Електродвигуни

Електродвигуни

Електродвигуни присутні в багатьох сферах нашого життя. Дізнаймось про їх типи.

Фізика

Ключові слова

elektromotor, електромагнітної індукції, індукційний, двигун, електричний двигун, Двигун змінного струму, правило правої руки, електромагніт, силові лінії магнітного поля, індукований струм, постійний струм, котушка, Електричний струм, магнітне поле, магнітна сила, залізний сердечник, машина, енергія, змінний струм, електро, Фізика, електричний, електрика

Пов'язані об'єкти

Сцени

Взаємодія електричного струму та магнітного поля

  • електропровідний дріт
  • лінії магнітної індукції - Уявні лінії використовуються аби показати структуру магнітних полів. Їх щільність вказує на величину індукції магнітного поля, тоді як їх напрямок вказує напрямок вектора індукції магнітного поля.

Всі електродвигуни використовують магнітний ефект електричного струму.
Коли струм проходить через провідник, навколо нього виникає магнітне поле. Магнітне поле впливає на постійний магніт, так само як і інший постійний магніт, проте це поле є регульованим.
Сила генерованого магнітного поля залежить від величини струму в провіднику, відстані від провідника, в той час як його напрям залежить від напряму струму.

Дротові петлі

  • електропровідний дріт
  • лінії магнітної індукції - Уявні лінії використовуються аби показати структуру магнітних полів. Їх щільність вказує на величину індукції магнітного поля, тоді як їх напрямок вказує напрямок вектора індукції магнітного поля.

Котушка електромагніт

  • електропровід - Силу магнітного поля можна контролювати шляхом регулювання сили електричного струму, що протікає в провіднику.
  • лінії магнітної індукції - Вони концентруються всередині петель, утворених провідником, тому там магнітне поле буде сильніше.
  • залізне осердя - На силу магнітного поля впливає склад матеріалу осердя котушки.

Магнітне поле, створене електричним струмом, можна посилити, скрутивши дріт в петлю, тоді лінії магнітної індукції концентруються всередині петлі.
Магнітне поле можна ще додатково посилити, скрутивши ряд дротяних петель, тобто, сформувати котушку, а також накрутити її навколо стрижня, виготовленого з матеріалу, що намагнічується, наприклад, залізного осердя. Виготовлена таким чином котушка стає електромагнітом, який можна знайти у всіх електродвигунах.

Індукція

  • котушка
  • рухомий магніт
  • амперметр

Електричний струм може створити, індукувати магнітне поле, але і магнітне поле може виробляти електричний струм. Це явище називається електромагнітною індукцією.

Електричний струм індукується тільки зміною магнітного поля. Якщо магнітне поле змінюється поблизу котушки, то в котушці індукується напруга і генерується електричний струм. Цей струм також створює магнітне поле, і два магнітні поля можуть взаємодіяти один з одним.

Двигуни постійного струму

  • постійний магніт
  • котушка - Коли електричний струм подається в металеву котушку, навколо котушки генерується магнітне поле, тоді він буде функціонувати як магніт: він повернеться, щоб вирівнятися з постійним магнітним полем статора.
  • комутатор - Комутатор обертається разом з ротором двигуна постійного струму. Він отримує електричний струм через щітки та передає його на котушку (и) ротора. У найпростішому двигуні постійного струму є два полюси, тому комутатор складається з двох сегментів. Коли комутатор обертається, полюси електричного струму перемикаються кожен півоберт.
  • щітка (контакт) - Електричний струм подається до комутатора, потім до котушки через ці щітки. Зазвичай вони виготовляються з вуглецю.
  • залізне осердя - Функція залізного осердя полягає в посиленні магнітного поля, індукованого котушкою.
  • ізоляція

Є два основних типи електродвигунів: двигуни постійного струму (ПС) і змінного струму (ЗС).

Як випливає з їхніх назв, електродвигуни ПС живляться від постійного струму, який подається від батареї або зовнішнього джерела живлення. У найпростіших двигунів ПС, статор є постійним магнітом, а ротор являє собою електромагніт, тобто котушку.

Струм подається на котушку яка обертається за допомогою вугільних щіток і комутатора. В результаті подачі електричного струму на котушку, котушка стає магнітом. Вона обертається щоб вирівняти себе з полярністю постійного магніту. Однак, перш ніж вирівняти себе в правильному напрямку, полярність електричного струму в комутаторі змінюється на протилежну. Відповідно, котушка продовжує обертатися в напрямку до протилежного полюса.

У роторі зазвичай використовується кілька котушок, тому комутатор також має кілька полюсів, забезпечуючи плавну роботу.

Недоліком двигунів ПС є те, що вугільні щітки зношуються, тому їх потрібно періодично замінювати, а частинки вугільного пилу, можуть призвести до короткого замикання. Крім того, двигуни постійного струму породжують шум.

Синхронний двигун змінного струму

  • ротор - Постійний магніт ротора намагається слідувати обертовому магнітному полю статора.
  • статор - Котушки статора генерують обертове магнітне поле.
  • блок електроніки керування - Створює різницю фаз між різними котушками.
  • змінний струм

Іншим основним типом електродвигунів є двигуни змінного струму, що включають синхронні та асинхронні двигуни.

У синхронних двигунах на ротор подається змінний струм, який періодично змінює напрямок. Такий струм може бути отриманий або від електромережі, або від електроніки. Якщо струм в котушках статора не змінюється в одній і тій фазі, генерується обертове магнітне поле. Різниця фаз може бути створена або за допомогою конденсаторів або складнішої електроніки. У більшості випадків в роторі є постійні магніти, але можуть бути також котушки (останні живляться постійним струмом від зовнішнього джерела). Магніт ротора намагається слідувати за обертовим магнітним полем статора, тому він обертається разом з ним.

Синхронні двигуни можуть працювати тільки зі швидкістю, що відповідає частоті електричного струму, що їх рухає. Коли синхронний двигун працює під навантаженням, ротор повертається у фазу під певним кутом відносно полюса статора, але обидва вони працюють з однаковою синхронною швидкістю. Якщо навантаження збільшується, кут також збільшується. Якщо раптово виникає надто велике навантаження на двигун, ротор і полюси статора випадуть з синхронізації, а мотор зупиниться.

Ці двигуни не є самозапускними, вони потребують пускового механізму. Більшість синхронних двигунів запускаються індукційним механізмом і переходять у синхронний режим, коли досягають швидкості синхронізації.

При керуванні транспортними засобами частота змінного струму, що живить синхронний двигун, контролюється електронікою управління відповідно до бажаної швидкості транспортного засобу. Оскільки в сучасних електромобілях змінний струм генерується з постійного струму за допомогою електронної схеми, ці двигуни можна розглядати як двигуни ПС. Вони також називаються безщітковими двигунами ПС або безконтактними двигунами БДПС.

Переваги синхронних двигунів над щітковими електродвигунами ПС полягають у тому, що в них немає компонентів, які можуть зношуватися та утворювати пил; їх робота ефективна і майже не створює шуму.

Асинхронний двигун змінного струму

  • ротор - Також може бути простий металевий циліндр, в якому електричний струм індукується зміною магнітного поля.
  • статор - Котушки статора генерують обертове магнітне поле.
  • блок електроніки керування - Створює різницю фаз між різними котушками.

Принцип роботи асинхронних двигунів заснований на явищі індукції, тому їх ще називають індукційними двигунами.

Асинхронні двигуни також складаються зі статора і ротора. Статор містить кілька котушок, до яких застосовується змінний струм. Ротор може бути металевим циліндром або короткозамкненою котушкою, тобто таким, який не приймає струм від зовнішнього джерела.

Принцип дії асинхронних двигунів такий:

1. Змінний струм не протікає в одній і тій же фазі в котушках статора, який індукує обертове магнітне поле навколо котушок.

2. Обертове магнітне поле індукує електричний струм в роторі.

3. Індукований електричний струм генерує інше магнітне поле навколо ротора.

4. Два магнітні поля взаємодіють один з одним, тому ротор намагається вирівнятися з зовнішнім магнітним полем. Однак, оскільки магнітне поле обертається, ротор ніколи не зможе його наздогнати, тому він постійно обертається.

Обертове магнітне поле генерується тільки тоді, коли електричний струм в котушках статора знаходяться в різних фазах. Якщо для приводу двигуна використовується багатофазний струм, котушки статора повинні бути підключені в різні фази. Якщо двигун приводиться в дію однофазним струмом, то фазовий зсув зовнішніх котушок контролюється конденсаторами або складнішою електронікою.

Робота асинхронних двигунів є менш складною, ніж у синхронних двигунів, оскільки вони не зупиняються при збільшенні навантаження.

Лінійні двигуни

  • статор - Складається з постійних магнітів.
  • ротор - Складається з котушок.
  • датчик

Обидва типи двигунів змінного струму мають лінійні версії, відомі як ЛАД (лінійний асинхронний двигун) і ЛСД (лінійний синхронний двигун). Робота цих двигунів не призводить до обертального руху, а до поступального руху по прямій лінії.

Їх принцип роботи такий самий як й у обертових двигунів, за винятком того, що обидва ротор і статор вирівняні уздовж прямої лінії. Інша відмінність полягає в тому, що рухома частина, як правило, містить котушки, а не магнітну або намагнічувану частину.

У ЛАД двигунах до рухомого ряду котушок подають багатофазний змінний струм, створюючи рухоме магнітне поле, яке індукує струм в стаціонарній металевій рейці, магнітне поле якого приводить в дію рухому частину двигуна, що містить котушки.

У ЛСД двигунах, рейка повинна містити магніти в ряд і змінний струм, що проходить в котушках рухомої частини, повинен бути змінений відповідно до напрямку руху так, щоб він завжди досягав наступного магніту у правильній фазі. Це неможливо без датчиків і електроніки управління.

Крокові двигуни

  • ротор - Також може бути простий металевий циліндр, в якому електричний струм індукується зміною магнітного поля.
  • статор - Котушки статора генерують обертове магнітне поле.
  • блок електроніки керування - Створює різницю фаз між різними котушками.

Крокові двигуни дуже корисні в пристроях, де необхідно знати точний кут (або крок), за допомогою якого двигун обертається в результаті подання певної кількості електричного струму.

Такі мотори рухають руками роботів або компонентами фотокопіювальних машин і принтерів. Ротор крокових двигунів складається з постійних магнітів, а статор - з електромагнітів. Електромагніти статора живляться струмом окремо за допомогою електроніки управління відповідно до потрібного кута.

Чим більше постійних магнітів встановлено в роторі та електромагнітів в статорі, тим менший кут, при якому двигун може обертатися крок за кроком, відповідно може обертатися точніше в потрібному напрямку.

Роздільна здатність двигуна збільшується, якщо магніти ротора і залізні осердя електромагнітів статора є зубчастими. Роздільна здатність може бути додатково збільшена шляхом точної зміни струму управління, що подається на котушки.

Озвучування

Електричні двигуни присутні у багатьох областях нашого повсякденного життя. Хоча існують різні типи, всі вони використовують магнітний ефект електричного струму.

Коли струм протікає в дроті, навколо нього виникає магнітне поле. Сила генерованого магнітного поля залежить від сили струму, що протікає в дроті та відстані від дроту.

Магнітне поле, що генерується струмом, можна додатково посилити намотуванням дроту у котушку. Виготовлена таким чином котушка є електромагнітом, який знаходиться у всіх електродвигунах. Силу електромагніта і положення його полюсів можна регулювати струмом, що протікає через нього.

Електричний струм може створити магнітне поле, але магнітне поле також може виробляти електричний струм. Це явище називається електромагнітною індукцією. Електричний струм може бути індукований тільки зміною магнітного поля. Якщо магнітне поле змінюється поблизу котушки, в котушці індукується напруга і генерується електричний струм. Цей струм буде мати магнітне поле, тому два магнітні поля можуть взаємодіяти один з одним. Деякі електродвигуни використовують це явище.

Є два основних типи електродвигунів: двигуни постійного струму (ПС) і змінного струму (ЗС). Як випливає з їхньої назви, двигуни постійного струму живляться постійним струмом, їх статор - постійний магніт, а їх ротор - електромагніт. Струм подається на котушку, що обертається, через ковзний контакт і вугільні щітки. У результаті подачі на неї електричного струму котушка стає магнітом. Вона обертається намагаючись вирівнятись з полярністю постійного магніту. Проте перед вирівнюванням в правильному напрямку полярність електричного струму в комутаторі змінюється на протилежну. Відповідно, котушка продовжує обертатися у напрямку до протилежного полюса, і саме таким чином вона підтримує обертання двигуна.

Іншим основним типом електродвигунів є двигуни змінного струму, що включають синхронні та асинхронні двигуни. У синхронних електродвигунах на ротор подається змінний струм, який періодично змінює напрямок. Такий струм може бути отриманий від електромережі, або від електроніки. Проста електронна схема забезпечує те, що електричний струм не змінюється в одній фазі в котушках статора, генеруючи обертове магнітне поле. У цих двигунах магніт ротора намагається слідувати за обертовим магнітним полем статора, тому він обертається разом з ним. Синхронні двигуни можуть працювати тільки зі швидкістю, що відповідає частоті електричного струму, що рухає їх. Якщо раптово виникає надто велике навантаження на двигун, ротор і полюси статора випадуть з синхронізації, а мотор зупиниться. Ці двигуни не можуть запускатись самостійно та вимагають пускового механізму. Більшість синхронних двигунів запускаються індукційним механізмом і переходять у синхронний режим, коли досягають швидкості синхронізації. Оскільки в сучасних електромобілях змінний струм генерується від постійного струму електронною схемою, ці двигуни можна розглядати як двигуни постійного струму. Вони також називаються безщітковими двигунами постійного струму або вентильними двигунами.

Принцип роботи асинхронних двигунів заснований на явищі індукції. Вони також містять дві основні частини: статор і ротор. Статор складається з декількох котушок, в яких використовується змінний струм. Ротор може бути простим металевим циліндром, проте це, як правило, котушка, яка не отримує струм зовні, струм індукується в ній. Змінний струм в котушках статора не тече в одній фазі, тому навколо цих котушок генерується обертове магнітне поле. Це обертове магнітне поле індукує електричний струм в роторі. Індукований електричний струм генерує інше магнітне поле навколо ротора. Два магнітні поля взаємодіють один з одним, тому ротор намагається вирівнятися з зовнішнім магнітним полем. Однак, оскільки магнітне поле обертається, ротор ніколи не зможе його наздогнати, тому він теж постійно обертається. Робота асинхронних двигунів не така складна, ніж у синхронних двигунів тому вони не зупиняються при збільшенні навантаження.

Обидва типи двигунів змінного струму мають також лінійні версії: ЛІД (лінійний індукційний двигун) та ЛСД (лінійний синхронний двигун). У цих версіях робота двигуна не призводить до обертального руху, а до поступального. Їх принцип роботи такий самий, як і у двигунів, що обертаються, за винятком того, що і ротор, і статор розташовані на прямій лінії.

Крокові двигуни використовуються в пристроях, де необхідно знати точний кут (крок), за допомогою якого двигун обертається в результаті подання певної кількості електричного струму. Такі мотори рухають руки роботів або компоненти копіювальних апаратів і принтерів. Ротор крокових двигунів складається з постійних магнітів, тоді як статор - з електромагнітів. Електромагніти статора живляться струмом окремо за допомогою електроніки управління відповідно до потрібного кута.

Пов'язані об'єкти

Генерація змінного струму

Електричний струм може бути отриманий шляхом обертання рамки в магнітному полі.

Двигун постійного струму

Двигуни постійного струму складаються з постійного магніту та котушки всередині магніту, в якій тече електричний струм.

Генератори та електродвигуни

Генератори перетворюють механічну енергію в електричну, а електродвигуни - навпаки: з електричної енергії виробляють механічну.

Електричний дзвінок

Механічний дзвінок, який функціонує за допомогою електромагніту.

Конденсатор

Конденсатори зберігають електричну енергію у вигляді електричного заряду.

Трансформатор

Трансформатор - це пристрій, що використовується для перетворення напруги електричного стуму.

Лабораторія Ніколи Тесли (Шорехам, США)

Цей видатний інженер-винахідник найбільш відомий своїми винаходами у галузі електрики, магнетизму та електротехніки. Він був однією з найвидатніших фігур...

Магнетрон

Магнетрон - один з найважливіших компонентів мікрохвильової печі, який генерує мікрохвилі.

Динамо-машина (середній рівень)

Динамо-машина перетворює механічну енергію в постійний струм.

Потяги на магнітній підвісці

Один з найсучасніших транспортних засобів є Маглев здатний рухатись зі швидкістю понад 400 км/год.

Екологічні транспортні засоби

Поєднання силової установки звичного двигуна внутрішнього згоряння та електричної силової установки зменшує викиди у навколишнє середовище.

Як працює лазерний принтер?

За допомогою анімації ми можемо познайомитися з будовою і роботою лазерного принтера.

Як працює фен?

Ця анімація демонструє будову і функціонування фену.

Електричний автомобіль

"Тесла Модель S" - є одним з перших комерційно доступних електромобілів.

Added to your cart.