(Боже мій, як швидко летить час!). Сьогоднішня тема може бути мало кого зацікавить, зате якщо кого зацікавить, це буде дуже на користь їм. Слухаємо trudnopisaka : Будь ласка, напишіть зрозуміло про пристрій електродвигунів постійного струму. Можна з прикладу однієї з типів. Адже, з одного боку, принцип роботи дуже простий, а з іншого, якщо розібрати один з електродвигунів, то там багато деталей, призначення яких не очевидне. А на сайтах на початку пошукової видачіє лише назва цих деталей, у кращому разі. Планую з дітьми зібрати простий електродвигун, щоб це допомогло їм у розуміннітехніки і вони не боялися її освоювати.

Перший етап розвитку електродвигуна (1821-1832) тісно пов'язаний із створенням фізичних приладів для демонстрації безперервного перетворення електричної енергії на механічну.

У 1821 році М. Фарадей, досліджуючи взаємодію провідників зі струмом та магнітом, показав, що електричний струм викликає обертання провідника навколо магніту або обертання магніту навколо провідника. Досвід Фарадея підтвердив важливу можливість побудови електричного двигуна.

Для другого етапу розвитку електродвигунів (1833-1860) характерні конструкції з обертальним рухом якоря.

Томас Девенпорт - американський коваль, винахідник, в 1833 сконструював перший роторний електродвигун постійного струму, створив модель поїзда, що наводиться їм в рух. У 1837 він отримав патент на електромагнітну машину.

У 1834 Б. С. Якобі створив перший у світі електричний двигун постійного струму, в якому реалізував принцип безпосереднього обертання рухомої частини двигуна. 13 вересня 1838 р. човен з 12 пасажирами поплив Невою проти течії зі швидкістю близько 3 км/год. Човен був забезпечений колесами з лопатями. Колеса приводилися у обертання електричним двигуном, який отримував струм від батареї із 320 гальванічних елементів. Так уперше електричний двигун з'явився на судні.

Випробування різних конструкцій електродвигунів привели Б. С. Якобі та інших дослідників до таких висновків:

• розширення застосування електродвигунів знаходиться у прямій залежності від здешевлення електричної енергії, тобто від створення генератора, більш економічного, ніж гальванічні елементи;
• електродвигуни повинні мати по можливості малі габарити, більшу потужність і більший коефіцієнт корисної дії;
• етап у розвитку електродвигунів пов'язаний з розробкою конструкцій з кільцевим неявнополюсним якорем і практично постійним крутним моментом.

Третій етап розвитку електродвигунів характеризується відкриттям та промисловим використанням принципу самозбудження, у зв'язку з чим було остаточно усвідомлено та сформульовано принцип оборотності електричної машини. Живлення електродвигунів почало вироблятися від дешевшого джерела електричної енергії - електромагнітного генератора постійного струму.

У 1886 році електродвигун постійного струму набув основних рис сучасної конструкції. Надалі він дедалі більше удосконалювався.

Нині важко уявити життя людства без електродвигуна. Він використовується у поїздах, тролейбусах, трамваях. На заводах та фабриках стоять потужні електричні верстати. Електром'ясорубки, кухонні комбайни, кавомолки, пилососи - все це використовується в побуті та оснащено електродвигунами.

Переважна більшість електричних машин працює за принципом магнітного відштовхування та тяжіння. Якщо між північним і південним полюсами магніту помістити дріт і пропустити по ньому струм, його виштовхне назовні. Як це можливо? Справа в тому, що проходячи провідником, струм формує навколо себе кругове магнітне поле по всій довжині дроту. Напрямок цього поля визначають за правилом буравчика (гвинта).

При взаємодії кругового поля провідника та однорідного поля магніту між полюсами магнітне поле з одного боку слабшає, а з іншого посилюється. Тобто середовище стає пружним і результуюча сила виштовхує провід з поля магніту під кутом 90 градусів у напрямку, що визначається за правилом лівої руки (правило правої руки використовується для генераторів, а правило лівої руки підходить тільки двигунам). Ця сила називається «амперової» і її величина визначається за законом Ампера F = BхIхL, де - значення магнітної індукції поля; I – струм, що циркулює у провіднику; L - Довжина дроту.

Це використовували як основний принцип роботи перших електродвигунів, цей принцип використовують і понині. У двигунах постійного струму малої потужності до створення постійного магнітного поля застосовуються постійні магніти. У електромоторах середньої та великої потужностіоднорідне магнітне поле утворюють за допомогою обмотки збудження або індуктора.

Розглянемо принцип створення механічного руху з допомогою електрики докладніше. На динамічній ілюстрації показано найпростіший електромотор. У однорідному магнітному полі вертикально розташовуємо дротяну рамку і пропускаємо по ній струм. Що відбувається? Рамка провертається і за інерцією рухається якийсь час до досягнення горизонтального становища. Це нейтральне положення - мертва точка - місце, де вплив поля на провідник зі струмом дорівнює нулю. Щоб рух продовжився, потрібно додати ще хоча б одну рамку та забезпечити перемикання напрямок струму в рамці в потрібний момент. На навчальному відео внизу сторінки добре видно цей процес.

Сучасний двигун постійного струму замість однієї рамки має якір з безліччю провідників, покладених у пази, а замість постійного підковоподібного магніту має статор з обмоткою збудження з двома та більше полясами. На малюнку показаний двополюсний електромотор у розрізі. Принцип його роботи є наступним. Якщо по проводах верхньої частини якоря пропустити струм, що рухається «від нас» (відзначено хрестиком), а в нижній частині – «на нас» (відзначено точкою), то згідно з правилом лівої руки верхні провідники виштовхуватимуться з магнітного поля статора вліво, а провідники нижньої половини якоря за тим самим принципом виштовхуватимуться праворуч. Оскільки мідний провід покладено в пазах якоря, то вся сила впливу буде передаватися і на нього, і він провертатиметься. Далі видно, що коли провідник з напрямком струму «від нас» перевіриться вниз і стане проти південного полюса, що створюється статором, то він видавлюватиметься в ліву сторону, і станеться гальмування. Щоб цього не сталося необхідно змінити напрям струму у дроті на протилежне, як тільки буде перетнута нейтральна лінія. Це робиться за допомогою колектора – спеціального перемикача, що комутує обмотку якоря із загальною схемою електродвигуна.

Таким чином, обмотка якоря передає крутний момент на вал електромотора, а той у свою чергу надає руху робочі механізми будь-якого обладнання, такого як, наприклад, верстат для сітки рабиці. Хоча в цьому випадку використовується асинхронний двигун змінного струму, основний принцип його роботи ідентичний принципу дії двигуна постійного струму - виштовхування провідника зі струмом з магнітного поля. Тільки у асинхронного електромотора магнітне поле, що обертається, а у електродвигуна постійного струму - поле статичне.

Конструктивно всі електричні двигуни постійного струму складаються з індуктора та якоря, розділених повітряним зазором.

Індуктор (статор) електродвигуна постійного струму служить створення нерухомого магнітного поля машини і складається з станини, головних і додаткових полюсів. Станіна служить для кріплення основних та додаткових полюсів та є елементом магнітного ланцюга машини. На головних полюсах розташовані обмотки збудження, призначені до створення магнітного поля машини, на додаткових полюсах - спеціальна обмотка, що служить поліпшення умов комутації.

Якір електродвигуна постійного струму складається з магнітної системи, зібраної з окремих листів, робочої обмотки, покладеної в пази, і колектора службовця для підведення до робочої обмотки постійного струму.

Колектор є циліндр, насаджений на вал двигуна і обраний із ізольованих один від одного мідних пластин. На колекторі є виступи-півники, яких припаяні кінці секцій обмотки якоря. Знімання струму з колектора здійснюється за допомогою щіток, що забезпечують ковзний контакт із колектором. Щітки закріплені в щіткотримачах, які утримують їх у певному положенні та забезпечують необхідне натискання щітки на поверхню колектора. Щітки та щіткотримачі закріплені на траверсі, пов'язаній з корпусом електродвигуна.

Колекторний двигун він дуже непоганий. Він страшенно легко і гнучко регулюється. Можна підвищувати обороти, знижувати, механічна жорстка характеристика, момент він тримає на ура. Залежність пряма. Ну, казка, а не мотор. Якби не одна ложка дьогтю у всій цій смакоті - колектор.

Це складний, дорогий та дуже ненадійний вузол. Він іскрит, створює перешкоди, забивається пилом, що проводить, від щіток. А при великому навантаженні може спалахнути, утворивши круговий вогонь і тоді все, капець движку. Закоротить все дугою наглухо.

Але що таке колектор загалом? Нафіга він потрібний? Вище говорив, що колектор це механічний інвертор. Його завдання - перемикати напругу якоря туди сюди, підставляючи обмотку під потік.

Колектор в електричних машинах виконує роль випрямляча змінного струму в постійний (у генераторах) і роль автоматичного перемикача напрямку струму в провідниках якіря, що обертаються (у двигунах).

Коли магнітне поле перетинається тільки двома провідниками, що утворюють рамку, колектор буде одним кільцем, розрізаним на дві частини, ізольовані одна від одної. У загальному випадку кожне півкільце зветься колекторної пластини.

Початок і кінець рамки приєднуються кожен до колекторної пластини. Щітки розташовуються таким чином, щоб одна з них завжди була з'єднана з провідником, який буде рухатися біля північного полюса, а інша - з провідником, який буде рухатися біля південного полюса.

Рис. 2. Спрощене зображення колектора

Рис. 3. Випрямлення змінного струму за допомогою колектора

Повідомимо рамці обертальний рух у напрямку за годинниковою стрілкою. У момент, коли рамка, що обертається, займе положення, зображене на рис. 3 А в її провідниках буде індуктуватися найбільший за величиною струм, так як провідники перетинають магнітні силові лінії, рухаючись перпендикулярно до них.

Індуктований струм з провідника, з'єднаного з колекторної пластиною 2, надійде на щітку 4 і, пройшовши зовнішній ланцюг, через щітку 3 повернеться в провідник А. При цьому права щітка буде позитивною, а ліва негативною.

Подальший поворот рамки (становище) приведе знову до індукції струму в обох провідниках; однак напрям струму в провідниках буде протилежним тому, яке вони мали в положенні А. Оскільки разом з провідниками повернуться і колекторні пластини, то щітка 4 знову віддаватиме електричний струм у зовнішній ланцюг, а по щітці 3 струм повертатиметься в рамку.

Звідси випливає, що, незважаючи на зміну напрямку струму в самих провідниках, що обертаються, завдяки переключенню, виробленому колектором, напрям струму в зовнішньому ланцюгу не змінилося.

В наступний момент (положення Г), коли рамка вдруге займе положення на нейтральній лінії, у провідниках і, отже, у зовнішньому ланцюзі струму знову не буде.

У наступні моменти часу розглянутий цикл рухів повторюватиметься у тому порядку. Таким чином, напрямок індуктованого напряму струму у зовнішньому ланцюзі завдяки колектору весь час залишатиметься одним і тим же, а разом з цим збережеться і полярність щіток.

Щіточний вузол необхідний для підведення електроенергії до котушок на роторі, що обертається, і перемикання струму в обмотках ротора. Щітка – нерухомий контакт (зазвичай графітовий або мідно-графітовий). Щітки з великою частотою розмикають та замикають пластини-контакти колектора ротора. Як наслідок, під час роботи ДПТ відбуваються перехідні процеси, в обмотках ротора. Ці процеси призводять до іскріння на колекторі, що значно знижує надійність ДПТ. Для зменшення іскріння застосовуються різні способи, основним з яких є встановлення додаткових полюсів При великих струмах, у роторі ДПТ виникають потужні перехідні процеси, у результаті, іскріння може постійно охоплювати всі пластини колектора, незалежно від положення щіток. Це явище називається кільцевим іскрінням колектора або «круговий вогонь». Кільцеве іскріння небезпечне тим, що одночасно вигоряють усі пластини колектора та термін його служби значно скорочується. Візуально кільцеве іскріння проявляється у вигляді кільця, що світиться, біля колектора. Ефект кільцевого іскріння колектора не допустимий. При проектуванні приводів встановлюються відповідні обмеження на максимальні моменти (а отже і струми в роторі), що розвиваються двигуном. Конструкція двигуна може мати один або кілька щітково-колекторних вузлів.

А на дворі то вже 21 століття і дешеві та потужні напівпровідники зараз на кожному кроці. То навіщо нам потрібен механічний інвертор, якщо ми можемо зробити його електронним? Правильно, нема чого! Так що беремо і замінюємо колектор силовими ключами, а ще додаємо датчики положення ротора, щоб знати, в який момент перемикати обмотки.

А для більшої зручності вивертаємо двигун навиворіт - набагато простіше обертати магніт або простеньку обмотку збудження, ніж якір з усією цією тряхомудією на борту. Як ротора тут виступає або сильний незмінний магніт, або обмотка живиться з контактних кілець. Що хоч і скидається на колектор, але не в приклад надійніше за нього.

І що отримуємо? Правильно! Безщітковий двигун постійного струму aka BLDC. Все ті ж няшні та зручні характеристики ДПТ, але без цього мерзенного колектора. І не треба плутати BLDC із синхронними двигунами. Це дуже різні машини і різним принципом дії та управління, хоча конструктивно вони дуже схожі і той же синхронник цілком може працювати як BLDC, додати йому тільки датчиків і систему управління. Але це вже зовсім інша історія. про нього докладніше.

Продовжуючи тему двигуна постійного струму слід зазначити, що принцип дії електродвигуна ґрунтується на інвертуванні постійного струму в якірний ланцюг, щоб не було гальмування, і обертання ротора підтримувалося в постійному ритмі. Якщо змінити напрямок струму в збуджувальній обмотці статора, то, згідно з правилом лівої руки, зміниться напрямок обертання ротора. Те саме відбудеться, якщо ми поміняємо місцями щіткові контакти, що підводять живлення від джерела до якірної обмотки. А от якщо поміняти «+» «-» і там і там, то напрямок обертання валу не зміниться. Тому, в принципі, для живлення такого двигуна можна використовувати і змінний струм, т.к. струм в індукторі та якорі змінюватиметься одночасно. Насправді такі пристрої використовуються рідко.

Думаю багато хто з вас хто балувався з двигунами могли помітити, що у них є яскраво виражений пусковий струм, коли мотор на старті може рвонути стрілку амперметра, наприклад, до ампера, а після розгону струм падає до яких-небудь 200мА.

Чому це відбувається? Це працює протиЕДС. Коли двигун стоїть, то струм який через нього може пройти залежить лише від двох параметрів - напруги живлення та опору якірної обмотки. Так що граничний струм, який може розвинути двигун і на який слід розраховувати схему, дізнатися нескладно. Досить виміряти опір обмотки двигуна і поділити на це значення напруга живлення. Просто за законом Ома. Це і буде максимальний струм, пусковий.

Але в міру розгону починається кумедна річ, обмотка якоря рухається упоперек магнітного поля статора і в ній наводиться ЕРС, як у генераторі, але спрямована вона зустрічно тій, що обертає двигун. І в результаті, струм через якір різко знижується, тим більше, чим вища швидкість.

А якщо двигун додатково ще підкручувати по ходу, то протиедс буде вище за живлення і двигун почне вкачувати енергію в систему, ставши генератором.

Що стосується електричної схемивключення двигуна, то їх кілька і вони показані малюнку. При паралельному з'єднанніобмоток, обмотка якоря виготовляється з великої кількості витків тонкого дроту. При такому підключенні комутований колектором струм буде значно меншим через великий опір і пластини не будуть сильно іскрити і вигоряти. Якщо робити послідовне з'єднання обмоток індуктора і якоря, то обмотка індуктора виготовляється з дроту більшого діаметра з меншою кількістю витків, т.к. весь якірний струм прямує через статорну обмотку. При таких маніпуляціях з пропорційною зміною значень струму і кількості витків, сила, що намагнічує, залишається постійною, а якісні характеристики пристрою стають кращими.

На сьогоднішній день двигуни постійного струму мало використовуються на виробництві. З недоліків цього типу електричних машин можна відзначити швидке зношування щітково-колекторного вузла. Переваги – хороші характеристикизапуску, легке регулювання частоти та напрямки обертання, простота пристрою та управління.

В даний час двигуни постійного струму незалежного збудження, керовані тиристорними перетворювачами, використовуються в промислових електроприводах. Ці приводи забезпечують регулювання швидкості в широкому діапазоні. Регулювання швидкості вниз від номінальної здійснюється зміною напруги якорі, а вгору - ослабленням потоку збудження. Обмеження, за потужністю і швидкістю обумовлені властивостями двигунів, що використовуються, а не напівпровідникових приладів. Тиристори можуть з'єднуватись послідовно або паралельно, якщо вони мають недостатньо високий. клас за напругою або струмом. Струм якоря та момент обмежені перевантажувальною здатністю двигуна по нагріванню.

Принцип роботи:

Складання двигуна постійного струму ПО ДЕТАЛЯМ:

Для цікавих можу ще докладно розповісти про або, наприклад, що таке. Ну і зовсім для спраглих - докладно про . Оригінал статті знаходиться на сайті ІнфоГлаз.рфПосилання на статтю, з якою зроблена ця копія -

Електродвигуни - це пристрої, у яких електрична енергія перетворюється на механічну. В основі принципу їхньої дії лежить явище електромагнітної індукції.

Однак способи взаємодії магнітних полів, що змушують обертатися ротор двигуна, істотно різняться залежно від типу напруги живлення - змінного або постійного.

Пристрій та принцип дії електродвигуна постійного струму

В основі принципу роботи електродвигуна постійного струму лежить ефект відштовхування однойменних полюсів постійних магнітів та притягнення різномінених. Пріоритет її винаходу належить російському інженеру Б. С. Якобі. Перша промислова модель двигуна постійного струму була створена 1838 року. З того часу його конструкція не зазнала кардинальних змін.

У двигунах постійного струму невеликої потужності один із магнітів є фізично існуючим. Він закріплений безпосередньо на корпусі машини. Другий створюється в обмотці якоря після підключення джерела постійного струму. Для цього використовується спеціальний пристрій – колекторно-щітковий вузол. Сам колектор - це кільце струмопровідне, закріплене на валу двигуна. До нього підключені кінці обмотки якоря.

Щоб виник крутний момент, необхідно безперервно міняти місцями полюси постійного магніту якоря. Відбуватися це має у момент перетину полюсом так званої магнітної нейтралі. Конструктивно таке завдання вирішується розділенням кільця колектора на сектори, розділені діелектричними пластинами. Кінці обмоток якоря приєднуються до них послідовно.

Щоб з'єднати колектор з мережею живлення використовуються так звані щітки - графітові стрижні, що мають високу електричну провідність і малий коефіцієнт тертя ковзання.

У двигунах великої потужності фізично існуючих магнітів не використовують через їхню велику вагу. Для створення постійного магнітного поля статора використовується кілька металевих стрижнів, кожен з яких має власну обмотку з провідника, підключеного до плюсової або мінусової шини. Одноіменні полюси включаються послідовно.

Кількість пар полюсів на корпусі двигуна може бути одною або чотирма. Число струмознімних щіток на колекторі якоря має відповідати.

Електродвигуни великої потужності мають низку конструктивних хитрощів. Наприклад, після запуску двигуна та зі зміною навантаження на нього, вузол струмознімальних щіток зсувається на певний кут проти обертання валу. Так компенсується ефект «реакції якоря», що веде до гальмування валу та зниження ефективності електричної машини.

Також існує три схеми підключення двигуна постійного струму:

• з паралельним збудженням;
• послідовним;
• змішаним.

Паралельне збудження - це коли паралельно обмотці якоря включається ще одна незалежна, зазвичай регульована (реостат).

Такий спосіб підключення дозволяє дуже плавно регулювати швидкість обертання та досягати її максимальної стабільності. Його використовують для живлення електродвигунів верстатів та кранового обладнання.

Послідовна - до ланцюга якоря додаткова обмотка включена послідовно. Такий тип підключення використовується для того, щоб у потрібний момент різко наростити зусилля, що обертає двигуна. Наприклад, під час рушання з місця залізничних складів.

Двигуни постійного струму мають можливість плавного регулювання частоти обертання, тому їх застосовують як тягові на електротранспорті та вантажопідйомному обладнанні.

Двигуни змінного струму – у чому відмінність?

Пристрій і принцип роботи електродвигуна змінного струму для створення крутного моменту передбачають використання магнітного поля, що обертається. Їх винахідником вважається російський інженер М. О. Доливо-Добровольський, який створив в 1890 перший промисловий зразок двигуна і є основоположником теорії і техніки трифазного змінного струму.

Магнітне поле, що обертається, виникає в трьох обмотках статора двигуна відразу, як тільки вони підключаються до ланцюга напруги живлення. Ротор такого електромотора в традиційному виконанні не має жодних обмоток і є, грубо кажучи, шматком заліза, що чимось нагадує білизна колесо.

Магнітне поле статора провокує виникнення в роторі струму, причому дуже великого, адже це короткозамкнута конструкція. Цей струм викликає виникнення свого поля якоря, яке «зчіпається» з вихровим магнітним потом статора і змушує обертатися вал двигуна у тому напрямі.

Магнітне поле якоря має таку ж швидкість, як і статора, але відстає від нього по фазі приблизно 8-100. Саме тому двигуни змінного струму називаються асинхронними.

Принцип дії електродвигуна змінного струму з традиційним короткозамкненим ротором має дуже великі пускові струми. Ймовірно, багато хто з вас це помічав - при пуску двигунів лампи розжарювання змінюють яскравість світіння. Тому в електричних машинах великої потужності застосовується фазний ротор – на ньому укладено три обмотки, з'єднані «зіркою».

Обмотки якоря не підключені до мережі живлення, а за допомогою колекторно-щіткового вузла з'єднані з пусковим реостатом. Процес включення такого двигуна складається з з'єднання з мережею живлення і поступового зменшення до нуля активного опору в ланцюгу якоря. Електромотор включається плавно та без перевантажень.

Особливості використання асинхронних двигунів в однофазному ланцюзі

Незважаючи на те, що магнітне поле статора, що обертається, найпростіше отримати від трифазної напруги, принцип дії асинхронного електродвигуна дозволяє йому працювати і від однофазної, побутової мережі, якщо в їх конструкцію будуть внесені деякі зміни.

Для цього на статорі має бути дві обмотки, одна з яких є «пусковий». Струм у ній зсувається по фазі на 90 ° за рахунок включення в ланцюг реактивного навантаження. Найчастіше для цього використовується конденсатор.

Запитати від побутової розетки можна і трифазний промисловий двигун. Для цього в клемній коробці дві обмотки з'єднуються в одну, і в цей ланцюг включається конденсатор. Виходячи з принципу роботи асинхронних електродвигунів, запитаних від однофазного ланцюга, слід зазначити, що вони мають менший ККД і дуже чутливі до перевантажень.

Електродвигуни цього легко запускаються, але частоту їх обертання практично неможливо регулювати.

Вони чутливі до перепадів напруги, а при "недовантаженні" знижують коефіцієнт корисної дії, стаючи джерелом непропорційно великих витрателектроенергії. У цьому існують методи використання асинхронного двигуна як генератор.

Універсальні колекторні двигуни - принцип роботи та характеристики

У побутових електроінструментах малої потужності, від яких потрібні малі пускові струми, великий момент, що обертає, висока частота обертання і можливість її плавного регулювання, використовуються так звані універсальні колекторні двигуни. За своєю конструкцією вони аналогічні двигунам постійного струму з послідовним збудженням.

У таких двигунах магнітне поле статора створюється за рахунок напруги живлення. Тільки трохи змінена конструкція магнітопроводів - вона не лита, а набірна, що дозволяє зменшувати перемагнічування та нагрівання струмами Фуко. Послідовно включена в ланцюг якоря індуктивність дає можливість міняти напрямок магнітного поля статора і якоря в одному напрямку і в тій же фазі.

Майже повна синхронність магнітних полів дозволяє двигуну набирати оберти навіть при значних навантаженнях на валу, що й потрібне для роботи дрилів, перфораторів, пилососів, «болгарок» або полотерних машин.

Якщо в ланцюг живлення такого двигуна включений регульований трансформатор, то частоту його обертання можна плавно змінювати. А ось напрямок, при живленні від ланцюга змінного струму, змінити не вдасться ніколи.

Такі електромотори здатні розвивати дуже високі обороти, компактні і мають більший крутний момент. Однак наявність колекторно-щіткового вузла знижує їх моторесурс – графітові щітки досить швидко стираються на високих оборотах, особливо якщо колектор має механічні пошкодження.

Електродвигуни мають найбільший ККД (більше 80%) із усіх пристроїв, створених людиною. Їхній винахід наприкінці XIX століття цілком можна вважати якісним цивілізаційним стрибком, адже без них неможливо уявити життя сучасного суспільства, Заснованого на високих технологіях, а чогось більш ефективного поки що не придумано.

Синхронний принцип роботи електродвигуна на відео

Електродвигун є одним із ключових винаходів людства. Саме завдяки електричним моторам нам вдалося досягти такого високого розвитку нашої цивілізації. Основні принципи роботи цього пристрою вивчаються вже у школі. Сучасний електродвигун може виконувати безліч різних завдань. У його роботи лежить передача обертання електроприводного валу інші види руху. У цій статті ми докладно розглянемо, як працює цей пристрій.

Характеристики електродвигунів

Електромотор, власне, є прилад, з якого електрична енергія перетворюється на механічну. В основі цього явища є магнетизм. Відповідно, в конструкцію електродвигуна входять постійні магніти та електричні магніти, а також різні інші матеріали, що володіють властивостями, що притягають. Сьогодні цей пристрій використовується практично повсюдно. Наприклад, електромотор є ключовою деталлю годинника, пральних машин, кондиціонерів, міксерів, фенів, вентиляторів, кондиціонерів та інших побутових приладів. Варіантів використання електродвигуна в промисловості безліч. Їхні розміри теж варіюються від головки сірника до двигуна на поїздах.

Види електромоторів

В даний час виробляється безліч різновидів електромоторів, які поділяються за типом конструкції та електроживлення.

За принципом електроживлення всі моделі можна поділити на:

1. пристрої змінного струму, які як живлення використовують електромережу;
2. прилади постійного струму, що працюють від блоків живлення, пальчикових батарей, акумуляторів та інших подібних джерел.

За механізмом роботи всі електродвигуни поділяються на:

1. синхронні, що мають роторні обмотки та щітковий механізм, що використовується для подачі на обмотки електричного струму;
2. асинхронні, що відрізняються більш простою конструкцією без щіток та роторних обмоток.

Принцип роботи цих електродвигунів суттєво відрізняється. Синхронний двигун обертається з тією самою швидкістю, як і магнітне поле, яке його обертає. У той же час, асинхронний двигун обертається з меншою швидкістю, ніж електромагнітне поле.

Класи електродвигунів (розрізняються залежно від використовуваного струму) :

• клас AC (Alternating Current) – працює від змінного джерела струму;
• клас DC (Direct Current) – використовує для роботи постійний струм;
• універсальний клас, який може використовувати для будь-яке джерело струму.

Крім того, електричні двигуни можуть відрізнятися не тільки за типом конструкції, але й за способами контролю швидкості обертань. При цьому, у всіх пристроях незалежно від типу використовується той самий принцип перетворення електричної енергії в механічну.

Принцип роботи агрегату на постійному струмі

Цей тип електромотора працює на основі принципу, розробленого Майклом Фарадеєм далекого 1821 року. Його відкриття у тому, що з взаємодії електричного імпульсуз магнітом є ймовірність виникнення постійного обертання. Тобто, якщо в магнітному полі розмітити вертикальну рамку і пропустити по ній електричний струм, навколо провідника може виникнути електромагнітне поле. Воно безпосередньо контактуватиме з полюсами магнітів. Виходить, що до одного з магнітів рамка притягатиметься, а від іншого відштовхуватиметься. Відповідно, вона повернеться з вертикального положення горизонтальне, у якому вплив магнітного поля на провідник буде нульовим. Виходить, що для продовження руху необхідно буде доповнити конструкцію ще однією рамкою під кутом або змінити напрям струму в першій рамці. У більшості приладів це досягається за рахунок двох напівкілець, до яких приєднуються контактні платівки від акумулятора. Вони сприяють швидкій зміні полярності, внаслідок чого рух продовжується.

Сучасні електромотори не мають постійних магнітів, тому що їхнє місце займаю електричні магніти та котушки індуктивності. Тобто якщо ви розберете будь-який такий двигун, то побачите витки дроту, покриті ізоляційним складом. По суті, вони і є електромагнітом, який ще називається обмоткою збудження. Постійні магніти у конструкції електродвигунів застосовуються лише у невеликих дитячих іграшках, що працюють від пальчикових батарейок. Всі інші потужніші електродвигуни оснащуються тільки електричними магнітами або обмотками. При цьому, деталь, що обертається, отримала назву ротор, а статична - статор.

Як працює асинхронний електромотор

Корпус асинхронного двигуна вміщує обмотки статора, завдяки яким і створюється обертове поле магніту. Кінці для підключення обмоток виводять через спеціальну клемну колодку. Охолодження здійснюється за рахунок вентилятора, розміщеного на валі у торці електричного двигуна. Ротор щільно з'єднаний з валом, виготовленим із металевих стрижнів. Ці короткозамкнуті стрижні замикаються між собою з обох боків. За рахунок такої конструкції, двигун не потребує періодичного обслуговування, так як тут немає необхідності час від часу міняти щітки, що токоподають. Саме тому асинхронні мотори вважаються більш надійними і довговічними, ніж синхронні. В основному причиною поломки асинхронних двигунів є зношування підшипників, на яких здійснюється обертання валу.

Для роботи асинхронних двигунів необхідно, щоб обертання ротора здійснювалося повільніше ніж обертання електромагнітного поля статора. Саме за рахунок цього у роторі і виникає електричний струм. Якби обертання здійснювалося з однаковою швидкістю, то згідно із законом індукції ЕРС не утворювалося б, і не було б обертання в цілому. Однак, у справжньому житті за рахунок тертя підшипників та підвищеного навантаження на вал ротор крутитиметься повільніше. Магнітні полюси регулярно обертаються в обмотках ротора, за рахунок чого постійно змінюється напрямок струму в роторі.

За цим принципом працює і кругова пилка, оскільки найбільші обороти вона набирає без навантаження. Коли пилка починає різати дошку, її швидкість обертання знижується і одночасно ротор починає обертатися повільніше до електромагнітного поля. Відповідно, за законами електротехніки у ньому починає виникати ще більша величина ЕРС. Після цього зростає споживаний двигуном струм і він починає роботу на повній потужності. При навантаженні, при якому двигун застопориться, може виникнути руйнування короткозамкнутого ротора. Це виникає через те, що у двигуні виникає максимальна величина ЕРС. Саме тому необхідно підбирати електромотор необхідної потужності. Якщо взяти двигун занадто великої потужності, це може призвести до невиправданих витрат енергії.

Швидкість, з якою обертається ротор, у разі залежить від кількості полюсів. Якщо у пристрої є два полюси, швидкість обертання буде відповідати швидкості обертання магнітного поля. Максимально асинхронний електричний двигун може розвивати до 3 тисяч обертів на секунду. Частота мережі у своїй може становити до 50 Гц. Для зменшення швидкості вдвічі вам доведеться підвищити кількість полюсів у статорі до 4 і так далі. Єдиний недолік асинхронних моторів - це те, що вони можуть піддаватися регулюванню швидкості обертання валу лише за допомогою зміни частоти струму. Крім того, в асинхронному моторі ви не зможете досягти постійної частоти обертання валу.

Як працює синхронний електричний двигун змінного струму

Синхронний електричний двигун застосовується у тих випадках, коли потрібна постійна швидкість обертання та можливість її швидкого регулювання. Крім того, синхронний мотор використовується там, де потрібно досягти швидкості обертання понад 3 тисячі обертів, що є межею для асинхронного двигуна. Тому, такий тип електродвигуна перевага використовується в побутової техніки, Такий як пилосос, електричний інструментарій, пральна машина і так далі.

Корпус синхронного двигуна змінного струму містить обмотки, які намотуються на якір та ротор. Їхні контакти припаюються до секторів струмознімального колектора та кільця, на які за допомогою графітових щіток подають напругу. Висновки тут розташовуються так, щоб щітки завжди подавали напруги лише на одну пару. З недоліків синхронного двигуна можна відзначити їхню меншу надійність, порівняно з асинхронними двигунами.

Найчастіші поломки синхронних двигунів:

• Передчасне зношування щіток або порушення їх контакту через послаблення пружини.
• Забруднення колектора, який чиститься спиртом або нульовим наждачним папером.
• Зношування підшипників.

Принцип роботи синхронного двигуна

Обертальний момент у такому електродвигуні створюється шляхом взаємодії між магнітним полем і струмом якоря, які контактують між собою в обмотці збудження. У міру напрямку змінного струму буде змінюватися і напрямок магнітного потоку, що забезпечує обертання тільки в одну сторону. Швидкість обертання регулюється шляхом зміни сили напруги, що подається. Зміна швидкості напруги найчастіше використовується в пилососах та дрилях, де для цієї мети застосовується змінний опір або реостат.

Механізм роботи окремих типів двигуна

Промислові електродвигуни можуть працювати як на постійному, так і змінному струмі. В основі їх конструкції лежить статор, який є електромагнітом, що створює магнітне поле. Промисловий електромотор містить обмотки, які послідовно підключаються до джерела живлення за допомогою щіток. Вони поперемінно повертають ротор на певний кут, що наводить його на рух.

Найпростіший електродвигун для дитячих іграшок може працювати лише за допомогою постійного струму. Тобто він може отримувати струм від пальчикової батареї або акумулятора. Струм при цьому проходить по рамці між полюсами магніту постійного типу. Завдяки взаємодії магнітних полів рамки із магнітом вона починає обертатися. Після завершення кожного напівобороту колектор перемикає контакти в рамці, які проходять до батареї. В результаті цього рамка здійснює обертальні рухи.

Таким чином, сьогодні існує велика кількість електродвигунів різноманітного призначення, які мають один принцип роботи.

Електродвигун називається технічна система, в якій енергія електрики трансформується в енергію механічного типу. Робота такого двигуна побудовано явище електромагнітної індукції. Пристрій передбачає наявність у ньому нерухомого елемента – статора, а також рухомої частини, яка називається якорем або ротором.

У традиційному електричному двигуні статор – зовнішня частина конструкції. Цей елемент формує нерухоме магнітне поле. Рухомий ротор поміщають усередину статора. До його складу входять постійні магніти, сердечник з обмотками, колектор та щітки. Електричні струми протікають через обмотку, що складається зазвичай з безлічі витків мідного дроту.

Працюючи , підключеного до джерела енергії, відбувається взаємодія полів статора і ротора. З'являється момент, що обертає. Він і наводить ротор електромотора у рух. Таким чином, електроенергія, що подається на обмотки, трансформується в енергію обертального руху. Обертання валу електродвигуна передається на робочий орган. технічної системи, До складу якої включений двигун.

Особливості електричного двигуна

Електродвигун є одним з різновидів електричних машин, до яких також відносяться і . Завдяки властивості оборотності електромотор у разі потреби здатний виконувати функції генератора. Можливий зворотний перехід. Але найчастіше кожну електричну машину конструюють виключно для виконання цілком певної функції. Іншими словами, електромотор найефективніше працюватиме саме в цій своїй якості.

Перетворення електроенергії, що відбувається в двигуні, в енергію механічного обертання неодмінно пов'язане з енергетичними втратами. Причинами цього явища стає нагрівання провідників, намагнічування сердечників, шкідлива сила тертя, що виникає навіть за умови використання підшипників. На коефіцієнт електромотора впливає навіть тертя рухомих частин повітря. І все ж у найдосконаліших двигунах ККД досить високий і може досягати 90%.

Маючи низку незаперечних переваг, двигуни, що працюють на , отримали надзвичайно широке поширення в промисловості та в побуті. Головна перевага такого двигуна полягає у зручності його використання та високих експлуатаційних характеристиках. Електромотор не дає шкідливих викидів в атмосферу, тому дуже перспективним є його застосування в автомобілях.

Сьогодні уявити собі людську цивілізацію та високотехнологічне суспільство без електрики неможливо. Одним із основних апаратів, які забезпечують роботу електричних приладів, є двигун. Ця машина знайшла найширше поширення: від промисловості (вентилятори, дробарки, компресори) до побутового використання ( пральні машини, дрилі та інше). Але у чому полягає принцип роботи електродвигуна?

Призначення

Принцип роботи електродвигуна та його основні цілі полягають у передачі робочим органам необхідної для здійснення технологічних процесівмеханічної енергії. Сам двигун виробляє її за рахунок електроенергії, що споживається з мережі. Власне кажучи, принцип роботи електродвигуна полягає у перетворенні електричної енергії на механічну. Кількість механічної енергії, що виробляється ним, за одну одиницю часу називається потужністю.

Види двигунів

Залежно від характеристик мережі живлення можна виділити два основних типи двигуна: на постійному і на змінному струмі. Найбільш поширеними є мотори з послідовним, незалежним та змішаним збудженням. Прикладами двигунів можуть виступити синхронні і асинхронні машини. Незважаючи на уявну різноманітність, пристрій і принцип роботи електродвигуна будь-якого призначення засновані на взаємодії провідника зі струмом і магнітним полем або постійного магніту (феромагнітного об'єкта) з магнітним полем.

Рамка зі струмом - прообраз двигуна

Основним моментом у такому питанні, як принцип роботи електродвигуна, можна назвати появу моменту, що крутить. Розглянути таке явище можна на прикладі рамки зі струмом, що складається з двох провідників та магніту. До провідників струм підводиться через контактні кільця, які закріплені на осі рамки, що обертається. Відповідно до знаменитого правила лівої руки на рамку діятимуть сили, які створять крутний момент щодо осі. Вона під дією цієї сумарної сили обертатиметься у напрямку проти годинникової стрілки. Відомо, що цей момент обертання прямо пропорційний магнітній індукції (B), (I), площі рамки (S) і залежить від кута між лініями поля та віссю останньої. Однак під дією моменту, що змінюється за своїм напрямом, рамка здійснюватиме коливальні рухи. Що ж зробити для утворення постійного спрямування? Тут є два варіанти:

• змінювати напрямок електричного струму в рамці та положення провідників щодо полюсів магніту;
• змінювати напрямок самого поля, тому що рамка обертається в незмінний бік.

Перший варіант використається для двигунів постійного струму. А другий – це принцип роботи електродвигуна змінного струму.

Зміна напряму струму щодо магніту

Для того щоб змінити в провіднику рамки зі струмом, необхідно пристрій, яке задавало б цей напрямок залежно від розташування провідників. Така конструкція реалізована завдяки використанню ковзних контактів, що служать для підведення до рамки струму. При заміні одним кільцем двох, коли рамка повертається на половину обороту, напрямок струму змінюється на протилежне, а момент, що крутить, його зберігає. Важливо врахувати, що одна каблучка зібрана з двох половинок, які ізольовані одна від одної.

Конструкція машини постійного струму

Наведений вище приклад - це принцип роботи електродвигуна постійного струму. Реальна машина, природно, має складнішу конструкцію, де використовуються десятки рамок, що утворюють обмотку якоря. Провідники цієї обмотки розміщені у спеціальних пазах у циліндричному феромагнітному сердечнику. Кінці обмоток приєднані до ізольованих кільця, які утворюють колектор. Обмотка, колектор і сердечник – це якір, що обертається у підшипниках на корпусі самого двигуна. Магнітне поле збудження створюється полюсами постійних магнітів, які у корпусі. Обмотка підключається до мережі живлення, і її можна включати як незалежно від ланцюга якоря, так і послідовно. У першому випадку електродвигун матиме незалежне збудження, у другому – послідовне. Також існує конструкція зі змішаним збудженням, коли використовуються одразу два типи підключення обмотки.

Синхронна машина

Принцип роботи полягає в необхідності створення магнітного поля, що обертається. Потім потрібно помістити в це поле обтічні постійні в напрямку струмом провідники. Принцип роботи синхронного електродвигуна, який отримав дуже широке поширення в промисловості, заснований на наведеному вище прикладі з рамкою зі струмом. Повертається поле, створюване магнітом, утворюється за допомогою системи обмоток, які підключені до мережі живлення. Зазвичай використовують трифазні обмотки, проте принцип роботи змінного струму не відрізнятиметься від трифазного, хіба що кількістю самих фаз, що є несуттєвим при розгляді конструктивних особливостей. Обмотки укладають у пази статора з деяким зсувом по колу. Це робиться для створення обертового магнітного поля в утвореному повітряному проміжку.

Синхронізм

Дуже важливим моментом є синхронна робота електродвигуна вищенаведеної конструкції. При взаємодії магнітного поля зі струмом в обмотці ротора утворюється процес обертання двигуна, який буде синхронним по відношенню до обертання магнітного поля, утвореному на статорі. Синхронізм буде зберігатися до досягнення максимального моменту, викликаного опором. При збільшенні навантаження машина може вийти із синхронізму.

Асинхронний двигун

Принцип роботи полягає в наявності обертового магнітного поля і замкнутих рамок (контурів) на роторі - частини, що крутиться. Магнітне поле утворюється так само, як і у синхронного двигуна - за допомогою розміщених у пазах статора обмоток, які підключені до мережі змінної напруги. Обмотки ротора складаються з десятка замкнутих контурів-рамок і зазвичай мають два типи виконання: фазне і короткозамкнене. Принцип роботи електродвигуна змінного струму в обох випадках однаковий, змінюється лише конструктивне виконання. У разі короткозамкнутого ротора (також відомого під назвою «білинні клітини») обмотка заливається розплавленим алюмінієм у пази. При виготовленні обмотки фазної кінці кожної фази виводять назовні за допомогою ковзних кілець-контактів, так як це дозволить включити до ланцюга додаткові резистори, які необхідні для регулювання частоти обертання двигуна.

Тягова машина

Принцип роботи тягового електродвигуна аналогічний двигуну на постійному струмі. Від мережі живлення струм подають на Далі трифазний змінний струм передається на спеціальні Там знаходиться випрямляч. Він перетворює змінний струм на постійний. За схемою він проводиться однією своєю полярністю до контактних дротів, другий - безпосередньо до рейок. Необхідно пам'ятати, що багато тягових механізмів працюють на частоті, відмінної від промислової (50 Гц). Тому використовують принцип роботи якого полягає у перетворенні частот та контролюванні даної характеристики.

За піднятим пантографом напруга подається в камери, де знаходяться пускові реостати та контактори. За допомогою контролерів реостати підключаються до тягових електродвигунів, які розташовані на осях візків. Від них струм надходить через шини на рейки, а потім повертається до тягової підстанції, таким чином замикаючи електричний ланцюг.

Мережева безпека