за счет чего крутится двигатель
Как работает электродвигатель [для чайников]
Сегодня электродвигатели всё чаще приходят на замену безнадежно устаревшим бензиновым агрегатам и используются как в современном транспорте, так и в многочисленных электронных устройствах. Примеры использования этих силовых агрегатов можно встретить повсюду. Вибровызов в телефоне осуществляется благодаря работе электродвигателя, современный электровелосипед тоже едет благодаря электродвигателю и даже «любимое» метро — всё это электродвигатели.
Разновидностей электродвигателей сегодня существует огромное количество, но есть один важный фактор, который будет практически для всех них схожим. Речь идёт о физике работы этого типа устройств. Отметим, что далеко не все они будут использовать в своей работе описываемый далее принцип, но большая часть электродвигателей работают именно так. Как минимум, физический эффект, на котором всё это держится, сохраняется. Прежде, чем обсуждать подробно физику процесса, благодаря которому происходит вращение электродвигателя, рассмотрим сначала конструкцию простейшего двигателя.
Конструкция простейшего электродвигателя
Опять-таки, отметим, что рассматриваемая конструкция — это далеко не единственный вариант реализации подобных устройств. Однако, большая часть приборов работает именно так и среди бытовых приборов или в транспорте вы вряд ли обнаружите что-то другое. Поэтому, рассмотрим простейшую схему и элементарный вариант реализации прибора.
Конструкция самого простого электродвигателя является довольно примитивной. Он состоит из статора и ротора. Всё это убрано в корпус и подсоединяется проводами к источнику электрической энергии. Ещё есть подшипники, но это вещь сугубо механическая и нас сейчас не особенно интересует.
Части двигателя
Статор — это неподвижная часть. Преимущественно неподвижная часть представлена постоянными магнитами. Но бывает и обратный вариант, когда на статоре выполнена обмотка. Различие обусловлено тем, в сети какого типа работает двигатель — постоянного или переменного тока.
Ротор — это подвижная часть, которая, как правило является якорем, а на нем выполнена обмотка. К ротору подходят щётки, на которые подается электрический ток.
Щетки подключаются проводами к источнику питания. Именно они «передают электричество». Но щетки есть не во всех конструкциях двигателей.
Вся конструкция смонтирована в корпус и в закрытом виде представляет собой готовый к работе силовой агрегат. Иногда на ротор двигателя ещё добавляется крыльчатка вентилятора, которая обеспечивает циркуляцию воздуха через агрегат и его дополнительное охлаждение. Так обычно монтируются двигатели постоянного тока.
На валу двигателя мы получаем крутящий момент, который прекрасно можно использовать для своих нужд. Например, передать его посредством зубчатой передачи на редуктор или использовать непосредственно для получения полезной работы (как в вентиляторе дома).
Женщина доила корову, а воде отражалось всё наоборот. Такое может быть и с конструкцией электродвигателя. Тогда намотка там будет на статоре, вместо ротора. Это уже будут двигатели переменного тока. Сам же ротор будет выполнен или из постоянных магнитов, или выглядеть как короткозамкнутая клетка (её ещё именуют беличье колесо).
Бывает также, что и статор, и ротор электродвигателя представляют собой обмотки. Тогда картина незначительно меняется. Правда смысл всё равно сохраняется прежним. Про принципы конструирования таких машин мы поговорим чуть позже.
Принцип работы любого электродвигателя
Физический принцип работы электродвигателя держится на свойствах рамки с током в магнитном поле. Самое простое объяснение эффекта будет поверхностным, но ясным. Вспомните, как ведут себя два магнита, которые мы сводим одноименными полюсами. Они отталкиваются! При некотором приближении, можно сказать, что это и есть физический принцип работы любого электродвигателя.
Тем или иным способом нам нужно создать два магнитных поля, которые оттолкнут друг друга. Если одно поле создать на крутящемся якоре, а второе на корпусе или статоре, то одно поле будет толкать другое, а движение будет превращаться в крутящий момент и получится двигатель. Дальше остается только поиграться с конструкцией. И таких конструкций известно много, но мы обсудим самые распространенные. Это двигатель постоянного тока и двигатель переменного тока. Последний вариант разделяют на синхронные и асинхронные.
Физический принцип работы электродвигателя постоянного тока
Если мы вспомним закон Ампера, то будет понятно, что на проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила. Именно это обстоятельство позволяет получить вращающийся якорь.
Вспомним самый простой опыт, который показывают школьникам. Рамку с током помещают в магнитное поле и она начинает двигаться. Правда двигается она недолго, а скорее дергается. Всему виной несовпадение векторов. Размести мы магниты слегка иначе и получили бы постоянное движение.
Силы Ампера, действующие на боковые стороны рамки, будут создавать вращающий момент, величина которого пропорциональна магнитной индукции, силе тока в рамке, ее площади S и зависит от угла a между вектором магнитной индукции и нормалью к рамке.
Рамка с током в магнитном поле
В представленной ситуации рамка будет вращаться только тогда, когда вектора Fа будут не деформировать её, а придавать вращательное движение.
Вот так крутится рамка
Для этого в данном примере рамку нужно повернуть на 90 градусов. Теперь представим, что якорь нашего двигателя весь состоит из таких рамок, их очень много. Это улучшит процесс движения.
Вот и получился самый простой электрический двигатель постоянного тока.
Теперь представим, как будет выглядеть поведение такого двигателя при включении в цепь с переменным током. Он начнет танцевать в разные стороны. Ведь переменный электрический ток отличается тем, что регулярно меняет своё направление. Рамка с током, через которую он проходит, будет также менять направление своего движения. Крутиться равномерно такая штука не сможет. Поэтому, в переменных сетях используется двигатели переменного тока. Двигатель постоянного тока конечно же сможет работать в переменной сети, но для этого нужно использовать выпрямитель перед ним.
Правда бывают и универсальные электродвигатели, которые одинаково комфортно юзаются и там, и там. Но про это чуть позже.
Физический принцип работы электродвигателя переменного тока
Тут логика работы строится немного иначе. Обмотка у нас находится на статоре. А вот ротор представляет собой сердечник со специальной замкнутой рамкой или постоянными магнитами. Так проще обыграть постоянную смену направления тока.
Поскольку полярность тока на статоре постоянно меняется, получается что генерируемое магнитное поле тоже меняет направление и регулярно, в соответствии с фазой колебания, «даёт пинок» нашему якорю. Этот процесс и порождает непрерывное равномерное движение ротора. Но есть тут один прикол!
Если двигатель однофазный, то прежде, чем он начнет работать, его ротор нужно крутануть. Или же магнитное поле так и будет пульсировать, а ротор так и будет стоять. Для этого обычно используется дополнительная обмотка или прочие ухищрения. Для создания вращающегося магнитного поля необходимо, чтобы магнитный поток через пусковую обмотку был сдвинут по фазе относительно рабочей. Но про это как-нибудь в другой раз.
Отметим, что этого недуга лишены трехфазные двигатели переменного тока. Там всё тоже самое, но поскольку у нас есть три разных фазы с разными точками максимальных значений относительно времени, в статоре создается вращающееся магнитное поле.
Оно начинает бегать по кругу, а заодно пинает ротор. Этот процесс и порождает непрерывное равномерное движение ротора. Тут уже не нужно никакое возбуждение, потому что ротор будет регулярно пинаться по кругу, как карусель, раскручиваемый детьми.
Синхронный и асинхронный двигатели переменного тока
Двигатели переменного тока подразделяют на синхронные и асинхронные. Для постоянного тока это разделение не имеет особого смысла. Ведь там нет как такового понятия фаза и изменения направления тока.
Логика работы в обоих двигателях одинаковая. Но, судя по названию, в асинхронном что-то должно происходить ни в такт с основным процессом.
Синхронный и асинхронный двигатели отличаются преимущественно конструкцией ротора.
В роторе синхронного двигателя предусмотрена обмотка с независимой подачей напряжения или постоянные магнитики. Они толкают ротор относительно пульсирующего магнитного поля.
Ротор синхронного двигателя
У асинхронного ротора ток формируется с помощью магнитного статорного поля. В соответствии с законом электромагнитной индукции под действием прямого и обратного магнитных потоков в обмотке ротора станет действовать электродвижущая сила. Ротор похож по своей конструкции на колесо для грызуна. Но бывают и варианты с обмоткой, расположенной определенным образом.
Ротор асинхронного двигателя
В синхронном двигателе поля статора и ротора взаимодействуют друг с другом и имеют равную скорость. Ротор вращается в соответствии и точно в такт с полем статора. Частота вращения ротора синхронна частоте тока обмотки статора.
У асинхронных агрегатов имеет место разность магнитного поля роторного и статорного механизма на величину скольжения. Это то самое проскальзывание. Обороты асинхронного двигателя под нагрузкой всегда на величину скольжения отстают от вращения магнитного поля статора.
Не забываем, что обмотка ротора асинхронного двигателя, будь-то клетка или катушки под 120 градусов, является замкнутым контуром. В ней наводится ЭДС, а возникающий магнитный поток придает вращение ротору, отталкиваясь от пульсирующего магнитного поля статора. Движется эта кухня в направлении движения магнитного потока статора. Вращающий электромагнитный момент пытается уравнять скорости вращения магнитных полей статора и ротора, но это не всегда получается (а лучше сказать — никогда). Ведь уровнять эти моменты можно лишь в случае, если создавать поля одновременно, как в синхронном двигателе. Также влияет механическая нагрузка, которая подключена к валу ротора и мешает догнать поле. Но и в свободном состоянии эти цифры будут различаться. Ведь у любого механизма имеется некоторая инертность, а на время появления поля в замкнутой клетке (т.е. роторе асинхронного двигателя) тоже требуется время.
Вообщем-то, это основные вещи, которые вам следует уяснить. Всё остальное — это погружение в особенности конструкций конкретных агрегатов.
Принцип работы электродвигателя. Простыми словами о сложном.
Принцип работы электродвигателя основывается на эффекте обнаруженном Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита, может возникнуть непрерывное вращение.
Принцип работы электродвигателя постоянного тока
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 положение, 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 выше 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.
Простыми словами о сложном
На самом деле там векторное произведение, дифференциалы и т.п. но это детали, а у нас упрощённый случай. И так…
Рис. 1 Основа работы электрического двигателя
Направление силы ампера определяется правилом левой руки.
Рис. 2 Правило левой руки
Мысленно ставим левую ладонь на верхний рисунок и получаем направление сил Ампера. Она типа растягивают рамку с током в том положении как нарисовано на рис.1. И никуда вертеться тут ничего не будет, рамка в равновесии, устойчивом.
А если рамка с током повернута по-другому, то вот что будет:
Рис. 3 Рамка
Здесь уже равновесия нет, сила Ампера разворачивает противоположные стенки так, что рамка начинает вращаться. Появляется механическое вращение. Это основа электрического двигателя, самая суть, дальше только детали.
Теперь что будет делать рамка с током на рис.3?. Если система идеальная, без трения, то очевидно будут колебания. Если трение присутствует, то колебания постепенно затухнут, рамка с током стабилизируется и станет как на рис.1.
Но нам нужно постоянное вращение и достичь его можно двумя принципиально разными способами и отсюда и возникает разница между двигателями постоянного и переменного трёхфазного тока.
Принцип работы электродвигателя постоянного тока
Способ 1. Смена направления тока в рамке.
Этот способ используется в двигателях постоянного тока и его потомках.
Наблюдаем за картинками. Пусть наш двигатель обесточен и рамка с током ориентирована как-то хаотично, вот так например:
Рис. 4.1 Случайно расположенная рамка
На случайно расположенную рамку действует сила Ампера и она начинает вращаться.
Рис. 4.2
В процессе движения рамка достигает угла 90°. Момент (момент пары сил или вращательный момент) максимальный.
Рис. 4.3
И вот рамка достигает положения, когда момента вращения нет. И если сейчас не отключить ток, то сила Ампера будет уже тормозить рамку и в конце полуоборота рамка остановится и начнёт вращение в противоположном направлении. Но нам ведь этого не надо.
Поэтому мы на рис.3 делаем хитрый ход – меняем направление тока в рамке.
Рис. 4.4
И вот после пересечения этого положения, рамка с поменянным направлением тока уже не тормозится, а снова разгоняется.
Рис. 4.5
А когда рамка подходит к следующему положению равновесия, мы меняем ток ещё раз.
Рис. 4.6
И рамка опять продолжает ускоряться куда нам надо.
Вот так и получается постоянное вращение. Красиво? Красиво. Нужно только менять направление тока два раза за оборот и всего делов.
А делает это, т.е. обеспечивает смену тока специальный узел – щёточно-коллекторный узел. Принципиально он устроен так:
Рис. 5
Рисунок понятен и без пояснений. Рамка трётся то об один контакт, то об другой и так вот ток и меняется.
Очень важная особенность щёточно-коллекторного узла – его малый ресурс. Из-за трения. Например, вот движок ДПР-52-Н1 – минимальная наработка 1000 часов. В то же время срок службы современных бесколлекторных двигателей более 10000 часов, а двигателей переменного тока (там тоже нет ЩКУ) более 40000 часов.
Принцип работы электродвигателя переменного тока
Способ 2. Вращается магнитный поток, т.е. магнитное поле.
Вращающееся магнитное поле получают с помощью переменного трёхфазного тока. Вот есть статор.
Рис. 6 Статор электродвигателя
А есть значит 3 фазы переменного тока.
Рис. 7
Между ними как видно на Рис. 7 120 градусов, электрических градусов.
Эти три фазы укладывают в статор специальным образом, чтобы они геометрически были повернуты друг к дружке на 120°.
Рис. 8
И тогда при подаче трёхфазного питания получается само собой за счёт складывания магнитных потоков от трёх обмоток вращающееся магнитное поле.
Рис. 9 Вращающееся магнитное поле
Далее вращающееся магнитное поле влияет силой Ампера на нашу рамку и она вращается.
Но здесь есть тоже различия, два разных способа.
Способ 2а. Рамка запитывается (синхронный двигатель).
Подаём значит на рамку напряжение (постоянное), рамка выставляется по магнитному полю. Помните рис.1 из самого начала? Вот так рамка и становится.
Рис. 10 (Рис.1)
Но поле магнитное у нас тут вращается, а не просто так висит. Рамка чего будет делать? Тоже будет вращаться, следуя за магнитным полем.
Они (рамка и поле) вращаются с одинаковой частотой, или синхронно, поэтому такие двигатели называются синхронными двигателями.
Способ 2б. Рамка не запитывается (асинхронный двигатель).
Фишка в том, что рамка не запитывается, совсем не запитывается. Просто проволока такая замкнутая.
Когда мы начинаем вращать магнитное поле, по законам электромагнетизма в рамке наводится ток. От этого тока и магнитного поля получается сила Ампера. Но сила Ампера будет возникать только если рамка движется относительно магнитного поля (известная история с опытами Ампера и его походами в соседнюю комнату).
Так что рамка всегда будет отставать от магнитного поля. А то, если она его вдруг почему-то догонит, то пропадёт наводка от поля, пропадёт ток, пропадёт сила Ампера и всё вообще пропадёт. То есть, в асинхронном двигателе рамка всегда отстаёт от поля и частота у них значит разная, то есть вращаются они асинхронно, поэтому и двигатель называется асинхронным.