходимого для работы электродвигателя магнитного поля.

5. Составной двигатель постоянного тока. Составной двигатель постоянного тока представляет собой сочетание последовательного двигателя постоянного тока и шунтирующего двигателя постоянного тока. Поскольку в этом двигателе присутствуют как последовательная, так и шунтирующая обмотки, пуск и ротор соединены друг с другом через соединение последовательной и шунтирующей обмотки.

(B) Двигатель переменного тока: AC в двигателе переменного тока означает переменный ток, который используется для его работы. Этот тип двигателя обычно состоит из внешней и внутренней частей; внешний статор состоит из катушек, через которые пропускается переменный заряд или ток для создания вращения в магнитном поле. В то время как внутренняя часть ротора соединена с выходным валом, который генерирует второе магнитное поле при вращении. Двумя основными типами двигателей переменного тока являются синхронный двигатель и асинхронный двигатель.

Ниже приведены объяснения работы двух типов двигателей переменного тока:

1. Асинхронный двигатель. Асинхронный двигатель — это тип двигателя переменного тока, который работает на асинхронной скорости; поэтому его также называют асинхронным двигателем. Этот двигатель использует электромагнитную индукцию для преобразования электрической энергии в механическое движение двигателя. Существует два типа асинхронных двигателей: двигатель с короткозамкнутым ротором и двигатель с фазной обмоткой.

2. Синхронный двигатель- Синхронный двигатель работает от трехфазной сети. Статор генерирует ток вращающегося поля, от которого также зависит работа ротора. Когда точность вращения очень высока, эти типы двигателей можно использовать в робототехнике и автоматике.

(C) Двигатель специального назначения: Проще говоря, двигатели специального назначения включают все другие типы двигателей, кроме двигателей переменного тока и двигателей постоянного тока общего назначения. Некоторыми из широко используемых двигателей специального назначения являются шаговые двигатели, бесщеточные двигатели постоянного тока, гистерезисные двигатели и реактивные двигатели.

Ниже приведены объяснения работы этих двигателей специального назначения:

1. Шаговый двигатель. Эффективной альтернативой устойчивому вращению является шаговое вращение, которое может быть обеспечено шаговыми двигателями. Мы знаем, что угол поворота любого ротора составляет 180 градусов. Однако в шаговых двигателях этот угол поворота делится на несколько шагов, например 9.шаг 20 градусов. Некоторые приложения шаговых двигателей включают генераторы, плоттеры, изготовление схем и инструменты управления технологическим процессом.

2. Бесщеточный двигатель постоянного тока. Бесщеточные двигатели постоянного тока были разработаны для достижения высокого качества работы при меньшем занимаемом пространстве. Эти типы двигателей меньше, чем двигатели переменного тока. Отсутствие коммутатора и токосъемного кольца восполняется имплантацией контроллера в шаговый двигатель.

3. Двигатель с гистерезисом. У двигателя с гистерезисом самая уникальная работа из всех двигателей. Это синхронный двигатель, в котором вращательная сила в роторе создается с использованием гистерезиса и вихревых токов. Движение в роторе достигается за счет вращающегося потока обмотки статора.

4. Реактивный двигатель. Этот тип двигателя представляет собой однофазный синхронный двигатель и обычно применяется в генераторах сигналов и регистраторах. Вспомогательная обмотка обеспечивает стабильную скорость двигателя.

Знаете ли вы?

Электрогенераторы – это оборудование, работающее в обратном направлении. Электрогенераторы производят электричество за счет вращения.

Электродвигатель: физика, эффективность и типы

Большинство из нас используют электродвигатели каждый день; питание электрической зубной щетки по утрам, вращение вентиляторов для охлаждения компьютера или запуск двигателя в автомобиле. Эти устройства преобразуют электрическую энергию в механическую и делают это с помощью всего одной движущейся части! В этой статье объясняются основные принципы работы электродвигателя, его компоненты, а также некоторые распространенные типы и области применения электродвигателей.

Электродвигатель Определение

Электродвигатель — это электромеханическое устройство, которое преобразует входную электрическую энергию в выходную механическую энергию. В двигателях постоянного тока это достигается в основном за счет взаимодействия стационарного магнитного статора и электромагнитного ротора, создающего силу, это известно как моторный эффект.

Провод, по которому течет ток, создает магнитное поле вокруг провода. Когда это электромагнитное поле взаимодействует с другим магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом или электромагнитом, на провод действует сила.

Величина силы зависит от напряженности постоянного магнитного поля, длины провода, проходящего через поле, и величины тока, определяемой уравнением моторного эффекта. Двигательный эффект наиболее силен, когда провод / ток и магнитное поле находятся под углом 90 ° друг к другу, при этом сила эффекта уменьшается до нуля, если провод и магнитное поле параллельны.

(слева) Схема моторного эффекта, показывающая взаимодействие провода с током с магнитным полем, создающим силу на проводе. (справа) Левосторонний инструмент Флеминга — способ определения направления силы на проволоке. Изучайте умные оригиналы.

сила в ньютонах

плотность магнитного потока в теслах

сила тока в амперах

длина проводника в метрах с помощью которого можно легко определить направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Используя левую руку, держите большой, указательный и средний пальцы под прямым углом друг к другу, как показано выше. Затем укажите указательным пальцем в направлении магнитного поля (с севера на юг), а средним пальцем в направлении тока (+ к -). Затем ваш большой палец указывает в направлении результирующей силы на проводе!

Типы электродвигателей

Существует бесчисленное множество различных вариантов конструкции электродвигателя для различных применений, но они делятся на две основные категории: двигатели переменного тока (AC) и двигатели постоянного тока (DC).

Двигатели постоянного тока

Простейшая форма двигателя постоянного тока состоит из стационарного магнитного поля и проводящей катушки, соединенной с коммутатором с разъемным кольцом, который подключается к источнику питания постоянного тока через щетки. На приведенной ниже диаграмме показан двигатель этого типа в исходном положении.

Схема, показывающая компоненты очень простого двигателя постоянного тока и то, как они создают вращательную силу вокруг оси двигателя. Росс Макдональд, StudySmarter Originals.

Теперь давайте пошагово рассмотрим, как работает двигатель постоянного тока:

1. Когда на щетки подается напряжение, коммутатор с разъемным кольцом передает это напряжение на катушку, которая создает ток в катушке. Катушка с током находится в магнитном поле, поэтому эффект двигателя создает противоположную силу на каждой стороне катушки, поскольку ток течет в противоположных направлениях. Это создает вращающую силу на катушке, и в этом примере двигатель начинает вращаться против часовой стрелки.

2. После поворота на 90 градусов от исходного положения коммутатор с разъемным кольцом меняет направление тока на обратное. Это приводит к тому, что сторона катушки в верхней части вращения теперь испытывает силу, направленную вниз, а сторона катушки в нижней части двигателя испытывает силу, направленную вверх. В сочетании с импульсом от начального вращения это продолжает ускорять катушку при вращении против часовой стрелки.

3. После поворота еще на 180° коммутатор с разъемным кольцом снова меняет направление тока и направление сил, действующих на катушку. Это ускоряет катушку на следующем полуобороте, и эта последовательность продолжается, пока двигатель вращается.

Кольцевой коммутатор используется для надежного переключения направления тока в катушке с той же скоростью, что и двигатель. Как видно на схеме выше, коммутатор с разъемным кольцом состоит из двух полуцилиндрических проводников, прикрепленных к каждому концу катушки двигателя. Щетки проводят ток от источника питания на две половины разъемного коммутатора.

Когда двигатель вращается, коллектор с разрезным кольцом вращается вместе с ним. Поскольку щетки остаются неподвижными, это приводит к тому, что каждая сторона коллектора с разрезным кольцом контактирует с положительной щеткой на один полуоборот, а с отрицательной щеткой на другой полуоборот. Это приводит к тому, что полярность напряжения, подаваемого со щеток на катушку, меняется каждые пол-оборота, а также меняет направление тока.

Поскольку щетки и коллектор с разрезным кольцом работают при помощи физического скользящего контакта, часто это первая часть двигателя постоянного тока, которую необходимо заменить по мере износа щеток.

Для увеличения мощности двигателя постоянного тока существует три основных подхода:

• Увеличение силы магнитного поля. Это увеличивает член в уравнении моторного эффекта, создавая большую силу на катушке.

• Добавление дополнительных витков (петлей) в катушку. Это увеличивает общую длину катушки, увеличивая член в уравнении моторного эффекта и создавая большую силу.

• Использование более высокого тока в катушке. Это увеличивает член в уравнении двигательного эффекта, создавая большую силу.

Производительность также можно улучшить, добавив железный сердечник к ротору электромагнита, как показано на более типичном двигателе постоянного тока ниже.

Схема типичного двигателя постоянного тока, показывающая катушку ротора с множеством контуров и железным сердечником для повышения производительности. Википедия.

Бесщеточный двигатель постоянного тока более совершенным типом. Как следует из названия, основное отличие этого типа двигателя заключается в том, что он не имеет коллектора с разрезным кольцом или щеточных компонентов. Вместо этого полярность напряжения питания постоянного тока изменяется в цифровом виде с помощью полупроводникового контроллера. Преимущество этого заключается в повышенной надежности, поскольку щетки в щеточных двигателях часто изнашиваются и требуют замены, а также в целом обеспечивает лучшую производительность.

Двигатели переменного тока

Двигатели переменного тока работают по тому же принципу, что и двигатели постоянного тока, но с некоторыми ключевыми отличиями. Как правило, обмотки катушки образуют статор (неподвижную часть) двигателя, а ротор представляет собой постоянный магнит или электромагнит.

В источнике питания переменного тока напряжение меняется синусоидально от положительного к отрицательному, как показано ниже. Когда переменное напряжение подается на обмотки катушки статора электромагнита, переменное напряжение создает переменное магнитное поле. В двигателе переменного тока это переменное магнитное поле используется для создания вращающей силы на роторе и вращения двигателя. Коммутатор с разъемным кольцом больше не нужен, так как направление тока меняется на противоположное при подаче переменного тока.

(Вверху) — Синусоидальное изменение напряжения в сети переменного тока. (Внизу) — Соответствующая сила и направление магнитного поля, создаваемого электромагнитом с приложенным переменным напряжением. Росс Макдональд, StudySmarter Originals

Функции электродвигателей

Электродвигатели используются в бесчисленных устройствах, с которыми мы взаимодействуем каждый день. В бытовых устройствах обычно используется двигатель постоянного тока, если они питаются от батареи, и двигатель переменного тока, если они питаются от сети. Это делается для того, чтобы избежать преобразования источника питания с переменного тока на постоянный или наоборот, что снизит эффективность и увеличит стоимость из-за необходимых дополнительных компонентов. Ниже вы можете увидеть применение двигателей постоянного и переменного тока в повседневном использовании.

Домохозяйства DC Motors :

• Электрическая зубная щетка
• Вентилятор охлаждения ноутбука
• Удаленный контролируемый автомобиль
• ДЛЯ БАКТИКА ДЛЯ ДОСТАВЛЕНИЯ
• Вибрационный двигатель
• . :
  • Вытяжка
  • Кухонный миксер
  • Пылесос
  • Стиральная машина
  • Микроволновая печь

  Расчет мощности электродвигателя

  При расчете мощности электродвигателя необходимо учитывать две переменные: выходную мощность и входную мощность.

  Выходная мощность электродвигателя

  Поскольку мощность равна энергии в секунду, мы можем рассчитать выходную механическую мощность двигателя, измерив время, необходимое для выполнения известного объема работы. В простом эксперименте для этого можно было бы использовать двигатель, поднимающий массу, наматывая ее на веревку.

  Мы знаем, что выполненная работа равна силе, умноженной на расстояние, на котором она приложена:

  Механическая мощность двигателя (то есть выходная мощность двигателя) находится путем деления количества выполненной полезной работы на количество секунд, затраченных на выполнение этой работы.

  Потребляемая мощность электродвигателя

  Потребляемая мощность электродвигателя может быть найдена с использованием общего уравнения электрической мощности. Обратите внимание, что это можно сделать, потому что входная мощность электродвигателя представляет собой электрическую мощность.

  КПД электродвигателя

  Эффективность устройства — это способ измерения того, сколько вложенной энергии преобразуется в полезную выходную энергию. Общая формула КПД устройства:

  Для электродвигателя входная мощность электрическая, а выходная мощность механическая. Основным источником ненужной энергии в электродвигателе является тепло – оно производится как электрическим сопротивлением катушек проволоки, так и трением между движущимися и неподвижными компонентами.

  КПД двигателя можно рассчитать, разделив полезную выходную механическую мощность на общую потребляемую электрическую мощность. Это преобразуется в процентную эффективность путем умножения на 100.

  Поднятие веса на вертикальное расстояние требует работы. Двигатель тянет на на , чтобы поднять вес. Найдите:

  1. Потребляемая мощность двигателя.
  2. Выходная мощность двигателя.
  3. КПД двигателя.

  Потребляемая мощность

  Потребляемая мощность двигателя находится путем умножения напряжения на потребляемый ток:

  Выходная мощность

  Выходная мощность двигателя находится путем вычисления объема работы выполняется за время (в секундах), затраченное на выполнение работы:

  КПД двигателя

  КПД двигателя рассчитывается путем нахождения доли входной мощности, которая преобразуется двигателем в полезную выходную мощность. Чтобы найти КПД в процентах, умножаем соотношение на 100:

  Электродвигатели – основные выводы

  • Электродвигатели работают благодаря явлению, называемому моторным эффектом. Двигательный эффект — это сила, действующая на проводник с током, когда он проходит через магнитное поле.
  • Силу взаимодействия можно увеличить, увеличив либо напряженность магнитного поля, ток в проводе, либо длину провода в магнитном поле.
  • В двигателе постоянного тока используется коммутатор с разъемным кольцом для изменения направления тока в проволочной катушке каждые пол-оборота. Это гарантирует, что сила, действующая на проволочную катушку, всегда продолжает ускорять вращение катушки и раскручивать двигатель.
  • Двигатель переменного тока также использует эффект двигателя для вращения, но использует источник питания переменного тока для изменения направления тока вместо коммутатора с разъемным кольцом. Обычно двигатели переменного тока имеют обмотку катушки в статоре и ротор с постоянным магнитом или электромагнитом.
  • КПД электродвигателя можно рассчитать, измерив, сколько входной энергии необходимо для выполнения известного объема работы.

  Как работает электродвигатель? Пэт Суонсон

  Целью этой статьи будет краткое объяснение того, как работает двигатель. Короче говоря, электродвигатель «просто» преобразует электрическую энергию в механическую.
  Электродвигатель буквально везде. От маленьких вентиляторов, которые вы слышите в своем компьютере, до устройства открывания двери в вашем гараже, до системы отопления в вашем доме, есть десятки элементов, на которые мы полагаемся каждый день, используя электродвигатель. Исторически они сыграли неотъемлемую роль в превращении машин, позволивших осуществить промышленную революцию. По мере того, как они становятся меньше и эффективнее, наряду с аккумуляторной технологией, мы продолжим видеть, как они заменяют двигатель внутреннего сгорания. По данным Министерства энергетики США, 62,6% промышленной электроэнергии в США потребляется электродвигателями.
  Так как, черт возьми, они работают, спросите вы…
  Мы все понимаем, как работают магниты, верно? Магниты имеют положительный и отрицательный полюс. Однополюсные отталкиваются, а противоположные притягиваются. Силы одноименных полюсов создают движение в электродвигателе.
  

  Существует связь между электричеством, магнетизмом и движением. (А) Когда ток проходит по электрическому проводу, он создает вокруг себя магнитное поле. (B) Когда вы закручиваете провод, вы создаете небольшой электромагнит… обратите внимание на поляризацию, происходящую подобно традиционному магниту, упомянутому выше, с определенными Северным и Южным полюсами. (C) В 1820 году Эрстед Стерджен обнаружил, что, когда вы наматываете проволоку на железный сердечник, вы усиливаете силу этого магнитного поля.

  Теперь, когда мы понимаем основное поведение магнитных полей и то, как электричество может их создавать, давайте посмотрим, как эта технология использовалась для разработки электродвигателя.

  Так выглядит статор трехфазного асинхронного двигателя переменного тока. Красная, желтая и синяя катушки представляют собой три отдельные фазы, поступающие от промышленной энергосистемы.
  Думайте о каждой из этих петель как об отдельном независимом электромагните.
  

  Современная промышленная энергетика состоит из 3 отдельных фаз с одинаковыми синусоидальными волнами, каждая из 3 волн смещена на 120 градусов друг от друга, как показано ниже. По мере того, как отдельные фазы циклически проходят через свои волновые формы, их электромагниты возбуждаются в 3 разных промежутка времени, создавая вращающееся магнитное поле.

  Так что насчет ротора… механической части двигателя?
  Асинхронные двигатели имеют так называемый короткозамкнутый ротор. Глядя на него ниже, вы можете увидеть, откуда он получил свое название. Это похоже на колесо, внутри которого мог бы пробежать грызун, если бы оно было полым… а это не так.
  

  Ротор состоит из стального сердечника с алюминиевыми или медными стержнями. Алюминий является более экономичным выбором по сравнению с медью. Слева вверху показан пример заполненного алюминием ротора…

  Вместо установки ротора с отдельными стержнями в большинстве асинхронных двигателей мощностью менее 500 л.с. используются литые роторы. Расплавленный алюминий или медь создают стержни… вы можете увидеть, как эти стержни формируются на разрезе ниже. Выступы, выступающие с обоих концов, действуют как лопасти вентилятора, которые помогают выравнивать внутреннюю температуру внутри двигателя. Добавьте вал, и теперь у вас есть двигатель, вращающийся в сборе.

  Давайте теперь все это соберем… Вставьте вращающийся узел в статор.

  Когда вы возбуждаете статоры, вращая магнитное поле, напряжение индуцируется на стержнях ротора, создавая магнитное поле в роторе. Это тот же принцип, что и при зарядке телефона в беспроводном зарядном устройстве. Теперь подумайте о том, как одноименные полюса в обычном магните отталкиваются друг от друга. Помните, что магнитное поле в статоре двигателя вращается, это вращающееся поле толкает ротор под напряжением.

  Вот так асинхронный двигатель превращает электрическую энергию в механическую. Просто… Верно?

  Ссылки:
  

  https://www.explainthatstuff.com/electricmotors.html

  https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/04/f15/mtrmkt.pdf

  https://www.electricaleasy.com/2014/02/working-principle-and-types-of.html#:~:text=Basic%20working%20principle%20of%20an%20Induction%20Motor&text=The%20relative% 20скорость%20между%20статором,производимая%20из-за%20до%20индуцированная%20ЭДС.

  https://www.schoolphysics.co.uk/age16-19/Electricity%20and%20magnetism/Electromagnetism/text/Electromagnetic_fields/index.html

  https://www.kebamerica.com/blog/how-a -3-фазный-асинхронный-двигатель-работает/

  https://www.britannica.com/technology/electric-motor/Construction-of-induction-motors#:~:text=The%20stator%20frame% 20состоит%20из,а%20%20%20статора%20проводников.