Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электрический двигатель

Электрический двигатель

Магнитная индукция

Французский физик Андре Ампер в 1820 г. открыл явление взаимодействия электрических токов, которое он назвал электродинамическим взаимодействием. Магнитное поле, возникающее при упорядоченном движении заряженных частиц, оказывало силовое воздействие на магнитную стрелку или на соседний провод, по которому тоже протекал электрический ток. Согласно закону, открытому Ампером, электрический ток является причиной появления магнитного поля.

Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера. Чтобы описать способность магнитного поля оказывать силовое воздействие на проводник с током, была введена величина, названная магнитной индукцией B:

I — сила тока в проводнике;

L — длина проводника.

Электромагнитная индукция

В 1831 г. английский исследователь Майкл Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток, который он назвал индукционным током.

Рис. 1. Электромагнитная индукция. Опыт Фарадея.

Один из экспериментов Фарадея выглядел следующим образом: при перемещении полосового магнита внутри катушки с витками проводника (туда — обратно) регистрировался электрический ток в цепи, к которой изначально не подключались внешние источники тока.

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, проходящего через сечение контура, было названо электромагнитной индукцией (ЭМИ). Появление тока в контуре говорит о том, что имеется ЭДС индукции (электродвижущая сила), заставляющая электроны двигаться упорядоченно.

Для вычисления величины тока была введена новая физическая величина, названная магнитным потоком Ф. Для плоского контура, помещенного в однородное магнитное поле, эта величина по определению равна:

B — магнитная индукция;

S — площадь контура;

α — угол между направлением (вектором) B и нормалью к поверхности рамки.

ЭДС и ток индукции появляются только в том случае, если величина Ф меняется со временем. Если Ф = const, то и I = 0. Если магнитное поле постоянное, то изменения потока Ф во времени можно добиться движением рамки. Например, вращение рамки в постоянном однородном поле будет все время сопровождаться изменением магнитного потока. Второй способ состоит в изменении величины B. Так в эксперименте Фарадея индукционный ток в катушке из металлического провода возникал, когда магнит двигался внутри катушки, что создавало переменный характер магнитной индукции B.

Как устроен электрический двигатель

Открытие Фарадея дало возможность инженерам всех стран использовать ЭМИ для создания электрического двигателя. Типичный электрический двигатель состоит из следующих основных частей:

Рис. 2. Принципиальная схема электродвигателя.

  • Статор — неподвижный электромагнит (набор катушек с сердечниками), который создает магнитное поле внутри двигателя;
  • Ротор — набор катушек, закрепленный на валу, который вращается после включения. Ротор электродвигателя также называют якорем. В обмотках якоря наводится ЭДС индукции, в результате чего якорь начинает крутиться и передавать вращающий момент на вал двигателя;
  • Коллектор — изолированные друг от друга медные пластинки-контакты, присоединенные к концам катушек;
  • Щетки — неподвижные прижимные контакты (графитовые или медно-графитовые), с большой частотой замыкающие и размыкающие пластинки-контакты коллектора.

Так происходит преобразование электрической энергии в механическую, которая затем используется в приборах, станках, автомобилях, медицинской, космической технике и т.д.

КПД электрических двигателей достигает 90%. Рекордные значения превышают и эту величину. Таких КПД не имеют двигатели других типов. Напомним, что КПД двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин не превышает 40-50%.

Электрические двигатели обладают массой преимуществ. Они имеют меньшие размеры по сравнению с тепловыми двигателями такой же мощности. Работа электродвигателей не ухудшает экологию, т.к. у них отсутствуют выбросы вредных газов и дыма. Их не нужно постоянно заправлять топливом. Одним из самых перспективных проектов в мире считается создание электромобиля, что позволит, после его успешной реализации, значительно улучшить экологию городской среды и сократить невосполнимые потери нефтепродуктов.

Рис. 3. Примеры различных электродвигателей.

Первый вариант электрического двигателя, пригодный для практического использования, был изобретен российским инженером Борисом Якоби в 1834 г. Ему удалось довести мощность своего устройства до 550 Вт, что позволило использовать его в качестве лодочного мотора, а позднее и на железнодорожном транспорте.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что электрический двигатель — это устройство, которое преобразовывает электрическую энергию в механическую. Явление электромагнитной индукции означает, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока возникает электрический ток. Понимание сути этого эффекта позволило создать электродвигатели, в которых основными деталями являются неподвижный статор, вращающийся ротор (якорь), коллектор и щетки. КПД современных электродвигателей намного превышает аналогичный параметр двигателей внутреннего сгорания.

Виды электродвигателей и их особенности

Экономичность и надежность оборудования напрямую зависят от электродвигателя, поэтому его выбор требует серьезного подхода.

Посредством электродвигателя электрическая энергия преобразуется в механическую. Мощность, количество оборотов в минуту, напряжение и тип питания являются основными показателями электродвигателей. Также, большое значение имеют массогабаритные и энергетические показатели.

Электродвигатели обладают большими преимуществами. Так, по сравнению с тепловыми двигателями сопоставимой мощности, по размеру электрические двигатели намного компактнее. Они прекрасно подходят для установки на небольших площадках, например в оборудовании трамваев, электровозов и на станках различного назначения.

При их использовании не выделяется пар и продукты распада, что обеспечивает экологическую чистоту. Электродвигатели делятся на двигатели постоянного и переменного тока, шаговые электродвигатели, серводвигатели и линейные.

Электродвигатели переменного тока, в свою очередь, подразделяются на синхронные и асинхронные.

Электродвигатели постоянного тока

Используются для создания регулируемых электроприводов с высокими динамическими и эксплуатационными показателями. К таким показателям относятся высокая равномерность вращения и перезагрузочная способность. Их используют для комплектации бумагоделательных, красильно-отделочных и подъемно-транспортных машин, для полимерного оборудования, буровых станков и вспомогательных агрегатов экскаваторов. Часто они применяются для оснащения всех видов электротранспорта.

Электродвигатели переменного тока

Пользуются более высоким спросом, чем двигатели постоянного тока. Их часто используют в быту и в промышленности. Их производство намного дешевле, конструкция проще и надежнее, а эксплуатация достаточно проста. Практически вся домашняя бытовая техника оборудована электродвигателями переменного тока. Их используют в стиральных машинах, кухонных вытяжных устройствах и т.д. В крупной промышленности с их помощью приводится в движение станковое оборудование, лебедки для перемещения тяжелого груза, компрессоры, гидравлические и пневматические насосы и промышленные вентиляторы.

Шаговые электродвигатели

Действуют по принципу преобразования электрических импульсов в механическое перемещение дискретного характера. Большинство офисной и компьютерной техники оборудовано ими. Такие двигатели очень малы, но высокопродуктивны. Иногда и востребованы в отдельных отраслях промышленности.

Серводвигатели

Относятся к двигателям постоянного тока. Они высокотехнологичны. Их работа осуществляется посредством использования отрицательной обратной связи. Такой двигатель отличается особой мощностью и способен развивать высокую скорость вращения вала, регулировка которого осуществляется с помощью компьютерного обеспечения. Такая функция делает его востребованным при оборудовании поточных линий и в современных промышленных станках.

Читать еще:  Что такое недогрев двигателя

Линейные электродвигатели

Обладают уникальной способностью прямолинейного перемещения ротора и статора относительно друг друга. Такие двигатели незаменимы для работы механизмов, действие которых основано на поступательном и возвратно-поступательном движении рабочих органов. Использование линейного электродвигателя способно повысить надежность и экономичность механизма благодаря тому, что значительно упрощает его деятельность и почти полностью исключает механическую передачу.

Синхронные двигатели

Являются разновидностью электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора равняется частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре. Их используют для компрессоров, крупных вентиляторов, насосов и генераторов постоянного тока, так как они работают с постоянной скоростью.

Асинхронные двигатели

Также, относятся к категории электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается током обмотки статора. Асинхронные двигатели разделяются на два типа, в зависимости от конструкции ротора: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Конструкция статора в обоих видах одинакова, различие только в обмотке.

Электродвигатели незаменимы в современном мире. Благодаря им значительно облегчается работа людей. Их использование помогает снизить затрату человеческих сил и сделать повседневную жизнь намного комфортнее.

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Электрические двигатели в автомобиле

Электрические двигатели в автомобиле — это электрические машины (электромеханические преобразователи), в которых электрическая энергия преобразуется в механическую. В основу работы подавляющего числа электрических машин положен принцип электромагнитной индукции. Вот о том, что представляют собой электрические двигатели, мы и поговорим в этой статье.

Систематика роторных электрических машин

Электрические двигатели в автомобиле являются электро-магнето-механическими преобразо­вателями энергии. При энергии Wm, имеющейся в магнитном поле, разряд, согласно углу вращения γ, создает магнитную силу Ft:

Она служит тангенциальной силой для соз­дания крутящего момента, вычисляемого по радиусу ротора r (рис. «Принцип работы роторных электрических машин» ). Это можно описать выражением:

М = Ft r .

Электрические машины можно поделить на категории по их управлению (табл. «Систематический подход к электрическим двигателям»). Часть этой систематизации взята из стандарта DIN 42027.

Двигатели постоянного тока

Для работы в качестве двигателей часто вы­бираются двигатели постоянного тока. Они ис­пользуются, например, в качестве приводов для электрических топливных насосов, вентилятор­ных электродвигателей, пусковых электродви­гателей, электродвигателей стеклоочистителей ветрового стекла и стеклоподъемников.

Двигатель постоянного тока (рис. «Структура двухполюсного эектродвигателя переменного тока» ) со­стоит из статора с возбуждающей, компенси­рующей и коллекторной обмотками, а также ротора (якоря) с роторной обмоткой. Ротор запитывается через коллекторные щетки и коллекторные пластины. Обмотки можно со­единять параллельно или последовательно.

Двигатели постоянного тока классифици­руются по различным характеристикам (с по­следовательным или параллельным возбуж­дением). Приведенные вычисления относятся к самокоммутирующимся двигателям. Схемы соединений двигателей постоянного тока регламентируются стандартом DIN EN 60034, часть 8.

Коммутация в двигателе постоянного тока

Для работы двигателя постоянного тока не­обходимо, чтобы направление тока в роторе оставалось постоянным относительно по­люсов статора (рис. «Принцип коммутации тока» ). Процесс изменения направления тока в роторе происходит в нейтральной зоне и называется коммута­цией. Коммутатор получает ток IR через кол­лекторные щетки. Он делится на токи ветвей Izw. Напряжение, наводимое в обмотках, вы­числяется по формуле:

Тангенциальная скорость vt поверхности кол­лектора:

Для определения длительности цикла Тс учи­тывается количество коллекторных пластин:

Изменение тока в коллекторной обмотке про­исходит за время Тс. Если учесть, что имеет место лишь ток Izw, то для наведенного на­пряжения применяется следующее:

u = -L (Izw vt K / πdc)

Обозначения берутся из DIN 1304. часть 7.

Коммутирующая и компенсирующая обмотки

Распределение поля

Главное поле, беспрепятственно проникающее в ротор при отсутствии тока, имеет симметрич­ное распределение (рис. а, «Наложение полей» ). Аналогично, имеется симметричное разделение потока, когда ток подается только на ротор (рис. Ь, «Наложение полей» ).

При наложении этих полей нейтральная зона отклоняется на угол β (рис. с, «Наложение полей» ). Таким об­разом, эта магнитно-нейтральная зона больше не соответствует геометрически нейтральной зоне (положение коллекторных щеток).

В геометрически нейтральной зоне это соз­дает магнитное поле, которое в процессе ком­мутации наводит напряжение в обмотке ротора, вызывая искрение между щеткой и движущейся коллекторной пластиной. Во избежание этого в процессе коммутации в этой обмотке наводится другое напряжение, где амплитуда и направле­ние компенсируют эффект изначально наведен­ного напряжения. Это достигается с помощью коммутирующей обмотки (рис. «Структура двухполюсного электродвигателя переменного тока» ). Коммутирую­щая обмотка последовательно подключается к обмотке ротора. Она использует обратную ре­акцию ротора для противодействия смещению в магнитно-нейтральной зоне.

В случае с двигателями без коммути­рующей обмотки щетки нужно смещать в магнитно-нейтральную зону. Возмущение основного поля, возникаю­щее в области полюсного башмака, ведет к снижению доступной поверхности клеммы вкупе с ростом магнитного сопротивления. Вот почему у более крупных двигателей име­ется компенсирующая обмотка, встроенная как полюсный башмак (рис. «Структура двухполюсного электродвигателя переменного тока» ). Компенсирующая обмотка последовательно соединяется с об­моткой ротора, и ее размеры таковы, чтобы компенсировать поперечное поле ротора.

Эффект коммутирующей и компенсирующей обмоток

Последовательность изображений на рис. «Эффект компенсирующей и коммутирующей обмоток» описывает эффект обеих обмоток. Показаны распределения полей в воздушном зазоре. Рас­положение полюсов с обмоткой и нейтральной зоной показано на рис. а. Распределение поля возбуждения ВE(х) под полюсным башмаком, а также полюсное деление τР показаны на рис. Ь. На рис. с показано распределение попе­речного поля ротора Br(x). Наложение обоих распределений полей можно увидеть на рис. d. Компенсирующая индукция Bk(x) (рис.5е) и наложение из рис. d показаны на рис. f. Если коммутирующая индукция Bw(x) на рис. g накладывается на распределение поля из рис. f, то получаем желаемое распределе­ние поля согласно рис. h.

Расчет тангенциальной силы ротора

Для создания крутящего момента на роторе необходима тангенциальная сила. Объекты исследования — статор и ротор с канавкой (рис. «Расположение статора и ротора» ), в которой находится токоведущий проводник (прядь обмотки). Ротор переме­щается из положения 1 в положение 2. Поток статора Фs создает индукцию Bs в воздуш­ном зазоре, а проводник в роторе, через ко­торый протекает ток, вызывает индукцию ВR. С левой стороны канавки образуется деструк­тивное, а с правой стороны — конструктивное наложение этих двух индукций. Энергия, на­копленная в воздушном зазоре с левой сто­роны канавки, равна:

С правой стороны канавки она равна:

dW1 = (δIL/2μ) (Bs 2 +BR 2 )dx (уравнение 2).

Работа dW, выполняемая в этой части, по­лучается из разности между энергиями dW1 и dW2:

dW = dW1- dW2 = Ft dx (уравнение 3).

Уравнения 1, 2 и 3 можно использовать для вычисления силы Ft. Это можно описать вы­ражением:

Ft = (lRδ/) BR 2

Магнитно-эффективная длина ротора равна lR. Сила Ft — это квадратичная функция ин­дукции провода, по которому протекает ток. Влияния индукции статора компенсируют друг друга. Поскольку силы на пограничных слоях всегда воздействуют в направлении низкой проницаемости, то они влияют на кру­тящий момент из-за потоков, возникающих по бокам от канавки.

Читать еще:  Все характеристики двигателя т200

Электродвигатель параллельного возбуждения

Особенностью электродвигателя параллель­ного возбуждения является то, что обмотка ротора параллельно соединяется с обмоткой возбуждения. Для электродвигателя парал­лельного возбуждения действуют следующие условия подключения (рис. «Обозначение подключений электродвигателя с параллельным возбуждением» ):

  • А — обмотка ротора:
  • А — коммутирующая обмотка;
  • С — Компенсирующая обмотка;
  • Е — обмотка возбуждения.

Расчет электродвигателя параллельного возбуждения базируется на сопротивлении ротора RA и напряжении, наводимом обмот­кой ротора. Напряжение на клеммах UKl со­ставляется из напряжения ротора UA = IА RA и наведенного напряжения Uind = c1 n ФS:

UKl = IА RA + c1 n ФS (уравнение 4).

Здесь с1 обозначает конструктивно опреде­ляемую константу двигателя, зависящую от количества катушек в обмотке ротора, n — ча­стота вращения, ФS — поток статора, IА — ток ротора.

Решение уравнения 4 для n дает скорость вращения (уравнение частоты вращения — тока ротора):

Если момент двигателя Мм = с2ФS IАвставить в уравнение частоты вращения — тока ротора (уравнение 5), то получим уравнение частоты вращения — крутящего момента

с2 — это тоже конструктивно определяемая константа двигателя, зависящая от количе­ства катушек в обмотке ротора.

На рис. «Зависимость частоты вращения от крутящего момента электродвигателя с параллельным возбуждением» показаны рабочие характеристики электродвигателя параллельного возбуждения. Для преодоления трения двигатель должен развивать фрикционный момент MR. В момент включения частота вращения равна нулю. Это позволяет вычислить пуско­вой момент

в уравнении 6. При теоретически самой высо­кой частоте вращения на характеристической кривой (холостые обороты), двигатель не развивает крутящий момент. Холостые обо­роты n равны

Электродвигатель с последовательным возбуждением

У электродвигателя с последовательным воз­буждением коммутирующая, компенсирую­щая, возбуждающая обмотки статора и об­мотка ротора соединяются последовательно (рис. «Обозначение подключений электродвигателя с последовательным возбуждением» ). D обозначает обмотку возбуждения электродвигателя с последовательным воз­буждением. Чтобы определить рабочие характеристики, суммируем сопротивления обмоток, и получаем сопротивление RA.

Точно таким же образом, как и в случае с электродвигателем параллельного возбуж­дения, напряжение на клеммах UKL склады­вается из напряжения ротора и наведенного напряжения:

В результате получаем уравнение скорости вращения:

Магнитный поток можно вычислить с помо­щью другой константы двигателя с3:

Ф = с3 IА (уравнение 9).

Константа двигателя с3 имеет единицу ин­дуктивности и поэтому зависит от геометрии, количества катушек и проницаемости. Крутя­щий момент двигателя Мм вычисляется по формуле

Мм = с2с3IА 2 (уравнение 10).

Если уравнение 10 скорректировать согласно IА, это выражение будет действительно в уравнении 9 и оно, в свою очередь, в уравне­нии частоты вращения — тока (уравнение 8). В результате получаем:

n = (- RA/c1·с3) + (UKl √с2·с3/с1·с3) (1/Мм ) (уравнение 11).

В отличие от электродвигателя с параллель­ным возбуждением, здесь частота вращения пропорциональна соответствующему значе­нию корня крутящего момента (рис. «Зависимость частоты вращения от крутящего момента электродвигателя с последовательным возбуждением» ). Дви­гатель характеризуется значительным паде­нием частоты вращения при малой нагрузке. Если внешняя нагрузка на двигатель будет равна нулю, то частота вращения теоретиче­ски будет стремиться к бесконечности.

Что такое электрический двигатель?

Электродвигатели у нас сейчас повсюду. Как правило, там, куда мы даже и не заглядываем. Если автомобиль — это в большой степени для нас мотор на четырех колесах, который мы любим, знаем его характер и капризы, знаем, что ему нужно и как его содержать и с ним ладить, то электродвигатели обычно прячутся в самой разнообразной технике. Холодильник для нас — всего лишь холодильник. Лифт — пустая, чистая (в меру) комнатенка для подъема нас на наш родной этаж. Трамвай — эдакое место сборища и общения с громом, лязгом и плывущими панорамами за окном.

Во всех этих случаях мы, конечно, знаем, что там где-то внутри или далеко установлен электродвигатель, а то и не один, и он как раз и выполняет свою работу. Только когда что-то пошло не так, все остановилось и замерло, мы никогда не заподозрим именно его в отказе нас обслуживать. И, засучив рукава, не полезем внутрь снимать свечи, крутить жиклеры, интересоваться подачей топлива и прочее. Ответ обычно один — отключили электроэнергию. И как только она вернется, электродвижок сразу скромно и безотказно продолжит свою работу ровно с того места, где напасть его застала и остановила.

История

Электродвигатель изобрели очень давно — по меркам нынешнего технического прогресса — еще в начале XIX века. Майкл Фарадей, известный экспериментатор с магнитами и электрическим током в проводе, получил самое первое устройство преобразования тока в движение, случайно приладив рамочку с проводом на оси в поле постоянного магнита. Рамочка (или катушка с проводом) убегает в поле при включении тока, вот чтобы она «далеко не прыгала», ее заставили двигаться по кругу. Аналогичная система фиксации, только с помощью пружинки, привела к созданию электромагнитов и всего семейства устройств возвратно-поступательного движения: электромагнитных реле, электрозвонков и так далее.

Рамка проводника в поле проворачивалась на некоторый угол. Ну и придумали, как подать на нее электрическое напряжение так, чтобы после поворота ток в ней менял направление на обратное. Рамочка начала движение постоянное, хотя и «рывками», и это можно считать самым первым электродвигателем, а случилось это в 1821 году.

Называют такой двигатель электродвигателем постоянного тока. Это не совсем точно, потому что коллектор со щетками — контактная механическая прибамбаса, подающая ток на рамку — этот ток как раз прерывает, и уже в рамочке он всякий раз при вращении меняет направление. Хотя на сам двигатель напряжение подается именно постоянное, ну а другого тогда и не было. Для опытов брали постоянное напряжение от первых аккумуляторов — вольтова столба.

Потом заметили, что и сама рамка провода в электрическом поле, если ее «насильственно» вращать, начинает вырабатывать напряжение. Это назвали «электромагнитной индукцией». Забавляясь теперь с новой «игрушкой», обнаружили, что по мере вращения рамочки напряжение на ее концах плавно меняется, и, таким образом, открыли возможность генерации переменного тока.

И вот уже потом сообразили, как переменным током вращать ту же самую рамочку, и даже без контактных искрящих прибамбасов. Вот так и получились двигатели переменного тока, и произошло это уже в 80-е годы XIX века.

В настоящее время используются электродвигатели и постоянного, и переменного тока, разумеется, прошедшие уже порядочный путь совершенствования.

Электродвигатели постоянного тока

Машина, преобразующая электричество в механическую энергию, изобретенная первой, и понятна всем лучше. Хотя, при более подробном рассмотрении, оказывается, что двигатели переменного тока сделаны часто явно проще и остроумнее, хотя и не без своих, присущих именно им, недостатков.

Читать еще:  Высокие обороты двигателя на филдере

В двигателях постоянного тока все пошло от постоянных магнитов, установленных на неподвижном основании двигателя и вращающейся в их поле рамки. Теперь неподвижная часть называется статор (магниты заменены электромагнитами), а подвижная часть — якорь. В якоре не одна обмотка, а несколько. По аналогии с двигателем внутреннего сгорания это как разные поршни, толкающие все по очереди один и тот же коленвал. Разные обмотки в якоре тоже сдвинуты относительно друг друга на некоторый угол, и совместное их действие делает движение вала более плавным и равномерным. Все закономерно и предсказуемо.

Но существуют и варианты:

  • возбуждение от постоянных магнитов;
  • с различными схемами соединения обмоток якоря и статора;
  • бесколлекторный двигатель, в котором специальная схема отслеживает положение ротора и соответственно этому управляет магнитным полем статора.

Достоинства и недостатки

  • Самое главное преимущество двигателя постоянного тока — это то, что в нем легко и естественно происходит управление скоростью. Собственно говоря, двигатель создает момент вращения, пропорциональный приложенному напряжению. Этот момент вращает якорь двигателя с некоторой скоростью холостого хода. При наличии нагрузки на валу двигателя скорость вращения уменьшается, и, увеличив напряжение реостатом, можно добиться нужной скорости вращения. Так это и делается, например, в трамвае или троллейбусе.
  • Другой практический плюс у электродвигателя постоянного тока — это большой пусковой момент.
  • Компактность и простота конструкции дают таким двигателям широкое распространение. Двигатели постоянного тока очень удобны при питании от батареек и в различных миниатюрных приборах — компьютерах, игрушках и т.д.
  • Как обратимые машины, двигатели постоянного тока могут использоваться и в режиме генерации. то есть утилизации двигательной инерции, например, транспортных средств.

Слабым местом электродвигателя постоянного тока является его коллектор. Это контактное устройство, подверженное постоянному трению и износу. Кроме того, прохождение тока вызывает искрение и дополнительный износ коллектора и щеток.

Такое свойство конструкторы постарались преодолеть, создав бесколлекторный двигатель постоянного тока. В этом случае получилось замещение одного минуса другим — бесколлеторный двигатель получил теперь большую сложность и дороговизну.

Электродвигатели переменного тока

Электродвигатели переменного тока никак не могли появиться раньше, чем научились генерировать переменный ток, от которого они и питаются.

Переменное напряжение

Генерация получилась, когда всяко-разно пытались скомбинировать все те же компоненты: рамку проводниковую и постоянный магнит. Наилучший и наиболее показательный вариант получился, когда рамку установили постоянно, а вращать принялись магнит в середине нее.

Полученный прибор порадовал, главным образом, отсутствием устройства, которое должно снимать напряжение с вращающихся проводников — коллектора. При вращении магнита на неподвижных контактах рамки действительно появилось напряжение, только поначалу непривычное — переменное, строго синусоидальное и с частотой, прямо зависящей от скорости вращения.

Ну и оказалось, что переменный синусоидальный ток можно преобразовывать обратно в движение, не заботясь совсем о его выпрямлении. А просто изготовив двигатель переменного тока.

С тех пор у нас и началась эпоха сетей переменного тока, постепенно охватившего всю страну и всю планету. В коей мы сейчас благополучно и существуем.

Разновидности двигателей переменного тока

Так как ток у нас переменный синусоидальный, то следует и ожидать, что ротор двигателя на нем будет вращаться с его частотой синхронно или не совсем. Поэтому и двигатели переменного тока бывают синхронные и асинхронные.

Кроме того, переменный ток бывает однофазный и многофазный. Соответственно, и двигатели переменного тока могут быть рассчитаны на определенное количество фаз.

Самый главный принцип двигателей переменного тока — это то, что ротор заставляет двигаться электромагнитное поле, «бегущее» по кругу по неподвижным катушкам статора. Это достигается благодаря тому, что напряжение, питающее двигатель, переменное, и если соответствующим образом и в соответствующем порядке подключить обмотки, то такое поле и заставит крутиться ротор вслед за своим (поля) движением. Весь вопрос в том, как хорошо ротор будет успевать крутиться.

Синхронный двигатель переменного тока

У синхронного двигателя ротор вращается синхронно с изменением электромагнитного поля в статоре. То есть пропорционально частоте напряжения в сети. Пропорция зависит от количества полюсов обмоток на статоре. Если полюсных обмоток всего две — одна сверху и одна снизу — то движение ротора будет строго синхронно частоте напряжения питания. Если количество катушек (обмоток) увеличить вдвое, то и скорость вращения увеличится вдвое, так как магнитное поле в обмотках будет бежать по ним вдвое быстрее.

В роторе могут быть установлены постоянные магниты, но при этом большой мощности двигателя добиться трудно. Поэтому и в роторе используются электромагниты, на обмотки которых подается отдельное напряжение возбуждения. Для этого используют коллектор и щетки, почти такие же, как у двигателя постоянного тока. А для создания напряжения возбуждения может быть использован отдельный генератор постоянного тока, насаженный на ту же ось. В этом случае можно обойтись и без коллектора, а подавать напряжение возбуждения с одного вращающегося ротора (генератора) на другой (двигателя).

Как видим, система получается довольно замысловатой.

Самое главное преимущество таких двигателей — синхронность.

Недостаток — плохой запуск двигателя. Для этого может быть использован режим асинхронной работы, и тогда при достижении «подсинхронной» скорости» производится переключение в синхронный режим.

Асинхронный двигатель переменного тока

Асинхронный двигатель использует в роторе короткозамкнутые обмотки, в которых наводится напряжение возбуждения, и уже это напряжение и толкает ротор, заставляя его двигаться вслед за бегущим по обмоткам статора круговым «волнам» магнитного поля от переменного тока, приложенного к обмоткам. Обмотки в роторе часто называют «беличьей клеткой», и они действительно на нее похожи.

Ротор разгоняется «почти» до состояния синхронизации, но идеального совпадения быть не может, так как если скорость ротора равна скорости вращения поля, то в «беличьей клетке» наводка напряжения возбуждения станет невозможна. Поэтому асинхронные двигатели так и работают: сначала «почти» догоняют синхронную скорость, потом «проскальзывают», и скорость падает.

Постепенно ротор принимает некоторую скорость вращения, слегка отличающуюся от синхронной скорости. И так и работает дальше. При изменении нагрузки на валу меняется и это рассогласование — если нагрузка больше, оно увеличивается, если меньше — уменьшается.

Ну и используются асинхронные двигатели там, где точная скорость вращения не критична, например, в вентиляторах.

Несомненным плюсом является простота двигателя, отсутствие коллекторной системы, умение хорошо разгоняться.

Минусом, кроме неточности скорости, является свойство обмоток «беличьей клетки» сильно греться во время работы, и тем больше, чем больше нагрузка.

Поэтому беличью клетку и выполняют с радиаторными ребрами и крыльчатками для охлаждения.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector