Електрически двигатели

Електрически двигатели

Електрическите двигатели присъстват в различни области на нашето ежедневие. Да се запознаем с различните видове.

Физика и астрономия

Ключови думи

elektromotor, електромагнитна индукция, индукция, двигател, електродвигател, мотор на променлив ток, правилото на дясната ръка, електромагнит, линиите на магнитното поле, индуциран ток, постоянен ток, бобина, Ампераж, магнитно поле, магнитна сила, желязно ядро, машина, Енергия, променлив ток, електро, физика, електрически, електроенергия

Свързани ресурси

Сцени

Взаимодействие на електрически ток и магнитно поле

  • проводник
  • магнитни индукционни линии - Въображаеми линии, които се използват за онагледяване на магнитното поле. Гъстотата им показва величината на магнитната индукция около дадена точка, а посоката на линиите са по посоката на индукцията.

Всеки електродвигател използва магнитното поле на електрическия ток. Ако през проводника тече електрически ток, около него се образува магнитно поле, което въздейства на постоянния магнит, както друг постоянен магнит, и в същото време има предимството, че може да се регулира. Силата на така създаденото магнитно поле зависи от силата на тока, който тече в проводниците и разстоянието до тях, а посоката - от посоката на електрическия ток.

Извит проводник

  • проводник
  • магнитни индукционни линии - Въображаеми линии, които се използват за онагледяване на магнитното поле. Гъстотата им показва величината на магнитната индукция около дадена точка, а посоката на линиите са по посоката на индукцията.

Намотката като електромагнит

  • проводник - Силата на протичащия в него ток се регулира със силата на магнитното поле.
  • магнитни индукционни линии - Сгъстяват се вътре в намотаните проводници, затова там магнитното поле е по-силно.
  • желязно ядро - Материалът, около който е навита намотката, влияе върху силата на магнитното поле.

Създаденото от електрическия ток магнитно поле може да се подсили, ако намотаем проводниците, благодарение на което магнитните индукционни линии се концентрират вътре в намотката. По-нататъшното подсилване на магнитното поле става чрез поставянето на повече извити проводници, т.е. създаване на намотка, в която поставим цилиндър от намагнетизираща се материя, напр. желязо (желязно ядро). Тази намотка е електромагнитът, който се намира във всеки електродвигател.

Индукция

  • намотка
  • движещ се магнит
  • амперметър

Не само електрическият ток може да създава магнитно поле; магнитното поле също създава електрически ток. Това явление се нарича електромагнитна индукция.

Само променливото магнитно поле може да индуцира ток. Ако магнитното поле около една намотка се промени, в намотката се индуцира електрическо напрежение, в резултат на което се създава електрически ток.

Създаденият по този начин ток също има магнитно поле, двете магнитни полета могат да си взаимодействат.

Постояннотокови електродвигатели

  • магнит
  • намотка - Ако пуснем ток през метална намотка, около нея се образува магнитно поле, а тя се държи като магнит - опитва се да се завърти по посока на магнита, който се намира в статора.
  • комутатор - Комутаторът се движи заедно с ротора, чрез графитните четки приема тока, който идва отвън и го вкарва в намотките на ротора. В най-елементарния случай има нужда от два полюса, тогава се състои от два полупръстена. При въртене, на всеки полукръг електрическите полюси се сменят, затова се нарича комутатор - "сменящ посоката".
  • графитни четки - Чрез тях токът влиза в комутатора, а оттам отива в намотката. Обикновено са от графит.
  • желязно ядро - Задача на желязното ядро е да подсилва магнитното поле, създадено от намотката.
  • уплътнителен пръстен

Съществуват два основни вида електродвигатели: постояннотокови (DC) и променливотокови (AC). Постояннотоковите двигатели се движат от постоянен ток, който се осигурява от акумулатор или захранващо устройство. В най-простия случай статорът е постоянен магнит, а роторът е електромагнит т.е. намотка.

Токът влиза в намотката през комутатора и свързаните с него графични четки. От тока намотката се намагнетизира и се опитва да се завърти в посоката на постоянния магнит, но още преди да тръгне в правилната посока, полюсите в комутатора се сменят, затова токът протича в намотката в обратна посока. Ето защо намотката отблъсква магнитните полюси и се завърта все по-бързо в посока на противоположния полюс. Това се повтаря и двигателят остава в движение.

Роторите често се състоят от повече намотки, което осигурява по-плавно действие. В този случай комутаторът има повече полюси, не само два. Недостатък на постояннотоковите двигатели е, че графитните четки се изхабяват и трябва да се сменят от време на време, от графитния прах може да се получи късо съединение, и освен това са шумни.

Променливотокови синхронни двигатели

  • ротор - Постоянният магнит на ротора се опитва да следва магнитното поле на статора.
  • статор - Намотките на статора създават въртящо се магнитно поле.
  • управляваща електроника - Токът в отделните намотки е с фазисно изместване, което се осигурява от управляващата електроника.
  • променлив ток

Друга голяма група електродвигатели са променливотоковите, които се делят на синхронни и асинхронни.

В намотките на статора на синхронните двигатели периодично се въвежда променлив ток. Той се получава или от мрежата или по електронен път. Ако в отделните намотки на статора токът се променя в различни фази, тогава се създава въртящо се магнитно поле. Фазисното изместване се осъществява с включването на прости кондензатори или с по-сложна електроника. Роторът най-често се състои от постоянни магнити, но и там може да има (захранвани отвън постояннотокови) намотки. Магнитът на ротора се опитва да следва магнитното поле на статора, затова се върти заедно с него.

Ако натоварим този тип електродвигатели, роторът започва леко изостава от магнитното поле на статора, но оборотите остават същите. Синхронните двигатели се движат само на обороти, които съответстват на честотата на задвижващия ток. При голямо натоварване синхронът може да се наруши и двигателят да спре. Тези мотори не се задвижват сами, а имат нужда от задвижващ механизъм. Те тръгват като индукционни двигатели и след като достигнат необходимата скорост превключват в синхронен режим.

При моторни превозни средства честотата на променливия ток, който захранва синхронния двигател, се регулира електронно, в зависимост от желаната скорост. В модерните автомобили електронна електрическа верига създава променлив ток от постоянен ток, ето защо за потребителя този вид двигатели се смятат за постояннотокови. Така и ги наричат, постояннотокови двигатели без графитни четки (BLDC).

Голямото предимство на синхронните двигатели пред тези с графитни четки е, че при тях няма нужда от постоянното триене на графитните четки, т.е. нямат износващи се части и са почти безшумни.

Променливотокови асинхронни двигатели

  • ротор - Роторът може да представлява най-обикновен метален цилиндър, в който се индуцира ток под въздействие на променливото магнитно поле.
  • статор - Намотките на статора създават въртящо се магнитно поле.
  • управляваща електроника - Токът в отделните намотки е във фазисно изместване, което се управлява електронно.

Променливотоковите асинхронни двигатели (известни като двигатели на Тесла) се основават на индукцията и се наричат индукционни двигатели.Те също се състоят от две части: статор и ротор. Статорът е съставен от няколко намотки, в които тече променлив ток. Роторът може да представлява най-обикновен метален цилиндър, но най-често и в него има намотка, която не получава ток отвън.

Принципът на действие е следният:

1) В намотките на статора тече променлив ток в изместени фази, затова около тях се образува въртящо се магнитно поле.

2) Въртящото се магнитно поле индуцира електрически ток в ротора.

3) Създаденият по този начин ток създава ново магнитно поле около ротора.

4) Двете магнитни полета влизат във взаимодействие и роторът се опитва да се върти в синхрон с външното магнитно поле, но тъй като то се върти, никога не може да го настигне и движението му става постоянно.

Въртящото се магнитно поле се създава само когато намотките на статора не действат едновременно, а с фазисно изместване. Когато задвижваме двигателя с многофазисен ток, всяка намотка на статора трябва да се свърже с различна фаза, за да се осигури въртящото се магнитно поле.

Ако двигателят се задвижва с еднофазисен ток, фазисното изместване на външните намотки може да стане с кондензатори или - в наше време - с електроника.

Ако няма фазисно изместване, моторът не може да тръгне сам, но ако му помогнем да се задвижи, той остава в движение и без фазисно изместване.

Функционирането на асинхронните двигатели не е толкова сложно, както на синхронните, защото те не спират в случай на натоварване.

Линейни двигатели

  • статор - магнити
  • ротор - намотки
  • сензор

И двата променливотокови вида двигатели имат линейниварианти: LIM (Linear Induction Motor) и LSM (Linear Synchronous Motor).

При тези машини работата на двигателя предизвиква не въртеливо, а линейно движение.

Принципът на действие е като при другите двигатели с тази разлика, че роторът и статорът са "разгънати" надлъжно. Другата разлика е, че при тези двигатели в ротора има намотки, а не магнитна или намагнетизираща се част.

При линейните двигатели тип LIM във въртящата се редица от намотки се въвежда многофазисен променлив ток, в резултат на което се създава линейно магнитно поле. То индуцира ток в неподвижната метална релса, чието магнитно поле отблъсква от себе си ротора, който съдържа намотки.

При линейните двигатели тип LIM релсите се снабдяват с магнити, а течащият в намотките на ротора променлив ток трябва да се променя по посоката на движението, за да стига винаги в съответната фаза до следващия магнит. Без сензори и управляваща електроника това не би могло да се осъществи.

Стъпкови двигатели

  • ротор - Роторът може да представлява най-обикновен метален цилиндър, в който се индуцира ток под въздействие на променливото магнитно поле.
  • статор - Намотките на статора създават въртящо се магнитно поле.
  • управляваща електроника - Токът в отделните намотки е във фазисно изместване, което се управлява електронно.

Стъпковият двигател е много полезен в устройства, за които е важно под какъв ъгъл се завърта двигателят при получаването на определено количество ток. Такива двигатели задвижват ръцете на роботите или частите на принтерите и копирните машини. Роторът на стъпковите двигатели се състои от постоянни магнити, а статорът от електромагнити. Магнитите в статора се захранват с ток електронно и поотделно в зависимост от ъгъла под който трябва да се задвижат. Колкото повече магнити са вградени в статора и колкото повече електромагнити има в ротора, толкова по-малък ще бъде ъгълът под който се придвижва двигателят, следователно толкова по-точно може да бъде насочен в желаната посока.

"Резолюцията" на двигателя се увеличава, ако магнитите на ротора и желязното ядро на електромагнитите на статора са зъбчати. Още по-голяма точност се получава с прецизна промяна на тока, който влиза в намотките.

Дикторски текст

Електрическите двигатели присъстват в различни области на нашето ежедневие. Те биват различни видове, но действието на всеки електродвигател използва магнитното поле на електрическия ток. Ако през проводника тече електрически ток, около него се образува магнитно поле. Силата на така създаденото магнитно поле зависи от силата на тока, който тече в проводниците и разстоянието до тях.

Създаденото от електрическия ток магнитно поле може да се подсили, ако от проводниците направим намотки. Така създадените намотки представляват електромагнити, които се намират във всеки електродвигател. Силата на електромагнита и разположението на полюсите се регулира чрез тока, който протича през него.

Не само електрическият ток може да създава магнитно поле; магнитното поле също създава електрически ток. Това явление се нарича електромагнитна индукция. Само променливото магнитно поле може да индуцира ток. Ако магнитното поле около една намотка се промени, в намотката се индуцира електрическо напрежение, в резултат на което се създава електрически ток. Създаденият по този начин ток също има магнитно поле, двете магнитни полета могат да си взаимодействат. Една част от електродвигателите се основава на това явление.

Съществуват два основни вида електродвигатели: постояннотокови (DC) и променливотокови (AC). Постояннотоковите двигатели се движат от постоянен ток, статорът им е постоянен магнит, а роторът е електромагнит. Токът влиза в намотката през комутатора и свързаните с него графични четки. От тока намотката се намагнетизира и се опитва да се завърти в посоката на постоянния магнит, но още преди да тръгне в правилната посока, полюсите в комутатора се сменят, затова токът протича в намотката в обратна посока. Ето защо намотката отблъсква магнитните полюси и се завърта все по-бързо в посока на противоположния полюс. Това се повтаря и двигателят остава в движение.

Друга голяма група електродвигатели са променливотоковите, които се делят на синхронни и асинхронни. В намотките на статора на синхронните двигатели периодично се въвежда променлив ток от мрежата например. Обикновена електронна верига гарантира фазите на тока да не сменят едновременно в намотките в статора. Магнитът на ротора се опитва да следва магнитното поле на статора, затова се върти заедно с него. Синхронните двигатели се движат само на обороти, които съответстват на честотата на задвижващия ток. При голямо натоварване синхронът може да се наруши и двигателят да спре. Тези двигатели не се задвижват сами, а имат нужда от задвижващ механизъм. В модерните автомобили електронна електрическа верига създава променлив ток от постоянен ток, благодарение на сензорите намотките на статора получават ток винаги в подходящата фаза, така действието на двигателя винаги е в синхрон. За потребителя този вид двигатели са постояннотокови, затова и така ги наричат: постояннотокови двигатели без графитни четки (BLDC ). Голямото предимство на синхронните двигатели пред тези с графитни четки е, че при тях няма нужда от постоянното триене на графитните четки, т.е. нямат износващи се части и са почти безшумни.

Променливотоковите асинхронни двигатели (известни като двигатели на Тесла) се основават на индукцията и се наричат индукционни двигатели.Те също се състоят от две части: статор и ротор. Статорът е съставен от няколко намотки, в които тече променлив ток. Роторът може да представлява най-обикновен метален цилиндър, но най-често и в него има намотка, която не получава ток отвън. В намотките на статора тече променлив ток в изместени фази, затова около тях се образува въртящо се магнитно поле. Въртящото се магнитно поле индуцира електрически ток в ротора. Създаденият по този начин ток създава ново магнитно поле около ротора. Двете магнитни полета влизат във взаимодействие и роторът се опитва да се върти в синхрон с външното магнитно поле, но тъй като то се върти, никога не може да го настигне и движението му става постоянно. Функционирането на асинхронните двигатели не е толкова сложно, както на синхронните, защото те не спират в случай на натоварване.

И двата променливотокови вида двигатели имат линейни варианти: LIM (Linear Induction Motor) и LSM (Linear Synchronous Motor). При тези машини работата на двигателя предизвиква не въртеливо, а линейно движение. Принципът на действие е като при другите двигатели с тази разлика, че роторът и статорът са "разгънати" надлъжно.

Стъпковият двигател е много полезен в устройства, за които е важно под какъв ъгъл се завърта двигателят при получаването на определено количество ток. Такива двигатели задвижват ръцете на роботите или частите на принтерите и копирните машини. Роторът на стъпковите двигатели се състои от постоянни магнити, а статорът от електромагнити. Магнитите в статора се захранват с ток електронно и поотделно в зависимост от ъгъла под който трябва да се задвижат.

Свързани ресурси

Генератори и електромотори

Генераторите превръщат механичната енергия в електрична, а електромоторите превръщат...

Електродвигател за постоянен ток

Между постоянните магнити на електродвигателя за постоянен ток е разположена намотка от...

Generating alternating current

Electric current can be generated by rotating an armature loop in a magnetic field.

Електрически звънец

Механичен звънец, който работи с помощта на електромагнит.

Capacitors

Capacitors store electrical energy in the form of electric charge.

Лабораторията на Никола Тесла (Шорхем, САЩ)

Инженер-изобретател предимно в областта на електротехниката, несъмнено една от...

Динамо (средна степен)

Динамото преобразува механичната енергия в постоянен ток.

Магнетрон

Магнетронът е важна съставна част на микровълновите фурни, в него се произвеждат...

Transformer

A transformer is a device used for converting the voltage of electric current.

Как работи лазерният принтер

Тази анимация показва как работят лазерните принтери.

Екологично чисти автомобили

Когато при задвижването на автомобила се съчетаят стандартен двигател с вътрешно горене и...

Как работи сешоарът?

Анимацията демонстрира устройството и функционирането на сешоара.

Влак на магнитна възглавница

Едно от най-съвременните превозни средства, развиващо скорост над 400 км/час.

Електромобил

Тесла S е един от първите електромобили, пригодни за ежедневна експлоатация.

Added to your cart.