Двигатель постоянного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется постоянным током. Данная группа двигателей в свою очередь по наличию щёточно-коллекторного узла подразделяется на:
Электрический двигатель
Уже в 1821 году, знаменитый британский ученый Майкл Фарадей продемонстрировал принцип преобразования электромагнитным полем электрической энергии в механическую энергию. Установка состояли из подвешенного провода, которых окунался в ртуть. Магнит устанавливался посередине колбы с ртутью. При замыкании цепи, провод начинал вращение вокруг магнита, демонстрируя то, что вокруг провода, эл. током, образовывалось электрическое поле.
Эту модель двигателя часто демонстрировали в школах и университетах. Данный двигатель считается самым простым видом из всего класса электродвигателей. Впоследствии он получил продолжение в виде Колеса Барлова. Однако новое устройство носило лишь демонстрационный характер, поскольку вырабатываемые им мощности были слишком малы.
Ученые и изобретатели работали над двигателем с целью использования его в производственных нуждах. Все они стремились к тому, чтобы сердечник двигателя двигался в магнитном поле вращательно-поступательно, на манер поршня в цилиндре паровой машины. Русский изобретатель Б.С. Якоби сделал все гораздо проще. Принцип работы его двигателя заключался в попеременном притяжении и отталкивании электромагнитов. Часть электромагнитов были запитаны от гальванической батареи, и направление течения тока в них не менялась, а другая часть подключалась к батарее через коммутатор, благодаря которому изменялось направление течения тока через каждый оборот. Полярность электромагнитов менялась, и каждый из подвижных электромагнитов то притягивался, то отталкивался от соответствующего ему неподвижного электромагнита. Вал приходил в движение.
электродвигатель Бориса Якоби Изначально мощность двигателя была небольшой и составляла всего 15 Вт, после доработок, Якоби удалось довести мощность до 550 Вт.. 13 сентября 1838 году, лодка, оборудованная этим двигателем, плыла с 12 пассажирами по Неве, против течения, развивая при этом скорость в 3 км/ч. Двигатель был запитан от большой батареи, состоящей из 320 гальванических элементов. Мощность современных электрических двигателей превышает 55 кВт. По вопросом прибретения электрических двигателей смотрите здесь.
Принцип действия.
В основу работы электрической машины заложено явление электромагнитной индукции (ЭМИ). Явление ЭМИ заключается в том, что при любом изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем (контуре) образуется индукционный ток.
Сам двигатель состоит из ротора (подвижной части – магнита или катушки) и статора (неподвижной части – катушки). Чаще всего конструкция двигателя представляет собой две катушки. Статор обложен обмоткой, по которой, собственно, и течет ток. Ток порождает магнитное поле, которое воздействует на другую катушку. В ней, по причине ЭМИ, так же образуется ток, который порождает магнитное поле, действующее на первую катушку. И так все повторяется по замкнутому циклу. В итоге, взаимодействие полей ротора и статора создает вращающий момент, приводящий в движение ротор двигателя. Таким образом, происходит трансформация электрической энергии в механическую, которую можно использовать в различных приборах, механизмах и даже в автомобилях.
Вращающееся магнитное поле
Вращение электромотора
• С приведением в действие постоянными магнитами;
• С параллельным соединением якоря и обмоток возбуждения;
• С последовательным соединением якоря и обмоток возбуждения;
• Со смешанным соединением якоря и обмоток возбуждения;
Как работает электродвигатель
Двигатель работает на основе эффекта, обнаруженного Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращение.
Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться.
В результате рамка повернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент.
На рисунке это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.
В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.
В быту же постоянные магниты используются в детских игрушках на батарейках.
В других же более мощных двигателях используются только электромагниты или обмотки. Вращающаяся часть с ними называется ротор, а неподвижная- статор.
Виды электродвигателей
Сегодня существуют довольно много электродвигателей разных конструкций и типов. Их можно разделить по типу электропитания:
- Переменного тока, работающие напрямую от электросети.
- Постоянного тока, которые работают от батареек, АКБ, блоков питания или других источников постоянного тока.
По принципу работы:
- Синхронные, в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
- Асинхронные, самый простой и распространенный вид мотора. В них нет щеток и обмоток на роторе.
Синхронный мотор вращается синхронно с магнитным полем, которое его вращает, а у асинхронного ротор вращается медленнее вращающегося магнитного поля в статоре .
Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателя
В корпусе асинхронного двигателя укладываются обмотки статора (для 380 Вольт их будет 3), которые создают вращающееся магнитное поле. Концы их для подключения выводятся на специальную клеммную колодку. Охлаждаются обмотки, благодаря вентилятору, установленному на вале в торце электродвигателя.
Ротор, являющиеся одним целым с валом, изготавливается из металлических стержней, которые замыкаются между собой с обоих сторон, поэтому он и называется короткозамкнутым.
Благодаря такой конструкции отпадает необходимость в частом периодическом обслуживании и замене токоподающих щеток, многократно увеличивается надежность, долговечность и безотказность.
Как правило, основной причиной поломки асинхронного мотора является износ подшипников, в которых вращается вал.
Принцип работы. Для того что бы работал асинхронный двигатель необходимо, что бы ротор вращался медленнее электромагнитного поля статора, в результате чего наводится ЭДС (возникает электроток) в роторе. Здесь важное условие, если бы ротор вращался с такой же скоростью как и магнитное поле, то в нем по закону электромагнитной индукции не наводилось бы ЭДС и, следовательно не было бы вращения. Но в реальности, из-за трения подшипников или нагрузки на вал, ротор всегда будет вращаться медленнее.
Магнитные полюса постоянно вращаются в обмотках мотора, и постоянно меняется направление тока в роторе. В один момент времени, например направление токов в обмотках статора и ротора изображено схематично в виде крестиков (ток течет от нас) и точек (ток на нас). Вращающееся магнитное поле изображено изображено пунктиром.
Например, как работает циркулярная пила. Наибольшие обороты у нее без нагрузки. Но как только мы начинаем резать доску, скорость вращения уменьшается и одновременно с этим ротор начинает медленнее вращаться относительно электромагнитного поля и в нем по законам электротехники начинает наводится еще большей величины ЭДС. Вырастает потребляемый ток мотором и он начинает работать на полной мощности. Если же нагрузка на вал будет столь велика, что его застопорит, то может возникнуть повреждение короткозамкнутого ротора из-за максимальной величины наводимой в нем ЭДС. Вот почему важно подбирать двигатель, подходящей мощности. Если же взять большей, то неоправданными будут энергозатраты.
В реальных условиях для создания постоянного плавного вращения двигателя используется не одна катушка обмотки, а несколько. Они поочередно пропускают через себя ток, благодаря чему создается вращающееся магнитное поле.
Классификация электродвигателей
Мы подошли к самому объемному пласту информации , который должен объяснить , по какому принципу подбирают и разделяют виды двигателей . И если по специфике организации вращательного момента техники можно поделить всего на пару категорий , а именно — гистерезисные и магнитоэлектрические , то дальше не все так однозначно . Давайте разбираться вместе . Необходимо отметить , что у гистерезисных электромоторов за вращательный момент отвечает магнитный гистерезис , оказывающий действие на ротор . Такие модели не очень востребованы и их редко можно встретить на промышленных предприятиях . А вот магнитоэлектрические моторы встречаются повсеместно . Но и они имеют свою собственную классификацию , разделяясь на такие виды приводов :
Впрочем , в современном мире существуют и универсальные движки , работающие как на постоянном , так и на переменном токах с высоким КПД электродвигателя .
Электроприводы постоянного тока
В эту категорию относятся изделия , где смена фаз происходит непосредственно в моторе . Из — за этой особенности КПД электрического движка высоко , а сами модели могут легко работать с постоянным или переменным напряжением .
Выбор электродвигателя под конкретные задачи осуществляется по специфике смены фаз в устройствах , а также присутствию обратной связи . По этим параметрам выделяют такие виды движков :
- коллекторные . Изделия могут обладать независимым возбуждением или авто — возбуждением ( параллельным , последовательным , универсальным самовозбуждением ). Как правило , в изделиях коллекторный узел отвечает за синхронную смену цепочек подвижной части мотора . Отметим , что данный элемент крайне труден в обслуживании мотора , а значит при неисправности будут трудности с ремонтом ;
- вентильные ( другая маркировка движков данного типа — бесколлекторные ). В таких устройствах переключение фаз происходит с использованием специальных инверторов . Устройства имеют функцию обратной связи с применением датчика положения ротора или же обладают свойствами асинхронного электромотора ( привода с короткозамкнутым ротором ).
Если вы думаете , что на этом подбор видов двигателей заканчиваеются , спешим вас разуверить , это не так . Мы продолжаем обзор и переходим к следующим видам .
Электроприводы пульсирующего тока
Высокий КПД электромотора данного типа достигается за счет особенностей его питания . Происходит оно при помощи пульсирующего тока . Строение и назначение привода схоже с аналогом , работающим от постоянного напряжения . Разница лишь в том , что здесь используются шихтованные детали в остове , большее количество полюсов и наличие компенсационной обмотки . Где применяются изделия данного типа ? Очень часто их можно увидеть на электровозах , оснащенных оборудованием для выпрямления переменного тока .
Электромоторы переменного тока
Как становится понятным из названия , питание в таких моделях происходит за счет переменного тока . Такие устройства могут быть как синхронными , так и асинхронными ( для примера — движки с короткозамкнутым ротором ). И , если в первой категории гармоника силы магнитного поля статора соответствует скорости вращения ротора , то в электромоторах , где используется короткозамкнутый ротор , зачастую , движения магнитного поля более частые . Рассмотрим обе эти категории двигателей детальнее .
Области применения электродвигателей
На сегодняшний день электроприводы — это главные потребители энергетики . Практически половина всей потребляемой энергии в мире приходится на самые разнообразные модели электромоторов . Электроприводы крайне востребованы во всех сферах нашей жизни , в промышленных отраслях и бытовом использовании . Давайте рассмотрим , где применяются электромоторы :
- промышленная отрасль : шлифовальное , металлообрабатывающее , деревообрабатывающее насосное , конвейерное , компрессорное оборудование , вентиляторы , производство автомобилей и другой техники ;
- сфера строительства строительство : устройства выступают компонентами лебедок , талей , кранов и прочего подъемно — транспортного оборудования , используются в лифтовых системах , узлах отопления , вентилирования и кондиционирования воздуха ( функционируют за счет крыльчатки электрического двигателя );
- бытовая техника : холодильники , пылесосы , комплектующие для ПК и ноутбуков ( HDD — диски , кулеры ), системы климат — контроля и кондиционеры , стиральные машины , миксеры и т . д .
Как видим , эксплуатация электроприводов распространена повсеместно .
