Электрические двигатели

Электрические двигатели

Электродвигатели присутствуют во многих сферах нашей повседневной жизни. Познакомимся с их различными типами!

Физика

Этикетки

elektromotor, электромагнитная индукция, индукция, двигатель, электродвигатель постоянного тока, AC motor, правило правой руки, электромагнит, магнитные силовые линии, индуцированный ток, постоянный ток, катушка, электрический ток, магнитное поле, магнитная сила, железный сердечник, машина, электродвигатель, энергия, переменный ток, электро, физика, electric, электричество

Связанные экстра

Сцены

Взаимодействие электрического тока и магнитного поля

Во всех электродвигателях используется магнитный эффект электрического тока.
При прохождении тока через проводник вокруг него создаётся магнитное поле. Магнитное поле оказывает такое же действие на постоянный магнит, как и другой постоянный магнит, но это поле регулируется.
Сила магнитного поля зависит от интенсивности тока, проходящего через проводник и расстояния от проводника, а его направление - от направления тока.

Согнутый проводник

Катушка как электромагнит

Создаваемое электрическим током магнитное поле можно усилить, если скрутить проводник в виде плотной спирали, и, таким образом, сконцентрировать внутри неё линии магнитной индукции. Магнитное поле может быть дополнительно усилено, если мы увеличим количество витков на несколько рядов, то есть сформируем катушку и поместим в неё стержень (сердечник) из намагничиваемого материала, например, железа. Полученная таким образом катушка представляет собой электромагнит, который встречается во всех электродвигателях.

Индукция

Не только электрический ток может создавать магнитное поле, но и магнитное поле также может создавать электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией.

Индуцировать ток может только переменное магнитное поле. Если магнитное поле изменяется вблизи катушки, то в катушке индуцируется электрическое напряжение, в результате чего возникает электрический ток.
Возникающий таким образом ток также будет иметь магнитное поле, поэтому два магнитных поля могут взаимодействовать.

Двигатель постоянного тока

Существует два основных типа электродвигателей: двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока.

Как следует из названия, двигатели постоянного тока питаются от постоянного тока, работу которого обеспечивает аккумулятор или внешний источник питания. В простейших двигателях постоянного тока статор является постоянным магнитом, а ротор - электромагнитом, то есть катушкой.

Ток подаётся на вращающуюся катушку через графитовые щётки и коллектор. Под действием электрического тока, подаваемого на катушку, катушка намагничивается и стремится повернуться в направлении постоянного магнита. Однако до того, как катушка установится в нужном направлении, полюса на коллекторе меняются местами, и ток в катушке начинает течь в противоположном направлении. Соответственно, катушка будет отталкивать один полюс магнита продолжать вращаться в направлении противоположного полюса. Это повторяется снова и снова, и таким образом двигатель продолжает вращаться.

Для более равномерной работы двигателя в роторе часто используется несколько катушек. При этом коллектор также имеет несколько полюсов.

Недостаток двигателей постоянного тока состоит в том, что графитовые щётки изнашиваются, поэтому их приходится периодически заменять, а образующиеся частицы угольной пыли могут вызвать короткое замыкание. Кроме того, двигатели постоянного тока создают шум.

Синхронный двигатель переменного тока

Другой основной тип электродвигателей - это двигатели переменного тока, к которым относятся синхронные и асинхронные двигатели.

В синхронных двигателях на катушки статора подаётся переменный ток, который периодически меняет направление. Такой ток может быть получен либо от напряжения электросети, либо с помощью электроники. Если ток в катушках статора меняется не в одной и той же фазе, создаётся вращающееся магнитное поле. Разность фаз создаётся с помощью простых конденсаторов или более сложной управляющей электроники. В большинстве случаев в роторе имеются постоянные магниты, но также могут быть и катушки (последние питаются постоянным током от внешнего источника). Магнит ротора пытается следовать вращающемуся магнитному полю статора, поэтому вращается вместе с ним.

Синхронные двигатели могут работать только на скорости, которая соответствует частоте электрического тока, приводящего их в движение. Когда синхронный двигатель работает под нагрузкой, то ротор немного отстает от вращающегося магнитного поля статора, но число его оборотов остаётся неизменным. При слишком большой нагрузке полюса ротора и статора не синхронизируются, и двигатель может остановиться.

Эти двигатели не запускаются самостоятельно, им требуется пусковой механизм. Большинство синхронных двигателей запускаются индукционным механизмом и переключаются в синхронный режим только тогда, когда они достигают скорости синхронизации.

При управлении транспортными средствами частота переменного тока, питающего синхронный двигатель, регулируется электронным способом в соответствии с требуемой скоростью транспортного средства. Поскольку в современных электромобилях переменный ток генерируется из постоянного тока по электронной схеме, эти двигатели можно рассматривать как двигатели постоянного тока. Их также называют бесщёточными (или бесколлекторными) двигателями постоянного тока (БДПТ).

Преимущество синхронных двигателей с постоянными магнитами перед щёточными двигателями постоянного тока заключается в том, что в них нет скользящих контактов (щёток), то есть нет износа деталей, а их работа практически безшумна.

Асинхронный двигатель переменного тока

Принцип работы асинхронных двигателей переменного тока (или двигателей Тесла) основан на явлении индукции, поэтому их также называют индукционными двигателями.

Асинхронные двигатели также состоят из статора и ротора. В статоре находится несколько катушек, на которые подаётся переменный ток. Ротор может представлять собой металлический цилиндр или короткозамкнутую катушку, которая не питается от внешнего источника.

Принцип работы асинхронных двигателей заключается в следующем:

1. Переменный ток в катушках статора течёт не в одной и той же фазе, поэтому вокруг катушек возникает вращающееся магнитное поле.

2. Это вращающееся, то есть, переменное магнитное поле индуцирует в роторе электрический ток.

3. Возникающий таким образом электрический ток создаёт вокруг ротора другое магнитное поле.

4. Два магнитных поля взаимодействуют друг с другом, поэтому ротор стремится повернуться соответственно внешнему магнитному полю. Однако, поскольку магнитное поле вращается, ротор никогда не может его догнать, поэтому будет непрерывно вращаться.

Вращающееся магнитное поле возникает только тогда, когда электрический ток в катушках статора находится в разных фазах. Если для привода двигателя используется многофазное питание, катушки статора должны быть подключены к разным фазам. Если двигатель приводится в действие однофазным источником питания, то сдвиг фаз внешних катушек обеспечивается конденсаторами или более сложной электроникой.
Если нет фазового сдвига, то двигатель не запустится самостоятельно, но если помочь ему запуститься, он останется во вращении даже без сдвига по фазе.
Работа асинхронных двигателей менее сложна, чем синхронных, поскольку они не останавливаются при увеличении нагрузки.

Линейные двигатели

Оба типа двигателей переменного тока имеют линейные версии: линейный асинхронный двигатель (ЛАД) и линейный синхронный двигатель. Работа линейных двигателей производит не вращательное, а поступательное движение.

Принцип их работы такой же, как и у вращающихся двигателей с той разницей, что ротор и статор развёрнуты в плоскость вдоль прямой. Другое отличие состоит в том, что движущейся частью обычно является та, которая содержит катушки, а не магнитная или намагничиваемая часть.

В асинхронных линейных двигателях многофазный переменный ток подаётся на движущийся ряд катушек, создавая бегущее магнитное поле, которое индуцирует ток в неподвижной металлической балке, магнитное поле которой сдвигает от себя часть с движущимися катушками.

В случае синхронных линейных двигателей на рельсе (полосе) должны находиться расположенные в ряд магниты, а переменный ток, протекающий в катушках подвижной части, должен изменяться в соответствии с направлением движения, чтобы он всегда достигал следующий магнит в соответствующей фазе. Осуществить это невозможно без датчиков и управляющей электроники.

Шаговый двигатель

Шаговые двигатели очень полезны в устройствах, где необходимо знать точный угол (или шаг), на который поворачивается двигатель под действием опредёленного количества электрического тока.

Такие двигатели перемещают рычаги (руки) роботов или деталей фотокопировальных машин и принтеров. Ротор шаговых двигателей состоит из постоянных магнитов, а статор - из электромагнитов. Управляющая электроника по отдельности подаёт на электромагниты статора ток в зависимости от нужного угла поворота.

Чем больше постоянных магнитов установлено в роторе и электромагнитов - в статоре, тем меньше угол, на который двигатель может повернуться за каждый шаг, тем точнее его можно установить в нужном направлении.

Разрешающая способность двигателя может быть увеличена, если магниты ротора и железные сердечники электромагнитов имеют зубцы. Разрешение может быть дополнительно увеличено путём точной регулировки управляющего тока, подаваемого на катушки.

Речевое сопровождение

Электродвигатели присутствуют во всех областях нашей жизни. Несмотря на то, что они имеют имеют множество модификаций, в каждой из них используется магнитный эффект электрического тока.

При прохождении тока через проводник вокруг него создаётся магнитное поле. Сила магнитного поля зависит от интенсивности тока, проходящего через проводник, и расстояния от проводника, а его направление - от направления тока.

Создаваемое электрическим током магнитное поле можно усилить, если скрутить проводник в виде плотной спирали. Полученная таким образом катушка представляет собой электромагнит, который встречается во всех электродвигателях. Силу электромагнита и расположение его полюсов можно регулировать с помощью проходящего через него тока.

Не только электрический ток может создавать магнитное поле, но и магнитное поле также может создавать электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией. Индуцировать ток может только переменное магнитное поле. Если магнитное поле изменяется вблизи катушки, то в катушке индуцируется электрическое напряжение, в результате чего возникает электрический ток. Возникающий таким образом ток также будет иметь магнитное поле, поэтому два магнитных поля могут взаимодействовать. В некоторых электродвигателях используется это явление

Существует два основных типа электродвигателей: двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока. Двигатели постоянного тока питаются от постоянного тока, работу которого обеспечивает аккумулятор или внешний источник питания. В простейших двигателях постоянного тока статор является постоянным магнитом, а ротор - электромагнитом, то есть катушкой.

Ток подаётся на катушку через графитовые щётки и коллектор. Под действием электрического тока катушка намагничивается и стремится повернуться в направлении постоянного магнита. Однако до того, как катушка установится в нужном направлении, полюса на коллекторе меняются местами, и ток в катушке начинает течь в противоположном направлении. Соответственно, катушка будет отталкивать один полюс магнита продолжать вращаться в направлении противоположного полюса. Это повторяется снова и снова, и таким образом двигатель продолжает вращаться.

Другой основной тип электродвигателей - это двигатели переменного тока, к которым относятся синхронные и асинхронные двигатели. В синхронных двигателях на катушки статора подаётся переменное напряжение, которое, мы можем найти, например, в электросети. Простая электронная схема обеспечивает, чтобы в катушках статора ток менялся не в одной и той же фазе, и таким образом создаётся вращающееся магнитное поле. Магнит ротора пытается следовать вращающемуся магнитному полю статора, поэтому вращается вместе с ним. Синхронные двигатели могут работать только на скорости, которая соответствует частоте электрического тока, приводящего их в движение. При слишком большой нагрузке полюса ротора и статора не синхронизируются, и двигатель может остановиться.

Эти двигатели не запускаются самостоятельно, им требуется пусковой механизм. Поскольку в современных электромобилях переменный ток генерируется из постоянного тока по электронной схеме, эта проблема преодолевается с помощью датчиков, которые регулируют подачу на катушки статора тока в соответствущей фазе, поэтому работа двигателей всегда синхронизирована. Для пользователя эти двигатели могут рассматриваться как двигатели постоянного тока, их также называют бесщёточными (или бесколлекторными) двигателями двигателями постоянного тока. Большое преимущество синхронных двигателей с постоянными магнитами по сравнению с двигателями постоянного тока состоит в том, что нет необходимости в скользящих контактах (щётках), поэтому в них нет изнашивающихся деталей, а их работа почти бесшумна.

Принцип работы асинхронных двигателей переменного тока (или двигателей Тесла) основан на явлении индукции, поэтому их также называют индукционными двигателями.

Асинхронные двигатели также состоят из статора и ротора. В статоре находится несколько катушек, на которые подаётся переменный ток. Ротор может представлять собой металлический цилиндр или короткозамкнутую катушку, которая не питается от внешнего источника. Переменный ток в катушках статора течет не в одной и той же фазе, поэтому вокруг катушек возникает вращающееся магнитное поле. Это вращающееся, то есть переменное магнитное поле индуцирует в роторе электрический ток. Возникающий таким образом электрический ток создаёт вокруг ротора другое магнитное поле. Два магнитных поля взаимодействуют друг с другом, поэтому ротор стремится повернуться соответственно внешнему магнитному полю. Однако, поскольку магнитное поле вращается, ротор никогда не может его догнать, поэтому будет непрерывно вращаться. Работа асинхронных двигателей менее сложна, чем синхронных, поскольку они не останавливаются при увеличении нагрузки.

Оба типа двигателей переменного тока имеют линейные версии: линейный асинхронный двигатель и линейный синхронный двигатель. Работа линейных двигателей производит не вращательное, а поступательное движение. Принцип их работы такой же, как и у вращающихся двигателей с той разницей, что ротор и статор развёрнуты в плоскость вдоль прямой.

Шаговые двигатели очень полезны в устройствах, где необходимо знать точный угол (или шаг), на который поворачивается двигатель под действием определенного количества электрического тока. Такие двигатели перемещают рычаги (руки) роботов или деталей фотокопировальных машин и принтеров. Ротор шаговых двигателей состоит из постоянных магнитов, а статор - из электромагнитов. Управляющая электроника по отдельности подаёт на электромагниты статора ток в зависимости от нужного угла поворота.

Связанные экстра

Алкалиновая (щелочная) батарейка

В процессе электрохимической реакции, проходящей внутри батарейки,...

Генератор и электродвигатель

Генератор преобразует механическую энергию в электрический ток, а...

Трансформатор

Трансформатор - это устройство, преобразующее переменное напряжение.

Конденсатор

Конденсатор - это устройство для накопления и хранения энергии в...

Электродвигатель постоянного тока

Между постоянными магнитами электродвигателя постоянного тока...

Отражение и преломление света

На границе раздела двух сред, обладающих различными коэффициентами...

Лампа накаливания Эдисона

Эдисон, американский электротехник, в 1879-ом году изобрёл лампу...

Электрический звонок

Устройство, работающее при помощи электромагнита.

Added to your cart.