Устройство электродвигателя

Электродвигатель представляет собой специальный агрегат, который преобразует электрическую энергию в механическую. Это один из наиболее важных механизмов, без которых немыслима жизнь современного общества. Он приводит в движение устройства и технику, подключенные к нему. Широко применяется во всех сферах производства и бытового хозяйства: начиная от прессовых, грузоподъемных, металлообрабатывающих станков и заканчивая компрессорами, лифтами, ручным инструментом и домашними приборами.

Как правило, электродвигатели подбирают для комплектации своих устройств и техники сами производители. Но случается и так, что владельцы оборудования или рядовые покупатели выбирают модули для обслуживания своих предприятий или бытовых нужд. Иногда компании используют агрегаты одного типа для оснащения всего производства. Благодаря этому достигается унификация процессов, сокращаются расходы на техобслуживание и капитальный ремонт.

Основу устройства электродвигателя составляют два ключевых узла: статор и ротор.

Первый — это внешний элемент неподвижного характера, генерирующий недвижимые или вращаемые магнитные поля. Ротор является подвижной деталью, размещаемой внутри статора и комплектуемой различными дополнительными компонентами. Магнитные полюса ротора и статора взаимодействуют между собой и создают момент вращения, трансформирующий электроэнергию в механический аналог.

Электродвигатель — главные преимущества

• Высокий КПД — 90-95%;
• Отсутствие вредных выбросов;
• Простая конструкция;
• Высокая надежность;
• Оптимальная стоимость обслуживания;
• Низкая пожаро- и взрывоопасность;
• Возможность рекуперации;
• Высокая плавность хода;
• Минимальный шум;
• Возможность зарядки от обычной сети.

Типы электродвигателей

Правильный выбор типа электродвигателя напрямую влияет на надежность, экономичность, эффективность и долговечность работы техники, которую он обслуживает.

Именно поэтому при подборе приводного агрегата необходимо учитывать параметры его функционала: мощность, вид питания, напряжение, энергетические критерии, габариты и другие. В первую очередь все электродвигатели классифицируются на следующие типы:

По напряжению:

• переменного тока;
• постоянного тока.

По принципу работы:

• синхронные;
• асинхронные.

По фазам сети:

• однофазные;
• двухфазные;
• трехфазные.

По уровню защиты:

• закрытые — модули в технологичной оболочке, предохраняющей от проникновения пыли, влаги, газов и других веществ, вредных для узлов двигателя;
• взрывозащищенные — установки, помещенные в прочный кожух, предохраняющий от внутреннего взрыва и препятствующий возникновению пожара;
• защищенные — агрегаты, укомплектованные специальными средствами защиты (козырьками, сетками, заслонками) от проникновения различных веществ и предметов.

С точки зрения конструкции все типы электродвигателей отличаются по вариантам подключения к технике и защиты от внешних негативных воздействий. Для комплектации используются корпуса, изготовленные из высокопрочных чугунных или алюминиевых сплавов. В независимости от конструктивных нюансов, однотипные модели характеризуются идентичными параметрами установки и электрики.

Схема подключения электродвигателя

Схема подключения электродвигателя зависит от особенностей его конструкции и может быть типовой, комбинированной или индивидуальной. Некоторые приводы подключаются к сети только напрямую, другие — при помощи специальных дополнительных устройств. Использование неправильной схемы приводит к поломке оборудования и отключению от сети.

Схемы подключения электродвигателей практически всех ведущих отечественных и зарубежных производителей в хорошем качестве и на русском языке можно найти в интернете. Они представлены в различных открытых источниках, дающих возможность свободного скачивания. Постоянно обновляемые каталоги содержат красочные и легко увеличиваемые изображения, а также советы по быстрому подключению и технике безопасности.

Перед практическим применением схемы подключения электродвигателя рекомендуется изучить его характеристики в техпаспорте. Это особенно важно при вводе в эксплуатацию силовых модулей западноевропейского производства, рассчитанных на работу в разных условиях напряжения. Такие агрегаты подключаются только по определенным схемам. В противном случае они быстро сгорают под нагрузкой.

Пуск электродвигателя

Современные производства используют большое количество электрических двигателей. Поточные линии и конвейерные комплексы, оборудование и станки, насосы и компрессоры — все это обслуживают приводные механизмы. Фактически процесс пуска электродвигателей осуществляется непрерывно. Что же происходит с агрегатами в этот момент?

При включении механизма показатели электротока и напряжения на обмотках существенно превосходят допустимые номинальные значения. В результате сразу после прямого пуска электродвигателя на обмотки подается сильнейшая динамическая нагрузка. Чем мощнее силовой привод и техника, к которой он подключен, тем грандиозней затраты по его старту.

Огромное повышение нагрузки носит кратковременный характер: она выходит на нормальный уровень уже через несколько секунд. Но с каждым последующим включением это нарушает изоляцию обмоток и вызывает межвитковые замыкания. В итоге обмотки перегреваются и повреждаются, что способствует поломке или нарушению работы всего оборудования.

Чтобы обеспечить соответствие номинальным значениям, приходится повышать мощность питающих магистралей, что приводит к значительному удорожанию техники и расходу электричества. Кроме этого, во время подобных пусков электродвигатель является глобальным источником электромагнитных искажений и нарушает работу всех приборов, запитанных в сети или размещенных близко к нему.

Кажется, что все вышеперечисленные сложности могут быть присущи только мощной и громоздкой промышленной технике, однако, это не так. Проблемы с пуском касаются и любого бытового электроинструмента, работающего в многократном режиме стартов и остановок. Подобный режим эксплуатации также снижает его энергопотребление, функциональность и долговечность.

Плавный пуск электродвигателя

Применение специальных систем плавного пуска способствует уменьшению или исключению негативных последствий, возникающих при включении электродвигателей. Высокотехнологичные электронные аппараты снижают стартовые токи и напряжение, повышают надежность и срок службы оборудования.

В состав таких приборов включается силовой блок и регулировочный узел для настройки различных параметров защиты и эксплуатации. Кроме того, аппараты плавного пуска электродвигателей могут быть оснащены специальными защитными комплексами: от превышения времени старта, перегрузок, слишком маленького тока, уменьшения частоты сети, перекоса фаз и т.д.

Плавный пуск электродвигателя — преимущества

• Повышает надежность работы, увеличивает срок службы привода и техники;
• Улучшает функциональные и рабочие характеристики агрегата;
• Позволяет автоматизировать управление технологическими процессами;
• Снижает пусковые токи, благодаря чему исключает их вредное воздействие на сеть.

Многие модели современных приводов уже укомплектованы устройствами для обеспечения плавного пуска и защиты от перегрузок. Если же в состав прибора такой механизм не входит, его можно приобрести отдельно. 

Защита электродвигателей

В ходе работы привода, как и любого электротехнического устройства, возможно возникновение аварийных ситуаций. Если не принять меры и не обеспечить защиту электродвигателя, из-за его повреждений могут выйти из строя другие составляющие энергосистемы. Современные приборы защиты привода обладают широким функционалом, направленным на повышение уровня безопасности и исключение аварийных ситуаций.

Чтобы грамотно выбрать такое устройство, необходимо изучить характеристики оборудования, условия его работы, степень ответственности и порядок обслуживания привода. Возможно применение как одного, так одновременно и нескольких средств. В любом случае защита электродвигателя должна быть надежной в эксплуатации и обеспечивать эффективный и безотказный технологический процесс

Основные функции устройств по защите электродвигателя

• Удаленный или локальный контроль и управление;
• Мониторинг напряжения, мощности, температуры;
• Контроль последовательности фаз;
• Отключение при аварийных ситуациях;
• Защита от перегрузок и короткого замыкания.

Линейки продуктов современных производителей содержат широкий ассортимент наименований для защиты приводов: автоматические выключатели, коммутационные приборы, реле, устройства плавного пуска и другие. Ключевыми достоинствами решений являются: широкий функционал, соответствие стандартам, высокая надежность и скорость срабатывания, недопустимость ложного отключения.

Продажа электродвигателей

Научно-технический прогресс способствует появлению новых механизмов и устройств, облегчающих выполнение работ в быту и трудоемких отраслях производства. Сегмент продажи электродвигателей предлагает огромный выбор высокотехнологичного оборудования для любых сфер деятельности. Кроме основной продукции от ведущих отечественных и мировых производителей, можно приобрести контакторы, преобразователи, автоматические выключатели, реле и многое другое.

Использование силового привода в комплекте с дополнительным оборудованием позволяет оптимизировать процесс эксплуатации и экономить энергоресурсы.

Выбирая надежную и проверенную компанию по продаже электродвигателей, покупатель получает следующие преимущества:

• обширный ассортимент;
• официальные гарантии;
• прямые поставки;
• налаженная логистика;
• индивидуальная комплектация;
• скидки и бонусы.

Подбор и покупка электродвигателей осуществляются с помощью квалифицированных специалистов. Профессиональные консультанты компаний, с которыми можно связаться любым удобным способом, оказывают поддержку на всех этапах оформления и доставки заказа. Поставки электротехнического оборудования осуществляются по всей России.

Устройство лодочных электромоторов Об электролодках

Лодочный электромотор – это практичное устройство, придающее маломерному судну тяговое усилие и позволяющее развивать скорость до 5–8 км/ч. Эти моторы экологичные и бесшумные, что позволяет использовать их для тихих прогулок на воде, отдыха в заповедных зонах и заказниках. При наличии электрического мотора лодка становится более мобильной и маневренной.

Такие двигатели прекрасно подходят для перемещения по небольшим водоемам, мелководью, береговым зонам и в местах с обилием водорослей. Рыбаки особенно ценят их за тихую работу, тонкую настройку скорости, возможность ловко добраться до укромных мест лова, удобство использования при троллинге и рыбалке на спиннинг.

С одной стороны, электромотор на надувной или ПВХ лодке освобождает от необходимости работать веслами, а с другой – становится прекрасной альтернативой или дополнением бензиновому двигателю. На топливном моторе удобно преодолевать большие расстояния, в т. ч. перемещаться против ветра и при сильном течении. Электрический мотор решает не менее важные задачи – позволяет тихо прогуливаться по водоемам, наслаждаться окружающей красотой и удить рыбу в движении.

Как устроен электромотор для лодки?

В устройстве лодочного электромотора ключевую роль играют следующие узлы и детали:

1. Рабочая голова – электродвигатель с установленным на его роторе гребным винтом (пропеллером) – при его вращении судно приводится в движение. Двигательная система находится в нижней части электромотора, под водой. Гребной винт бывает разных размеров и чаще всего имеет 2 или 3 лопасти.
2. Вал (он же – штанга, опора, дейдвуд или нога) – удерживает электродвигатель и соединяет все части устройства в единый комплекс. Создается из прочного композитного материала, выдерживающего значительные механические нагрузки при контакте с подводными препятствиями.
3. Винт регулировки глубины – позволяет перемещать двигательную систему вверх или вниз, меняя глубину погружения гребного винта. Расширяет возможности использования электромотора на мелководье, в камышовых зарослях, при обилии водорослей или в прибрежной области. Чем глубже находится гребной винт, тем выше эффективность работы двигателя, а на мелководье и при других рисках повреждения его легко поднять.
4. Система управления – обеспечивает легкий старт, плавное переключение передач и равномерное движение без рывков. Содержит электронный блок управления и панель с необходимыми переключателями и индикаторами уровня заряда АКБ. Панель управления позволяет с легкостью включать нужную скорость и менять направление движения. Обычно лодочные электромоторы имеют 4–5 передних передачи и 2–3 задних.
5. Румпель – элемент ручного управления. Находится в верхней части электромотора. Для более удобного использования имеет телескопическую рукоятку с поворотным механизмом.
6. Сцепная струбцина – приспособление для крепления вала электромотора к транцу лодки. Позволяет настраивать уровень погружения электромотора и угол его наклона с учетом текущих условий его использования. Резьбовые элементы обеспечивают надежное крепление мотора и его быстрый демонтаж.
7. Соединительные провода для подключения питания.

Особенности конструкции

Лодочные электрические моторы имеют относительно простую конструкцию без множества передаточных элементов, которые были бы подвержены естественному износу. При корректной эксплуатации такие устройства служат долго и редко требуют ремонта. И даже со временем, при износе токосъемных щеток, ремонт сводится к их замене.

Принципиально конструкция троллингового электромотора состоит из несущей и функциональной части. Несущую часть составляют струбцина, вал, крепящийся к нему румпель и гребной винт. Кроме устанавливаемых на транце лодки подвесных аппаратов, производятся также навесные и носовые электромоторы. Они крепятся, соответственно, на кавитационной платформе базового двигателя или на носу лодки с жестким корпусом, на монтажной платформе бака.

Функциональную часть троллинговых моторов составляют силовые компоненты двигателя и система управления. В классическом исполнении электромотор имеет блок управления, дискретный переключатель передач для регулировки скорости и проводку для подключения аккумуляторной батареи. Вместо дискретного переключателя иногда используется цифровой вариатор, обеспечивающий еще более плавную настройку скорости.

Принцип работы

Электрические моторы на маломерных судах работают автономно, получая энергию от тяговых аккумуляторов. Поступающая от них электроэнергия обеспечивает вращение гребного винта. Электрический ток подается на обмотки статора и создает магнитное поле, которое в свою очередь инициирует движение ротора. Вместе с ним вращается и гребной винт, обеспечивая движение лодки по воде.

Для запуска мотора достаточно нажать тумблер. Переключение передач может выполняться с помощью румпеля, ножной педали или пульта ДУ. Чаще всего встречается ручное румпельное управление. Для управления с помощью ножной педали применяется реечный механизм и кабель для его подсоединения. Большинство лодочных моторов поддерживают несколько рабочих режимов: 4–5 передних и 2–3 реверсивных передачи.

Лодочные аккумуляторы

Автономное питание троллинговых электромоторов обеспечивают переносные АКБ тягового типа в герметичном влагозащищенном исполнении. Находясь в защитном корпусе, аккумуляторная батарея не боится попадания воды и атмосферных воздействий. Она отдает накопленную энергию мотору и обеспечивает его стабильную работу в течение нескольких часов. Стартерные аккумуляторы для этих целей не годятся. Нужны именно тяговые АКБ, рассчитанные на продолжительную токоотдачу и устойчивые к глубоким разрядам.

При выборе аккумуляторной батареи на лодку ключевую роль играют 4 параметра – тип химии, запас емкости, рабочее напряжение и масса. Они взаимосвязаны: с увеличением энергоемкости растет и вес батареи, если ее химический состав не изменился. Но достаточно выбрать вместо свинцово-кислотного аккумулятора литиевую батарею, и весовая нагрузка на лодку снизится примерно втрое при тех же рабочих характеристиках.

Для питания электромоторов на лодках и катерах мы рекомендуем литий-железо-фосфатные АКБ – тяговые батареи с отличным соотношением всех параметров. Они эффективно работают в жестких условиях, не боятся глубокого разряда, сохраняют исходные характеристики даже после 2000 циклов заряд-разряд. К тому же, батареи категории LiFePO4 быстро заряжаются, не склонны к просадкам напряжения и другим проблемам при эксплуатации, максимально безопасны в использовании и надежны.

Выбор характеристик АКБ для лодки

Батарея должна подходить мотору – иметь идентичное напряжение и достаточную емкость, чтобы обеспечивать его стабильную работу в течение необходимого времени. Подходящая емкость АКБ рассчитывается с учетом мощности питаемого ею электрооборудования, нужного времени автономной работы на 1 заряде и коэффициента эффективности батареи.

Запас мощности АКБ рассчитывается умножением ее вольтажа на емкость. Например, батарея с параметрами 12 В и 100 Ач имеет энергоемкость 1200 Вт·ч. Эффективная мощность составляет 80% от расчетного значения – в нашем примере 960 Вт·ч. Чтобы рассчитать время работы электромотора и/или других устройств от конкретной аккумуляторной батареи, достаточно разделить ее эффективную мощность на потребляемую мощность приборов.

Например, мотор мощностью 295 Вт при использовании рассматриваемой батареи сможет работать на полной мощности 3 часа 15 минут (960 Вт·ч : 295 Вт = 3,25 ч). При снижении электропотребления (работе мотора на неполной мощности) время автономной работы на 1 заряде батареи возрастает.

Где купить лодочные моторы и АКБ?

Хорошая подборка троллинговых электромоторов и подходящих им аккумуляторных батарей представлена в интернет-магазине Voltbikes.ru. Это модели с оптимальным сочетанием цены и технических параметров. Они помогут вам освободить руки от весел и наслаждаться прогулками по водной глади, расширят возможности для релакса, рыбалки и других видов активного отдыха.

В предыдущей статье мы рассказали о типах и нюансах выбора съемных АКБ для электровелосипедов.

Что такое электродвигатель?

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

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

Как работают электродвигатели?

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

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

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

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

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

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

Очень краткая история электрического двигателя

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

Эволюция электродвигателя

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

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

Как запустить электродвигатель?

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

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

Приводы с регулируемой скоростью и электродвигатели

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

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

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

Уведомление о конфиденциальности

Электродвигатели: 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, воздействующим на провод. (справа) Левосторонний инструмент Флеминга — способ определения направления силы на проволоке. Изучайте умные оригиналы.

F=B×I×L

F – сила в ньютонах (Н)

B – плотность магнитного потока в тесла (Тл)

I – сила тока в амперах (А)

Li – длина проводника в метрах( m)

Правило левой руки Флеминга

Правило левой руки Флеминга — это простой инструмент, 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 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 работа щеток и коллектора с разъемным кольцом зависит от физического скользящего контакта, часто это первая часть двигателя постоянного тока, которую необходимо заменить по мере износа щеток.

Существует три основных подхода к увеличению мощности двигателя постоянного тока:

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

• Добавление дополнительных витков (петлей) в катушку. Это увеличивает общую длину катушки, увеличивая Lчлен 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 изменяется 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.

Бытовые электродвигатели постоянного тока :

• Электрическая зубная щетка
• Вентилятор охлаждения ноутбука
• Автомобиль с дистанционным управлением
• Дрель на аккумуляторе
• Вибромотор в игровом контроллере 9 0124
• Автомобильный стартер

Бытовые электродвигатели переменного тока :

• 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 произведению силы на расстояние, на которое она приложена:

workdone[J]=force[N]×distance[m]

Механическая мощность двигателя (то есть выходная мощность двигателя) находится путем деления количества полезной работы, выполненной на количество секунд, в течение которых она взялся за завершение работы.

PMech[W]=POut[W]=выполненная работа[J]затраченное время[s]

Потребляемая мощность электродвигателя

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

PElec=PIn=Напряжение[В]×Ток[А]

КПД электродвигателя

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

Эффективность = полезная выходная мощностьвходная мощность

Для электродвигателя входная мощность является электрической, а выходная — механической. Основным источником отработанной энергии в электродвигателе является тепло – оно вырабатывается как электрическое сопротивление проволочных катушек и трение между подвижными и статическими компонентами.

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

КПД двигателя=PmechoutPelecin×100%

Подъем груза 20 Н на вертикальное расстояние 1 м требует 20 Дж работы. Мотор тянет 0,75 А на 12 В на 3 секунды для подъема груза. Найти:

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

Потребляемая мощность

Потребляемая мощность двигателя находится путем умножения напряжения на потребляемый ток:

Pelecin=Voltage×Current=12V×0,75A=9W

Выходная мощность 90 004

Выход мощность двигателя находится путем погружения количества выполненной работы во время (в секундах), затраченное на выполнение работы:

Pmechout=workdonetimetaken=20J3s=6,67 Вт

КПД двигателя

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

КПД двигателя=6,67W9W×100%=74,1%

Электродвигатели – основные выводы

• Электродвигатели работают благодаря явлению, называемому моторным эффектом.