Как работает магнитный двигатель

миф или реальность, устройство, виды

Идея разработки вечного бестопливного двигателя не нова, за разработку такого агрегата во все времена брались именитые ученные своего времени. Однако ни технических средств для реализации задумки, не возможностей того времени не хватало. В некоторых случаях дело доходило только до теоретического обоснования, но существуют примеры реально разработанных альтернативных двигателей, которые призваны создать конкуренцию классическим электрическим машинам. Одним из таких вариантов является магнитный двигатель.

Миф или реальность?

Вечный двигатель знаком практически каждому еще со школьной скамьи, только на уроках физики четко утверждалось, что добиться практической реализации невозможно из-за сил трения в движущихся элементах. Среди современных разработок магнитных моторов представлены самоподдерживающие модели, в которых магнитный поток самостоятельно создает вращательное усилие и продолжает себя поддерживать в течении всего процесса работы. Но основным камнем преткновения является КПД любого двигателя, включая магнитный, так как он никогда не достигает 100%, со временем мотор все равно остановится.

Поэтому все практические модели требуют повторного вмешательстве через определенное время или каких-либо сторонних элементов, работающих от независимого источника питания. Наиболее вероятным вариантом бестопливных двигателей и генераторов выступает магнитная машина. В которой основной движущей силой будет магнитное взаимодействие между постоянными магнитами, электромагнитными полями или ферромагнитными материалами.

Актуальным примером реализации являются декоративные украшения, выполненные в виде постоянно двигающихся шаров, рамочек или других конструкций. Но для их работы необходимо использовать батарейки, которые питают постоянным током электромагниты. Поэтому далее рассмотрим тот принцип действия, который подает самые обнадеживающие ожидания.

Устройство и принцип работы

Сегодня существует достаточно большое количество магнитных двигателей, некоторые из них схожи, другие имеют принципиально отличительную конструкцию.

Для примера мы рассмотрим наиболее наглядный вариант:

Принцип действия магнитного двигателя

Как видите на рисунке, мотор состоит из следующих компонентов:

Магнит статора здесь только один и расположен он на пружинном маятнике, но такое размещение требуется только в экспериментальных целях. Если вес ротора окажется достаточным, то инерции движения хватит для преодоления самого малого расстояния между магнитами и статор может иметь стационарный магнит без маятника.
Ротор дискового типа из немагнитного материала.
Постоянные магниты, установленные на роторе в форме улитки в одинаковое положение.
Балласт — любой увесистый предмет, который даст нужную инерционность (в рабочих моделях эту функцию может выполнять нагрузка).

Все, что нужно для работы такого агрегата, придвинуть магнит статора на достаточное расстояние к ротору в точке самого наибольшего удаления, как показано на рисунке. После этого магниты начнут притягиваться по мере приближения формы улитки по кругу, и начнется вращение ротора. Чем меньше размер магнитов и чем более плавная форма получится, тем легче произойдет движение. В месте максимального сближения на диске установлена собачка, которая сместит маятник от нормального положения, чтобы магниты на притянулись в статическое положение.

Разновидности магнитных двигателей и их схемы

Сегодня существует много моделей бестопливных генераторов, электрических машин и моторов, чей принцип действия основан на природных свойствах постоянных магнитов. Некоторые варианты были спроектированы именитыми ученными, достижения которых стали основополагающим камнем в фундаменте науки. Поэтому далее мы рассмотрим самые популярные из них.

Николы Тесла

В данном примере мы рассмотрим одну из разработок известного ученого, конструкция которой приведена на рисунке ниже:

Магнитный двигатель Тесла

Конструктивно магнитный двигатель Тесла состоит из таких элементов:

электрического генератора, который представлен двумя дисками из проводника, помещенными в униполярной магнитной среде;
гибкого ремня, изготовленного из проводящего материала, расположенного по периферии дисков;
независимых магнитов, сохраняющих униполярность полей при вращении дисков.

Такой двигатель, по словам изобретателя, может функционировать и в качестве генератора, вырабатывая электрическую энергию при вращении дисков.

Минато

Этот пример нельзя назвать самовращающимся двигателем, так как для его работы требуется постоянная подпитка электрической энергией. Но такой электромагнитный мотор позволяет получать значительную выгоду, затрачивая минимум электричества для выполнения физической работы.

Схема двигателя Минато

Как видите на схеме, особенностью этого вида является необычный подход к расположению магнитов на роторе. Для взаимодействия с ним на статоре возникают магнитные импульсы за счет кратковременной подачи электроэнергии через реле или полупроводниковый прибор.

При этом ротор будет вращаться, пока его элементы не размагнитятся. Сегодня все еще ведутся разработки по улучшению и повышению эффективности устройства, поэтому назвать его полностью завершенным нельзя.

Николая Лазарева

Это не только простейший гравитационный двигатель, но и одна из реально работающих моделей вечного двигателя. Пример приведен на рисунке ниже:

Двигатель Лазарева

Как видите, для изготовления такого двигателя или генератора вам потребуется:

колба;
жидкость;
трубка;
прокладка из пористого материала;
крыльчатка и нагрузка на вал.

Принцип действия заключается в том, что вода по тонкой трубке из-за избытка давления будет подниматься вверх и скапывать на прокладку и вращать крыльчатку. Далее вода будет просачиваться сквозь губку и под воздействием магнитного поля Земли дальше стекать в нижний резервуар. Цикл будет повторяться до тех пор, пока жидкость не исчезнет, что в идеально герметичном контуре не произойдет никогда. Для усиления момента на вращаемый вал добавляют магнитные усилители.

Говарда Джонсона

В своих исследованиях Джонсон руководствовался теорией потока непарных электронов, действующих в любом магните. В его двигателе обмотки статора формируются из магнитных дорожек. На практике эти агрегаты получили реализацию в конструкции роторного и линейного двигателя. Пример такого устройства приведен на рисунке ниже:

Двигатель Джонсона

Как видите, на оси вращения в двигателе устанавливаются сразу и статор и ротор, поэтому классически вал вращаться здесь не будет. На статоре магниты повернуты одноименным полюсом к роторным, поэтому они взаимодействуют на силах отталкивания. Особенность работы ученого заключалась в длительном вычислении расстояний и зазоров между основными элементами мотора.

Перендева

Данный вид двигателя, как и предыдущий, представляет собой еще одну модель магнитного взаимодействия между статором и ротором, где обе части содержат постоянные магниты. Схема конструкции обоих представляет собой диск или кольцо, в котором точечно устанавливаются вектолиты.

Магниты статора и ротора в двигателе Переднева

Как видите на рисунке, положение активных элементов имеет угол смещения, который и определяет эффективность вращения машины. Взаимодействие магнитных потоков в двигателе происходит при задании начального крутящего момента. Точность положения и угла наклона можно отстроить только в лабораторных или заводских условиях.

Василия Шкондина

Получить вечный генератор Василию Шкодину не удалось, КПД такого магнитного двигателя и сегодня не превышает 83%. Но и этого более чем достаточно, чтобы его повсеместно применяли для велосипедов, байков и самокатов. Он может эксплуатироваться как в режиме тяги, так и для рекуперации электроэнергии.

Двигатель Шкондина

На рисунке приведена конструкция магнитного двигателя Шкодина, как видите, и ротор и статор представляют собой кольца. Из магнитных деталей он содержит 1 неодимовых магнитов. Ротор устройства содержит 6 электромагнитов, смещенных на одинаковое расстояние друг относительно друга.

Свинтицкого

Еще в конце 90-х украинский конструктор предложит модель самовращающегося магнитного двигателя, который стал настоящим прорывом в технике. За основу им был взят асинхронный двигатель Ванкеля, которому не удалось решить проблему с преодолением 360° оборота.

Игорь Свинтицкий эту проблему реши и получил патент, обратился в ряд компаний, однако асинхронное магнитное чудо техники никого не заинтересовало, поэтому проект был закрыт и за его масштабное тестирование ни одна компания не взялась.

Джона Серла

От электрического мотора такой магнитный двигатель отличает взаимодействие исключительно магнитного поля статора и ротора. Но последний выполняется наборными цилиндрами с таблетками из специального сплава, которые создают магнитные силовые линии в противоположном направлении. Его можно считать синхронным двигателем, так как разница частот в нем отсутствует.

Двигатель Серла

Полюса постоянных магнитов расположены так, что одни толкает следующий и т.д. Начинается цепная реакция, приводимая в движение всю систему магнитного двигателя , до тех пор, пока магнитной силы будет хватать хотя бы для одного цилиндра.

Алексеенко

Интересный вариант магнитного двигателя представил ученый Алексеенко, который создал устройство с роторными магнитами необычной формы.

Двигатель Алексеенко

Как видите на рисунке, магниты имеют необычную изогнутую форму. Которая максимально сближает противоположные полюса. Что делает магнитные потоки в месте сближения значительно сильнее. При начале вращения отталкивание полюсов получается значительно большим, что и должно обеспечить непрерывное движение по кругу.

Несколько видео идей

Как работают электродвигатели?

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 14 мая 2019 года.

Щёлкните по переключателю и получите мгновенную власть - как любили бы наши предки электродвигатели! Вы можете найти их во всем, от электропоезда с дистанционным управлением автомобили - и вы можете быть удивлены, насколько они распространены. Сколько электрических моторы есть в комнате с тобой прямо сейчас? Есть, вероятно, два в твоем компьютере для начала, крутишь ездить и еще один привод вентилятора охлаждения.Если вы сидите в спальне, вы найдете моторы в фенах и многие игрушки; в ванной они оснащены вытяжными вентиляторами и электробритвами; на кухне моторы есть практически в каждом приборе, от стиральных и посудомоечных машин до кофемолок, микроволновых печей и электрических консервных ножей. Электродвигатели зарекомендовали себя как одни из величайших изобретения всех времен. Давайте разберем некоторых и выясним, как они работай!

Фото: даже маленькие электродвигатели на удивление тяжелые.Это потому, что они заполнены плотно намотанной медью и тяжелыми магнитами. Это мотор от старой электрической газонокосилки. Медная вещь к Передняя часть оси с прорезями в ней является коммутатором, который удерживает двигатель вращается в том же направлении (как описано ниже).

Электричество, магнетизм и движение

Основная идея электродвигателя очень проста: вы включаете в него электричество с одной стороны и ось (металлический стержень) вращается на другом конце, давая вам возможность управлять машина какая то.Как это работает на практике? Как именно ваш преобразовать электричество в движение? Чтобы найти ответ на этот вопрос, мы имеем вернуться в прошлое почти на 200 лет.

Предположим, вы берете длину обычного провода, превращаете его в большую петлю, и положите его между полюсами мощной, постоянной подковы магнит. Теперь, если вы подключите два конца провода к батарее, провод прыгнет вкратце. Удивительно, когда вы видите это в первый раз. Это как волшебство! Но есть совершенно научный объяснение.Когда электрический ток начинает ползти по проводу, он создает магнитное поле вокруг него. Если вы поместите провод возле постоянного магнит, это временное магнитное поле взаимодействует с постоянным магнитное поле. Вы узнаете, что два магнита расположены рядом друг с другом либо привлекать, либо отталкивать. Точно так же временный магнетизм вокруг провода притягивает или отталкивает постоянный магнетизм от магнит, и это то, что заставляет проволоку прыгать.

Правило левой руки Флеминга

Вы можете определить направление, в котором будет прыгать провод, используя удобная мнемоника (помощь памяти), называемая правилом левой руки Флеминга (иногда Мотор называется правилом).

Протяните большой, первый и второй пальцы левой руки рука, так что все три под прямым углом. Если вы указываете пальцем Секонд в направлении течения (который течет от положительного к отрицательная клемма аккумулятора), и первый палец в направление поля (которое течет с севера на южный полюс магнит), твоя чёрт будет показать направление, в котором провод Ходы.

Это ...

Первый палец = Поле
SeCond finger = Текущий
ThuMb = движение

Быстрое слово о текущем

Если я вас смущаю, говоря, что ток течет от положительного к отрицательному, это просто случается историческое соглашение.Такие люди, как Бенджамин Франклин, который помог выяснить тайна электричества еще в 18 веке, полагал, что это был поток положительных зарядов, так что это перешло от положительного к отрицательному. Мы называем эту идею обычным током и до сих пор его используют в таких вещах, как правило левой руки Флеминга. Теперь у нас есть лучшие идеи о том, как электричество работает, мы склонны говорить о токе как о потоке электронов, от отрицательного к положительному, в направлении , противоположном направлению к обычному току.Когда вы пытаетесь выяснить вращение двигателя или генератора, обязательно помните, что ток означает условного тока , а не поток электронов.

Как работает электродвигатель - теоретически

Фото: электрика ремонтирует электродвигатель на борту авианосца. Блестящий металл, который он использует, может выглядеть как золото, но на самом деле это медь, хороший проводник, который намного дешевле. Фото Джейсона Якобовица любезно предоставлено ВМС США.

Связь между электричеством, магнетизмом и движением была изначально обнаружен в 1820 году французским физиком Андре-Мари Ампер (1775–1867), и это основная наука об электромоторе. Но если мы хотим превратить это удивительное научное открытие в более практичное немного технологий для питания наших электрических косилок и зубных щеток, мы должны сделать это немного дальше. Изобретателями, которые это сделали, были англичане Майкл Фарадей (1791–1867) и Уильям Стерджен (1783–1850) и американец Джозеф Генри (1797–1878).Вот как они достиг их блестящего изобретения.

Предположим, что мы сгибаем наш провод в квадратную U-образную петлю, так что есть фактически два параллельных провода, проходящие через магнитное поле. Один из них отнимает у нас электрический ток через провод, а другой один снова возвращает ток. Потому что ток течет в В противоположных направлениях в проводах левое правило Флеминга говорит нам два провода будут двигаться в противоположных направлениях. Другими словами, когда мы включите электричество, один из проводов будет двигаться вверх и другой будет двигаться вниз.

Если бы катушка проволоки могла продолжать движение вот так, она бы вращалась постоянно - и мы были бы на пути к созданию электрического двигатель. Но это не может произойти с нашей нынешней установкой: провода будут быстро запутаться. Не только это, но если бы катушка могла вращаться далеко достаточно, что-то еще случится. Как только катушка достигла вертикали положение, оно перевернется, поэтому электрический ток течь через него в обратном направлении. Теперь силы на каждом сторона катушки будет обратная.Вместо того, чтобы постоянно вращаться в в том же направлении, он будет двигаться в том направлении, в котором он только что пришел! Представьте себе электричку с таким мотором: перетасовывать назад и вперед на месте, даже не собираясь везде.

Как работает электродвигатель - на практике

Есть два способа преодолеть эту проблему. Одним из них является использование своего рода электрический ток, который периодически меняет направление, которое известно в качестве переменного тока (переменного тока). В виде маленьких, с батарейным питанием моторы, которые мы используем по дому, лучшее решение - добавить компонент называется коммутатором к концы катушки.(Не беспокойтесь о бессмысленных технических Название: это слегка старомодное слово «коммутация» немного похоже на слово «коммутировать». Это просто означает, чтобы измениться вперед и назад в одном и том же путь, которым добираются, означает путешествовать назад и вперед.) В его самой простой форме коммутатор представляет собой металлическое кольцо, разделенное на две отдельные половины и его работа заключается в том, чтобы инвертировать электрический ток в катушке каждый раз, когда Катушка вращается через пол оборота. Один конец катушки прикреплен к каждая половина коммутатора. Электрический ток от батареи подключается к электрическим клеммам двигателя.Они подают электроэнергию в коммутатор через пару свободных разъемы, называемые кистями, сделали либо из кусочков графита (мягкий карбон, похожий на карандаш "свинец") или тонкие отрезки пружинящего металла, который (как название подсказывает) "кисть" против коммутатора. С коммутатор, когда электричество течет по цепи, Катушка будет постоянно вращаться в одном и том же направлении.

Работа: упрощенная схема деталей в электрическом двигатель.Мультработа: как это работает на практике. Обратите внимание, как коммутатор меняет ток каждый раз, когда катушка поворачивается наполовину. Это означает, что сила на каждой стороне катушки всегда толкает в том же направлении, что удерживает катушку, вращающуюся по часовой стрелке.

Простой экспериментальный двигатель, подобный этому, не способен много сил. Мы можем увеличить поворотную силу (или крутящий момент) что Мотор можно создать тремя способами: либо мы можем иметь больше мощный постоянный магнит, или мы можем увеличить электрический ток течет через провод, или мы можем сделать катушку, чтобы она имела много «витки» (петли) очень тонкой проволоки вместо одного «витка» толстой проволоки.На практике двигатель также имеет постоянный магнит, изогнутый в круглая форма, так что он почти касается катушки проволоки, которая вращается внутри него. Чем ближе магнит и катушка, тем больше сила, которую может создать мотор.

Несмотря на то, что мы описали несколько различных частей, вы можете думать о двигателе как о двух основных компонентах:

Есть постоянный магнит (или магниты) по краю корпуса двигателя, который остается неподвижным, поэтому он называется статором двигателя.
Внутри статора находится катушка, установленная на оси, которая вращается с большой скоростью - и это называется ротором. Ротор также включает в себя коммутатор.

Универсальные моторы

Подобные двигатели постоянного тока

отлично подходят для игрушек с батарейным питанием (таких как модельные поезда, радиоуправляемые вагоны или электробритвы), но вы не найдете их во многих бытовых приборах. Небольшие бытовые приборы (такие как кофемолки или электрические блендеры), как правило, используют так называемые универсальные двигатели , которые могут работать от переменного или постоянного тока.В отличие от простого двигателя постоянного тока, универсальный двигатель имеет электромагнит вместо постоянного магнита, и он получает энергию от постоянного или переменного тока, который вы вводите:

При подаче постоянного тока электромагнит работает как обычный постоянный магнит и создает магнитное поле, которое всегда направлено в одном направлении. Коммутатор меняет ток катушки каждый раз, когда катушка переворачивается, как в обычном двигателе постоянного тока, поэтому катушка всегда вращается в одном и том же направлении.
Однако, когда вы подаете переменный ток, ток, протекающий через электромагнит, и ток, протекающий через катушку , и инвертируются, точно в шаге, поэтому сила на катушке всегда в одном и том же направлении, и двигатель всегда вращается либо по часовой стрелке или против часовой стрелки.А как насчет коммутатора? Частота тока изменяется намного быстрее, чем вращается двигатель, и, поскольку поле и ток всегда находятся в шаге, фактически не имеет значения, в каком положении находится коммутатор в любой данный момент.

Анимация: как работает универсальный двигатель: источник питания питает как магнитное поле, так и вращающуюся катушку. С источником постоянного тока универсальный двигатель работает так же, как обычный двигатель постоянного тока, как указано выше. При использовании источника переменного тока магнитное поле и ток катушки меняют направление каждый раз, когда ток питания меняется на противоположный.Это означает, что сила на катушке всегда указывает одинаково.

Фото: внутри типичного универсального мотора: основные детали внутри мотора среднего размера от кофемолки, которая может работать от постоянного или переменного тока. Серый электромагнит по краю - это статор (статическая часть), который питается от катушек оранжевого цвета. Обратите внимание также на прорези в коммутаторе и угольные щетки, толкающие его, которые обеспечивают питание ротора (вращающейся части). Асинхронные двигатели в таких вещах, как электрические железнодорожные поезда, во много раз больше и мощнее этого, и всегда работают с использованием переменного тока высокого напряжения, а не постоянного тока низкого напряжения или бытового переменного тока умеренно низкого напряжения. который питает универсальные двигатели.

Другие виды электродвигателей

В простых двигателях постоянного тока и универсальных двигателях ротор вращается внутри статора. Ротор представляет собой катушку, соединенную с источником электропитания, а статор представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Большие двигатели переменного тока (используемые в таких вещах, как заводские машины) работают несколько иначе: они пропускают переменный ток через противоположные пары магнитов, создавая вращающееся магнитное поле, которое «индуцирует» (создает) магнитное поле в роторе двигателя, вызывая это крутиться.Подробнее об этом вы можете прочитать в нашей статье об асинхронных двигателях переменного тока. Если вы возьмете один из этих асинхронных двигателей и «развернете» его, чтобы статор был эффективно разложен на длинной непрерывной гусенице, ротор мог катиться вдоль него по прямой линии. Этот оригинальный дизайн известен как линейный двигатель, и вы найдете его в таких вещах, как заводские машины и плавучие железные дороги "маглев".

Другой интересный дизайн - бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC). Статор и ротор эффективно меняются друг от друга, при этом в центре статично размещаются несколько железных катушек, вокруг них вращается постоянный магнит, а коммутатор и щетки заменяются электронной схемой.Вы можете прочитать больше в нашей основной статье на моторы эпицентра деятельности. Шаговые двигатели, которые поворачиваются на точно контролируемые углы, представляют собой разновидность бесщеточных двигателей постоянного тока.

Магнитная сила ＜ Как работает мотор? ＞ | Основы электроники

Вращение двигателя

с использованием магнита / магнитной силы

Основной принцип работы двигателя заключается в следующем.

Вокруг постоянного магнита, имеющего ось вращения:

① Когда вращаются внешние магниты (называемые вращающимся магнитным полем), ② полюса N и S притягивают и отталкивают друг друга, ③ приводя магнит к вращению оси вращения (в центре).

В качестве альтернативы, подача тока на проводник создает вокруг себя магнитное поле, создавая магнитную силу (вращательное магнитное поле).Это приводит к тому же эффекту, что и вращение магнита.

Если мы наматываем проводящий провод в катушку, магнитная сила объединяется, создавая большой магнитный поток вместе с северным и южным полюсами.

Фактическая эксплуатация двигателя

Здесь мы видим фактический метод, используемый для вращения двигателя путем генерации вращательного магнитного поля от 3-фазного источника переменного тока и проводящих катушек (3-фазный переменный ток представляет собой сигнал переменного тока со сдвинутыми фазами на 120 °).

Синтетическое магнитное поле в ① выше показано в ① ниже
Синтетическое магнитное поле в ② выше показано в ② ниже
Синтетическое магнитное поле в ③ выше показано в ③ ниже

Как упомянуто выше, 3-фазные катушки (U, V и W) намотаны вокруг железного сердечника, расположенного на расстоянии 120 °, с более высоким напряжением, генерируемым на северном полюсе (N), и более низким напряжением на южном полюсе ( S).Поскольку каждая фаза изменяется синусоидально, полюс (N / S), генерируемый каждой катушкой, будет продолжать изменяться вместе с магнитным полем.

Если мы посмотрим только на фазу Северного полюса, она переключается по порядку с U-катушки → V-катушки → W-катушки → U-катушки, обеспечивая вращение.

Двигатели / Приводы DriversProduct Group Page ,

асинхронных двигателей переменного тока | Как работают двигатели переменного тока

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 21 апреля 2020 г.

Знаете ли вы, как работают электродвигатели? Ответ, вероятно, да и нет! Хотя многие из нас узнали, как основные моторные работы, от простых научных книг и веб-страниц, таких как это, многие из двигатели, которые мы используем каждый день - во всем, от заводских машин до электрички - вообще-то не работают.Какие книги научите нас о простых двигателях постоянного тока, которые имеют петля проволоки вращается между полюсами постоянного магнита; в реальной жизни, большинство мощных двигателей используют переменный ток (AC) и работать совершенно по-другому: это то, что мы называем индукцией двигатели, и они очень изобретательно используют вращающееся магнитное поле. Давайте внимательнее посмотрим!

Фото: повседневный асинхронный двигатель переменного тока со снятым корпусом и ротором, на котором показаны медные обмотки катушек, составляющих статор (статическая, неподвижная часть двигателя).Эти катушки предназначены для создания вращающегося магнитного поля, которое вращает ротор (движущуюся часть двигателя) в пространстве между ними. Фото Дэвида Парсонса любезно предоставлено US DOE / NREL.

Как работает обычный двигатель постоянного тока?

Работа: Электродвигатель постоянного тока основан на петле проволоки, вращающейся внутри неподвижного магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом. Коммутатор (разрезное кольцо) и щетки (угольные контакты к коммутатору) меняют электрический ток каждый раз, когда проволока переворачивается, что позволяет ему вращаться в одном направлении.

Простые двигатели, которые вы видите в научных книгах, основаны на кусок проволоки согнут в прямоугольную петлю, которая подвешена между полюса магнита. (Физики назвали бы это проводник с током, сидящий в магнитном поле.) Когда Вы подключаете провод к батарее таким образом, чтобы через него протекал постоянный ток, создавая вокруг него временное магнитное поле. Это временное поле отталкивает исходное поле от постоянного магнита, вызывая проволоку перевернуть.Обычно провод останавливается в этой точке, а затем снова переворачивается, но если мы используем гениальное вращающееся соединение называется коммутатором, мы можем сделать текущий обратный каждый раз, когда провод переворачивается, и это означает, что провод будет вращаться в в том же направлении, пока ток течет. Это Суть простого электродвигателя постоянного тока, который был задуман в 1820-е годы Майкл Фарадей и превратился в практическое изобретение о десятилетие спустя Уильям Стерджен. (Более подробную информацию вы найдете в нашей вводной статье об электродвигателях.)

Прежде чем мы перейдем к двигателям переменного тока, давайте быстро Подводя итог, что здесь происходит. В двигателе постоянного тока магнит (и его магнитное поле) фиксируется на месте и образует внешнюю, статическую часть двигатель (статор), в то время как катушка провода, несущего электрический ток формирует вращающуюся часть двигателя (ротор). Магнитное поле исходит от статора, который является постоянный магнит, в то время как вы подаете электроэнергию на катушку, которая составляет ротор. Взаимодействие между постоянным магнитом поле статора и временное магнитное поле, создаваемое ротором, составляет что заставляет мотор вращаться.

Как работает двигатель переменного тока?

В отличие от игрушек и фонариков, в большинстве домов, офисов, заводы и другие здания не питаются от маленьких батарей: они не снабжаются постоянным током, а переменным током (AC), который меняет свое направление примерно 50 раз в секунду (с частотой 50 Гц). Если вы хотите запустить двигатель от электросети переменного тока вашей семьи, вместо батареи постоянного тока вам нужен другой дизайн двигателя.

В двигателе переменного тока есть кольцо электромагнитов расположены снаружи (составляют статор), которые предназначены для создания вращающегося магнитного поля.Внутри статора есть цельнометаллическая ось, петля из проволоки, катушка, короткозамкнутый каркас из металлических стержней и соединений (подобно вращающимся клеткам, люди иногда забавляют домашних мышей), или какая-то другая свободно вращающаяся металлическая деталь, которая может проводить электричество. В отличие от двигателя постоянного тока, где вы посылаете энергию на внутренний ротора, в двигателе переменного тока вы посылаете питание на внешние катушки, которые составляют статор. Катушки подаются в пары, последовательно, создавая магнитное поле, которое вращается вокруг двигателя.

Фото: статор создает магнитное поле, используя плотно намотанные витки медного провода, которые известны как обмотки. Когда электродвигатель изнашивается или перегорает, можно заменить его другим двигателем. Иногда проще заменить обмотки двигателя новым проводом - квалифицированная работа, которая называется перемоткой, что и происходит здесь. Фото Сет Скарлетт любезно предоставлено ВМС США.

Как это вращающееся поле заставляет двигатель двигаться? Помните, что ротор, подвешенный внутри Магнитное поле, является электрическим проводником.Магнитное поле постоянно меняется (потому что оно вращается), поэтому согласно законам электромагнетизма (точнее, закону Фарадея), магнитное поле производит (или индуцирует, если использовать термин Фарадея) электрический ток внутри ротора. Если проводник представляет собой кольцо или провод, ток течет вокруг него в виде петли. Если проводник представляет собой просто твердый кусок металла, то вокруг него циркулируют вихревые токи. В любом случае, индуцированный ток производит его собственное магнитное поле и, согласно другому закону электромагнетизма (Закон Ленца) пытается остановить то, что его вызывает - вращающееся магнитное поле - также вращением.(Вы можете думать о роторе отчаянно пытаясь «догнать» вращающееся магнитное поле, пытаясь устранить разница в движении между ними.) Электромагнитная индукция является ключом к тому, почему такой двигатель вращается, и именно поэтому он называется асинхронным двигателем.

Как работает асинхронный двигатель переменного тока?

Вот небольшая анимация, чтобы подвести итог и, надеюсь, прояснить все:

Две пары электромагнитных катушек, показанные здесь красным и синим, поочередно запитываются от источника переменного тока (не показан, но подключается к выводам справа).Две красные катушки соединены последовательно и под напряжением вместе, а две синие Катушки подключены одинаково. Поскольку это переменный ток, ток в каждой катушке не включается и не отключается внезапно (как показывает эта анимация), но плавно поднимается и опускается в форме синусоиды: когда красные катушки наиболее активны, синие катушки полностью неактивны, и наоборот. Другими словами, их токи не совпадают (смещение по фазе на 90 °).
Когда катушки находятся под напряжением, магнитное поле, которое они создают между собой, вызывает электрический ток в роторе.Этот ток создает свое собственное магнитное поле, которое пытается противостоять тому, что его вызвало (магнитное поле от внешних катушек). Взаимодействие между двумя полями вызывает вращение ротора.
Поскольку магнитное поле чередуется между красной и синей катушками, оно эффективно вращается вокруг двигателя. Вращающееся магнитное поле заставляет ротор вращаться в одном направлении и (в теории) почти с одинаковой скоростью.

Асинхронные двигатели на практике

Что контролирует скорость двигателя переменного тока?

В синхронных двигателях переменного тока ротор вращается с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле; в асинхронном двигателе ротор всегда вращается с меньшей скоростью, чем поле, что делает его примером того, что называется асинхронным двигателем переменного тока.Теоретическая скорость вращения ротора в асинхронном двигателе зависит от частоты источника переменного тока и количества катушек, составляющих статор, и без нагрузки на двигатель приближается к скорости вращающегося магнитного поля. На практике нагрузка на двигатель (независимо от того, что он ведет) также играет свою роль - имеет тенденцию замедлять ротор. Чем больше нагрузка, тем больше «скольжение» между скоростью вращающегося магнитного поля и фактической скоростью вращения ротора. Чтобы контролировать скорость двигателя переменного тока (заставить его двигаться быстрее или медленнее), вы должны увеличить или уменьшить частоту источника переменного тока, используя так называемую частотно-регулируемый привод.Поэтому, когда вы регулируете скорость чего-то вроде заводской машины, работающей от асинхронного двигателя переменного тока, вы действительно управляете цепью, которая поворачивает частоту тока, который приводит двигатель в движение вверх или вниз.

Что такое «фаза» двигателя переменного тока?

Нам не обязательно приводить ротор с четырьмя катушками (две противоположные пары), как показано здесь. Можно построить асинхронные двигатели со всеми другими типами катушек. Чем больше у вас катушек, тем плавнее будет работать мотор.Число отдельных электрических токов, подающих питание на катушки независимо друг от друга, известно как фаза двигателя, поэтому показанная выше конструкция представляет собой двухфазный двигатель (с двумя токами, подающими питание на четыре катушки, которые работают не шаг за шагом в двух парах). ). В трехфазном двигателе мы могли бы иметь три катушки, расположенные вокруг статора в виде треугольника, шесть равномерно распределенных катушек (три пары) или даже 12 катушек (три комплекта по четыре катушки) с одной, двумя или четырьмя катушками. включаются и выключаются вместе тремя отдельными токами в противофазе.

Анимация

: трехфазный двигатель, питаемый от трех токов (обозначается красным, зеленым и синие пары катушек), 120 ° в противофазе.

Преимущества и недостатки асинхронных двигателей

Преимущества

Самым большим преимуществом асинхронных двигателей переменного тока является их простота. У них есть только одна движущаяся часть, ротор, что делает их недорогими, тихими, долговечными и относительно безотказными. ОКРУГ КОЛУМБИЯ моторы, напротив, имеют коммутатор и угольные щетки, которые изнашиваются и нуждаются в замене время от времени.Трение между щетками и Коммутатор также делает двигатели постоянного тока относительно шумными (а иногда даже довольно вонючими).

Artwork: Электродвигатели чрезвычайно эффективны, обычно преобразуя около 85 процентов поступающей электрической энергии в полезную, уходящую механическую работу. Несмотря на это, внутри обмоток все еще расходуется много энергии, поэтому двигатели могут сильно нагреваться. Большинство промышленных двигателей переменного тока имеют встроенные системы охлаждения.Внутри корпуса есть вентилятор, прикрепленный к валу ротора (на противоположном конце оси, который управляет машиной, к которой подключен двигатель), показанный здесь красным. Вентилятор всасывает воздух в двигатель, обдувая его снаружи корпуса мимо вентиляционных ребер. Если вы когда-нибудь задумывались, почему электродвигатели имеют эти выступы снаружи (как вы можете видеть на верхнем фото на этой странице), это причина: они охлаждают двигатель.

Недостатки

Поскольку скорость асинхронного двигателя зависит от частоты переменного тока, который приводит его в движение, он вращается со постоянная скорость, если вы не используете частотно-регулируемый привод; Скорость двигателей постоянного тока намного проще контролировать, просто увеличивая или уменьшая напряжение питания.Хотя асинхронные двигатели относительно просты, они могут быть довольно тяжелыми и громоздкими из-за своей обмотки катушки. В отличие от двигателей постоянного тока, они не могут работать от батарей или любого другого источника питания постоянного тока (например, от солнечных батарей) без использования инвертора (устройства, которое превращает постоянный ток в переменный ток). Это потому, что им нужно изменение магнитного поля, чтобы вращать ротор.

Кто изобрел асинхронный двигатель?

Работа: оригинальный дизайн Никола Тесла для асинхронного двигателя переменного тока.Он работает точно так же, как анимация выше, с двумя синими и двумя красными катушками, попеременно включаемыми генератором справа. Это произведение искусства получено из оригинального патента Tesla, депонированного в Бюро по патентам и товарным знакам США, которое вы можете прочитать сами в ссылках ниже.

Никола Тесла (1856–1943) был физиком и плодовитый изобретатель, чей удивительный вклад в науку и технику никогда не был полностью признан. После того, как он прибыл в Соединенные Штаты в возрасте 28 лет, он начал работает на знаменитого пионера электротехники Томаса Эдисона.Но двое мужчин выпали катастрофически и вскоре стали жестокими соперниками. Тесла твердо верил что переменный ток (AC) намного превосходил постоянный ток (DC), в то время как Эдисон думал об обратном. Со своим партнером Джорджем Вестингауз, Тесла защищал AC, в то время как Эдисон был решил управлять миром на DC и придумал все виды рекламные трюки, чтобы доказать, что AC был слишком опасен для широкого использования (изобретая электрический стул, чтобы доказать, что переменный ток может быть смертельным, и даже электрический ток Топси слону с AC, чтобы показать, насколько смертельно и жестоко это было).Битва между этими двумя очень разные взгляды на электроэнергию иногда называют войной течений.

Несмотря на лучшие (или худшие) усилия Эдисона, Тесла выиграл день, и теперь электричество переменного тока дает много сил мира. Именно поэтому многие из электродвигателей, которые водить технику в наших домах, фабриках и офисах переменного тока асинхронные двигатели, работающие от вращающихся магнитных полей, которые Тесла разработан в 1880-х годах (его патент, показанный здесь, был выдан в мае 1888 года).Итальянский физик по имени Галилео Феррарис независимо придумал ту же идею примерно в то же время, но история относилась к нему еще более жестоко, чем Тесла и его имя теперь почти забыты.