Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Может ли двигатель постоянного тока работать как генератор


Электродвигатель как генератор - ООО «СЗЭМО Электродвигатель»

Всем известно, что работа электродвигателя – это преобразование электрической энергии в механическую. Удастся ли заставить его преобразовывать механическую энергию в электрическую, чтобы использовать электродвигатель как генератор? Благодаря действующему в электротехнике принципу обратимости это возможно. Но нужно четко знать принцип работы агрегата и создать условия, способствующие превращению.

Законы, позволяющие использовать асинхронный электродвигатель как генератор

В генераторе напряжение, обычно подаваемое с аккумулятора, возбуждает в обмотке якоря магнитное поле, вращение же обеспечивается любым физическим устройством. В электродвигателе возможность подачи напряжения на обмотку якоря не предусмотрена. Чтобы он не поглощал, а вырабатывал электроэнергию, магнитное поле необходимо создать искусственно.

В асинхронном двигателе вращающееся магнитное поле ротора «отстает» от поля статора, обеспечивая процесс перехода электроэнергии в механическую энергию. Следовательно, чтобы запустить обратный процесс, нужно сделать так, чтобы поле статора вращалось медленнее поля ротора, либо чтобы оно вращалось в противоположную сторону.

Способы переделки электродвигателя в генератор

Есть два способа «регулировки» магнитного поля статора.

Торможение реактивной нагрузкой

Сделать это можно с помощью мощной конденсаторной батареи. Включите ее в цепь питания двигателя, который работает в обычном режиме. Заряд, накопленный в батарее, будет в противофазе с зарядом, создаваемым питающим напряжением, что приведет к замедлению последнего. После этого двигатель вместо поглощения тока начинает генерировать его, отдавая в сеть.

Любой транспорт на электротяге работает именно благодаря этому эффекту – при «самостоятельном» движении под уклон механическая энергия не требуется, и конденсаторная батарея автоматически подключается к цепи питания. Вырабатываемая энергия подается в сеть, чтобы затем опять преобразоваться в механическую.

Самовозбуждение электродвигателя

Остаточное магнитное поле ротора может произвести ЭДС, достаточное для зарядки конденсатора. Вследствие этого возникает эффект самовозбуждения, что делает возможным переход двигателя в режим генерации электроэнергии. Непрерывность этого процесса обеспечивает конденсаторная батарея, подпитывающаяся от произведенного тока.

Этот способ является более действенным, и именно он подходит, если вы хотите применить асинхронный электродвигатель как генератор.

Что нужно знать, чтобы электродвигатель работал как генератор

При переделке двигателя в генератор следует учитывать следующие технические детали:

  • Не пытайтесь использовать электролитические конденсаторы – они не пригодны для подключения в цепь. Вам нужны неполярные конденсаторные батареи.
  • В трехфазных машинах конденсаторы могут включаться по схеме «треугольник» или «звезда». В первом случае величина напряжения на выходе выше, а во втором генерация начинается на меньших оборотах ротора. Выбирайте оптимальный для достижения вашей цели вариант.
  • Однофазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором тоже могут генерировать электроэнергию. Запуск осуществляется с помощью фазосдвигающего конденсатора.

Поскольку определить необходимую величину емкости конденсаторной батареи невозможно, остается подбирать ее по весу – он должен быть равен весу двигателя или слегка превышать его.

Насколько эффективно использование электродвигателя в качестве генератора

У использования электродвигателя как генератора есть свои «плюсы»:

  • Агрегат достаточно прост в обслуживании и экономичен, поскольку конденсатор получает энергию от остаточного поля ротора и от вырабатываемого тока.
  • Практически отсутствуют «побочные» траты энергии на магнитные поля или бесполезный нагрев.

И «минусы»:

  • Преобразованный в генератор двигатель чувствителен к перепадам нагрузки.
  • Частота вырабатываемого тока часто нестабильна.
  • Такой генератор не может обеспечить промышленную частоту тока.

Если в вашем случае преимущества перевешивают недостатки, то применение асинхронного генератора целесообразно.


Конструкция машины постоянного тока (генератор и двигатель)

Генераторы постоянного тока и двигатели постоянного тока имеют одинаковую общую конструкцию. Фактически, когда машина собирается, рабочие обычно не знают, является ли это генератором постоянного тока или двигателем.

Любой генератор постоянного тока может работать как двигатель постоянного тока и наоборот.

Читать: Работа двигателя постоянного тока

Все машины постоянного тока имеют пять основных компонентов
  1. Магнитная рама или вилка
  2. Сердечники полюсов и башмаки полюсов
  3. Катушки полюсов или полевые катушки
  4. Сердечник якоря
  5. Обмотка якоря
  6. Коммутатор
  7. Щетки и подшипники

На приведенной ниже схеме показаны различные части машины постоянного тока.

Поперечное сечение машины постоянного тока показано на рисунке ниже. Поперечное сечение машины постоянного тока

1. Хомут (магнитная рама)

Внешняя рама или хомут служит двойному назначению:

  1. Он обеспечивает механическую опору для опор и служит защитным кожухом для всей машины.
  2. Это несет магнитный поток , произведенный полюсами.

В небольших генераторах, где основным фактором является дешевизна, а не вес, хомуты изготовлены из чугуна.Но для больших машин обычно используется литая сталь или прокат.

Хомут машины постоянного тока

Современный процесс формирования хомута заключается в намотке стального сляба вокруг цилиндрической оправки и последующей его сварке на дне.

Ножки, клеммная коробка и т. Д. Затем приварены к раме. Такие хомуты обладают достаточной механической прочностью и обладают высокой проницаемостью.

2. Сердечники и полюсные колодки

Полевые магниты состоят из сердечников и полюсных башмаков .Полюсные башмаки служат двум целям:

,
    ,
  1. , они распространяют поток в воздушном зазоре, а также, имея большее поперечное сечение, уменьшают сопротивление магнитного пути
  2. ,
  3. , они поддерживают катушки возбуждения (или полевые катушки),
  4. ,
. Ядра и Полюс Обувь

Существует два основных типа конструкции столбов.

  • Сам стержень полюса может быть цельным элементом, изготовленным либо из чугуна, либо из литой стали, но башмак полюса многослойный и крепится к лицевой поверхности полюса с помощью винтов с потайной головкой
  • В современном дизайне полюс в сборе сердечники и полюсные башмаки изготовлены из тонких пластин из отожженной стали, которые склепаны друг с другом под гидравлическим давлением.Толщина ламинирования варьируется от 1 мм до 0,25 мм.

3. Полевая система

Функция полевой системы заключается в создании однородного магнитного поля, в котором вращается якорь.

Катушки возбуждения установлены на полюсах и проводят постоянный ток возбуждения. Катушки возбуждения связаны таким образом, что соседние полюса имеют противоположную полярность.

м.м.ф. Разработанные полевые катушки создают магнитный поток, который проходит через полюсные наконечники, воздушный зазор, якорь и раму.

Практические машины постоянного тока имеют воздушные зазоры от 0,5 мм до 1,5 мм.

Полевая система

Поскольку арматура и полевые системы состоят из материалов, которые имеют высокую проницаемость, большая часть m.m.f. полевых катушек требуется для настройки потока в воздушном зазоре.

Уменьшая длину воздушного зазора, мы можем уменьшить размер полевых катушек (то есть количество витков).

4. Сердечник якоря и расслоения

Сердечник якоря прикреплен к валу машины и вращается между полюсами поля.

Он состоит из щелей из мягкого железа с прорезями (толщиной примерно от 0,4 до 0,6 мм), которые уложены друг в друга для формирования цилиндрического сердечника, как показано на рисунке.

Сердцевина якоря и ламинирование

Ламинации индивидуально покрыты тонкой изолирующей пленкой, чтобы они не вступали в электрический контакт друг с другом.

Целью ламинирования сердечника является снижение потерь на вихревые токи. Чем тоньше ламинирование, тем больше сопротивление, оказываемое индуцированной э.m.f., меньше ток и, следовательно, меньше потери I²R в ядре.

Ламинации имеют прорези для размещения и обеспечения механической безопасности обмотки якоря и для обеспечения более короткого воздушного зазора для пересечения флюса между лицевой стороной полюса и «зубьями» якоря.

5. Обмотка якоря

Слоты сердечника якоря удерживают изолированные проводники, которые подключены подходящим образом. Это известно как обмотка якоря.

Катушка якоря и сердечник якоря

Это обмотка, в которой «работает» e.m.f. индуцируется. Проводники якоря соединены последовательно-параллельно; проводники соединены последовательно, чтобы увеличить напряжение, и параллельными путями, чтобы увеличить ток.

Обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой обмотку с замкнутым контуром; проводники соединяются симметрично, образуя замкнутый контур или ряд замкнутых контуров.

В зависимости от того, каким образом проводники якоря соединены с сегментами коммутатора, в машине постоянного тока существует два типа обмотки якоря.,

  • (a) намотка круга
  • (b) намотка волны.

6. Коммутатор

Коммутатор - это механический выпрямитель, который преобразует переменное напряжение, генерируемое в обмотке якоря, в постоянное напряжение на щетках.

Коммутатор

Коммутатор изготовлен из медных сегментов, изолированных друг от друга листами слюды и установленных на валу машины.

Проводники якоря припаиваются к сегментам коммутатора подходящим образом для создания обмотки якоря.

В зависимости от того, каким образом проводники якоря соединены с сегментами коммутатора, существует два типа обмотки якоря в машине постоянного тока, а именно:

  1. обмотка круга
  2. обмотка волны.

При создании коммутатора особое внимание уделяется тому, что любой эксцентриситет вызовет отскок щеток, что приведет к недопустимому искрению.

Искры могут сжечь щетки, перегреть и обуглить коммутатор.

7. Щетки

Двигатели постоянного тока бывают двух типов: один представляет собой щеточный двигатель постоянного тока, а другой - бесщеточный двигатель постоянного тока. Бесщеточные двигатели постоянного тока в основном используются в высокоскоростных приложениях, таких как мультикоптеры (например: - квадрокоптеры).

Назначение щеток в генераторе постоянного тока состоит в обеспечении электрических соединений между вращающимся коммутатором и стационарной внешней цепью нагрузки.

Щетки изготовлены из карбона и опираются на коммутатор. Давление щетки регулируется с помощью регулируемых пружин.

Щетки

Если давление щетки очень велико, трение вызывает нагрев коллектора и щеток.

С другой стороны, если он слишком слабый, несовершенный контакт с коммутатором может вызвать искры. Многополюсные машины имеют столько же щеток, сколько и полюсов. Например, 4-полюсный станок имеет 4 щетки.

Обойдя коммутатор, последовательные кисти имеют положительную и отрицательную полярность.

Щетки, имеющие одинаковую полярность, соединены вместе, так что у нас есть две клеммы, а именно., клемма + ve и клемма -ve

Видео: Конструкция генератора постоянного тока

Смотрите видео ниже, чтобы понять конструкцию генератора постоянного тока и двигателя постоянного тока.

.

Электродвигатели и генераторы

Электродвигатели, генераторы, генераторы переменного тока и динамики объясняются с использованием анимации и схем.
Это страница ресурса от Physclips, многоуровневого мультимедийного введения в физику (загрузите анимацию на этой странице).

Двигатели постоянного тока

Простой двигатель постоянного тока имеет катушку провода, которая может вращаться в магнитном поле. ток в катушке подается через две щетки, которые соприкасаются с разрезное кольцо.Катушка лежит в устойчивом магнитном поле. Приложенные силы на токоведущих проводах создают крутящий момент на катушке. Сила F на проволоке длиной L, несущей ток i в магнитном поле B - это iLB, умноженное на синус угла между B и i, который был бы равен 90 °, если поля были равномерно вертикальными. Направление F исходит справа Правило руки *, как показано здесь. Две силы, показанные здесь, равны и противоположны, но они смещены вертикально, поэтому они оказывают крутящий момент.(Силы на две другие стороны катушки действуют вдоль одной и той же линии и, следовательно, не имеют крутящего момента.)
    * Для запоминания направления силы используется ряд различных nmemonics. Некоторые используют правую руку, некоторые левую. Для студентов, знающих векторное умножение, легко использовать силу Лоренца: F = q v X B , откуда F = i дл X B .Это происхождение диаграммы, показанной здесь.
Катушка также может рассматриваться как магнитный диполь или маленький электромагнит, как указано стрелкой SN: скрутите пальцы правой руки в Направление тока, а большой палец - это северный полюс. В эскизе справа изображен электромагнит, образованный катушкой ротора как постоянный магнит, и тот же крутящий момент (север притягивает юг) быть действующим, чтобы выровнять центральный магнит.
    Мы используем синий для северного полюса и красный для южного. Это просто соглашение, чтобы сделать ориентацию ясной: нет никакой разницы в материале на обоих концах магнита, и они обычно не окрашены в другой цвет.

Обратите внимание на влияние щеток на разрезное кольцо . Когда плоскость вращающейся катушки достигает горизонтали, щетки разорвут контакт (не так много потеряно, потому что это точка нулевого момента в любом случае - силы действовать внутрь).Момент импульса катушки переносит его за этот разрыв точка и ток затем течет в противоположном направлении, которое меняет направление магнитный диполь. Итак, после прохождения точки останова, ротор продолжает повернуть против часовой стрелки и начинает выравниваться в противоположном направлении. в следующий текст, я буду в основном использовать изображение «крутящий момент на магните», но знать, что использование щеток или переменного тока может привести к электромагнит, о котором идет речь, для изменения положения, когда ток меняет направление.

Крутящий момент, создаваемый в течение цикла, зависит от вертикального разделения две силы. Поэтому оно зависит от синуса угла между ось катушки и поля. Тем не менее, из-за разрезного кольца, это всегда в том же смысле. Анимация ниже показывает его изменение во времени, и вы можете остановить его на любом этапе и проверить направление, применяя правую руку править.

Моторы и генераторы

Теперь двигатель постоянного тока также является генератором постоянного тока.Посмотрите на следующую анимацию. катушка, разрезное кольцо, щетки и магнит - это то же оборудование, что и мотор выше, но катушка поворачивается, что генерирует ЭДС.

Если вы используете механическую энергию, чтобы вращать катушку (N витков, область A) равномерно угловая скорость ω в магнитном поле B , это произведет синусоидальную ЭДС в катушке. ЭДС (ЭДС или электродвижущая сила - почти то же самое, что и напряжение). Пусть θ будет угол между B и нормалью к катушке, поэтому магнитный поток φ равен NAB.сов θ. Закон Фарадея дает:

Анимация выше будет называться генератором постоянного тока. Как в двигателе постоянного тока, концы катушки соединяются с разрезным кольцом, две половины которого контактируют кистями. Обратите внимание, что кисти и разрезное кольцо «исправляют» произведенную ЭДС: контакты организованы так, что ток всегда будет течь в одном и том же направление, потому что, когда катушка поворачивает мимо мертвой точки, где щетки встретить зазор в кольце, соединения между концами катушки и внешние клеммы меняются местами.ЭДС здесь (пренебрегая мертвой точкой, которая обычно происходит при нулевом напряжении) | NBAω грех ωt |, как набросал.

Генератор переменного тока

Если мы хотим AC, нам не нужно исправление, поэтому нам не нужны разделительные кольца. (Это Это хорошая новость, потому что разрезные кольца вызывают искры, озон, радиопомехи и дополнительный износ. Если вы хотите DC, часто лучше использовать генератор переменного тока и выпрямлять с диодами.)

В следующей анимации две кисти касаются двух непрерывных колец, так что две внешние клеммы всегда подключены к одним и тем же концам катушки.В результате получается неопознанная синусоидальная ЭДС, заданная NBAω sin ωt, что показано в следующей анимации.


Это генератор переменного тока. Преимущества переменного и постоянного тока генераторы сравниваются в разделе ниже. Мы видели выше, что двигатель постоянного тока также генератор постоянного тока. Аналогично, генератор переменного тока также является двигателем переменного тока. Тем не мение, это довольно негибкий. (Смотри как настоящие электромоторы работают более подробно.)

Обратный ЭДС

Теперь, как показывают первые две анимации, двигатели и генераторы постоянного тока могут быть то же самое.Например, моторы поездов становятся генераторами, когда поезд замедляется: они преобразуют кинетическую энергию в электрическую и власть обратно в сетку. Недавно несколько производителей начали производить автомобили рационально. В таких автомобилях также используются электродвигатели для управления автомобилем. используется для зарядки аккумуляторов, когда автомобиль остановлен - это называется регенеративным торможения.

Итак, вот интересное следствие. Каждый двигатель - это генератор . Это правда, в некотором смысле, даже когда он функционирует как мотор.ЭДС это мотор генерирует называется обратно ЭДС . ПротивоЭДС увеличивается с скорость, из-за закона Фарадея. Итак, если двигатель не имеет нагрузки, он очень быстро и ускоряется до обратной эдс, плюс падение напряжения из-за потерь, равное напряжение питания. Обратный ЭДС можно рассматривать как «регулятор»: он останавливает двигатель бесконечно быстро (тем самым, избавляя физиков от смущения). Когда двигатель загружен, то фаза напряжения становится ближе к фазе тока (начинает выглядеть резистивным), и это кажущееся сопротивление дает напряжение.Итак, спина ЭДС требуется меньше, и двигатель вращается медленнее. (Добавить обратно ЭДС, которая является индуктивной, к резистивному компоненту, вам нужно добавить напряжения которые не в фазе. См AC схемы.)

Катушки обычно имеют сердечники

На практике (и в отличие от нарисованных нами диаграмм) генераторы и постоянный ток двигатели часто имеют сердечник с высокой проницаемостью внутри катушки, так что большие магнитные поля создаются скромными токами. Это показано слева в рисунок ниже, в котором статоров (магниты, которые являются статическими) являются постоянными магнитами.

«Универсальные» моторы

Магниты статора тоже могут быть выполнены в виде электромагнитов, как показано выше справа Два статора намотаны в одном направлении, чтобы дать поле в том же направлении, и ротор имеет поле, которое дважды меняет за цикл, потому что он связан с кистями, которые здесь опущены. Один Преимущество наличия статоров в двигателе состоит в том, что можно создать двигатель который работает от переменного или постоянного тока, так называемый универсальный двигатель .Когда вы едете такой двигатель с переменным током, ток в катушке меняется дважды в каждом цикле (помимо изменений от кистей), но полярность статоров изменения в то же время, поэтому эти изменения отменяются. (К сожалению, однако, есть еще кисти, хотя я спрятал их в этом наброске.) Для преимуществ и Недостатки статора с постоянным магнитом по сравнению со статорами с обмоткой см. ниже. Также увидеть больше на универсальных моторах.

Построить простой мотор

Чтобы построить этот простой, но странный мотор, вам понадобятся два довольно сильных магнита. (редкоземельные магниты диаметром около 10 мм будут в порядке, как и более крупный стержень магниты), немного жесткой медной проволоки (не менее 50 см), два провода с крокодилом зажимы на каждом конце, батарея фонаря на шесть вольт, две банки безалкогольного напитка, два блока дерева, немного липкой ленты и острый гвоздь.

Сделайте катушку из жесткого медного провода, чтобы он не нуждался в внешнем служба поддержки. Заверните от 5 до 20 витков в круг диаметром около 20 мм и два конца направлены радиально наружу в противоположных направлениях. Эти концы будут быть осью и контактами. Если провод имеет лаковую или пластиковую изоляцию, раздеть его на концах.

Опоры для оси могут быть изготовлены из алюминия, поэтому что они делают электрический контакт. Например, тыкать дыры в безалкогольный напиток банки с гвоздем, как показано на рисунке.Расположите два магнита с севера на юг, так что магнитное поле проходит через катушку под прямым углом к оси. Лента или клей магниты на деревянные блоки (не показаны) в диаграмме), чтобы держать их на нужной высоте, затем переместите блоки поставить их на место, достаточно близко к катушке. Поверните катушку изначально так что магнитный поток через катушку равен нулю, как показано на схеме.

Теперь достаньте аккумулятор и два провода с зажимами крокодил.Connect две клеммы аккумулятора к двум металлическим опорам для катушка и она должна повернуться.

Обратите внимание, что у этого двигателя есть хотя бы одна «мертвая точка»: он часто останавливается в положении, когда на катушке нет крутящего момента. Не уходи слишком долго: аккумулятор быстро разряжается.

Оптимальное количество витков в катушке зависит от внутреннего сопротивление батареи, качество поддержки контактов и тип провода, поэтому вы должны экспериментировать с различными значениями.

Как уже упоминалось выше, это тоже генератор, но это очень неэффективный. Чтобы сделать большую ЭДС, используйте больше ходов (вам может понадобиться использовать более тонкий провод и рамку, на которую его намотать.) Вы можете использовать например, электрическая дрель для быстрого вращения, как показано на рисунке выше. Используйте осциллограф, чтобы посмотреть на генерируемую ЭДС. Это AC или DC?

У этого мотора нет разрезного кольца, так почему же это работает на DC? Проще говоря, если бы это было точно симметрично, это не сработало бы.Однако если ток в одном полупериоде несколько меньше, чем в другом, то средний крутящий момент не будет равен нулю, и, поскольку он вращается достаточно быстро, угловой момент, полученный во время полупериода с большим током, переносит его через полупериод, когда крутящий момент в противоположном направлении. Как минимум два эффекта могут вызвать асимметрию. Даже если провода полностью зачищены, а провода чистые, сопротивление контакта вряд ли будет одинаковым даже в состоянии покоя. Кроме того, само вращение вызывает прерывистость контакта, поэтому, если в течение одной фазы имеются более длинные отскоки, этой асимметрии достаточно.В принципе, вы могли бы частично зачистить провода таким образом, чтобы ток был равен нулю в одной половине цикла.

Альтернативная версия простого двигателя, Джеймсом Тейлор.
Еще более простой двигатель (который также гораздо проще понять!) - это гомополярный двигатель.

Двигатели переменного тока

С помощью переменного тока мы можем менять направление поля без использования щеток.Это хорошие новости, потому что мы можем избежать искрения, производства озона и омическая потеря энергии, которую могут повлечь за собой щетки. Далее, потому что щетки контакт между движущимися поверхностями, они изнашиваются.

Первое, что нужно сделать в двигателе переменного тока, - это создать вращающееся поле. «Обычный» Переменный ток от 2 или 3-контактного разъема является однофазным переменным током - он имеет один синусоидальный Разность потенциалов генерируется только между двумя проводами - активным и нейтральным. (Обратите внимание, что заземляющий провод не проводит ток, кроме как в случае электрические неисправности.) С однофазным переменным током можно создать вращающееся поле генерируя два тока, которые не совпадают по фазе, используя, например, конденсатор. В показанном примере два тока сдвинуты по фазе на 90 °, поэтому вертикальное компонент магнитного поля является синусоидальным, а горизонтальный - косусоидальным, как показано. Это дает поле, вращающееся против часовой стрелки.

(* меня попросили объяснить это: от простого кондиционера Теория, ни катушки, ни конденсаторы не имеют напряжения в фазе с электрический ток.В конденсаторе напряжение является максимальным, когда заряд закончил течь на конденсатор, и собирается начать течь. Таким образом, напряжение отстает от тока. В чисто индуктивной катушке падение напряжения является наибольшим, когда ток меняется наиболее быстро, что также когда ток равен нулю. Напряжение (падение) опережает ток. В моторных катушках фазовый угол меньше 90, потому что электрический энергия преобразуется в механическую энергию.)

В этой анимации графики показывают изменение во времени течений в вертикальных и горизонтальных катушках. Участок поля компонентов B x а B y показывает, что векторная сумма этих двух полей является вращающейся поле. Основное изображение показывает вращающееся поле. Это также показывает полярность магнитов: как указано выше, синий представляет северный полюс, а красный - южный полюс.

Если мы поместим постоянный магнит в эту область вращающегося поля, или если мы положим в катушке, ток которой всегда идет в одном направлении, то это становится синхронный двигатель .При широком диапазоне условий двигатель будет повернуть со скоростью магнитного поля. Если у нас много статоров, вместо только из двух пар, показанных здесь, то мы могли бы рассматривать его как шаговый двигатель: каждый импульс перемещает ротор на следующую пару задействованных полюсов. Пожалуйста, помните мое предупреждение об идеализированной геометрии: настоящие шаговые двигатели есть десятки полюсов и довольно сложной геометрии!

Асинхронные двигатели

Теперь, поскольку у нас есть изменяющееся во времени магнитное поле, мы можем использовать индуцированную ЭДС в катушке - или даже только вихревые токи в проводнике - чтобы сделать ротор магнит.Это верно, когда у вас есть вращающееся магнитное поле, вы можете просто вставьте проводник, и он получится. Это дает несколько из преимуществ асинхронные двигатели : нет щеток или коммутатора, что упрощает производство, нет износ, отсутствие искр, образование озона и отсутствие потерь энергии с ними. Внизу слева приведена схема асинхронного двигателя. (Для фотографий реальные асинхронные двигатели и более подробную информацию, см. Индукционные двигатели).

Анимация справа представляет собой двигатель с короткозамкнутым ротором .Белка клетка имеет (в этой упрощенной геометрии, во всяком случае!) два круглых проводника, соединенных на несколько прямых баров. Любые два стержня и соединяющие их дуги образуют катушка - как показано синей чертой в анимации. (Только два из для простоты было показано много возможных схем.)

Эта схема показывает, почему их можно назвать двигателями с короткозамкнутым ротором. Реальность другая: фотографии и подробности см. В разделе «Индукция». моторы. Проблема с асинхронными и короткозамкнутыми двигателями показана в этой анимации, что конденсаторы высокого значения и высокого напряжения дорогиеОдним из решений является двигатель с «затененным полюсом», но его вращающийся поле имеет некоторые направления, где крутящий момент мал, и он имеет тенденцию бежать назад при некоторых условиях. Самый лучший способ избежать этого использовать многофазные двигатели.

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока

Единственная фаза используется в домашних условиях для приложений с низким энергопотреблением, но у него есть некоторые недостатки. Во-первых, он выключается 100 раз в секунду (вы не обратите внимание, что флуоресцентные лампы мерцают на этой скорости, потому что ваши глаза слишком медленные: даже 25 кадров в секунду на телевизоре достаточно быстры, чтобы иллюзия непрерывного движения.) Во-вторых, это делает его неловким производить вращающиеся магнитные поля. По этой причине некоторая высокая мощность (несколько кВт) бытовые устройства могут потребовать трехфазной установки. Промышленные применения широко использовать три фазы, а трехфазный асинхронный двигатель является стандартным рабочая лошадка для мощных применений. Три провода (не считая земли) несут три возможных разности потенциалов, которые не в фазе с каждым другой на 120 °, как показано на анимации ниже. Таким образом три статора дают плавно вращающееся поле.(Посмотри это ссылка для получения дополнительной информации о трехфазном питании.)

Если в такой набор статоров поместить постоянный магнит, он становится синхронным трехфазный двигатель . Анимация показывает клетку белка, в которой для простота показана только одна из множества индуктированных токовых петель. С нет механическая нагрузка, она вращается практически в фазе с вращающимся полем. Ротор не должен быть короткозамкнутым: фактически любой проводник, который будет несущие вихревые токи будут вращаться, стремясь следовать вращающемуся полю.Такое расположение может дать асинхронный двигатель , способный к высокой эффективности, высокая мощность и высокий крутящий момент в диапазоне скоростей вращения.

Линейные моторы

Набор катушек может быть использован для создания магнитного поля, которое переводит, скорее чем вращается. Пара катушек в анимации ниже пульсирует от слева направо, поэтому область магнитного поля перемещается слева направо. постоянный или электромагнит будет стремиться следовать за полем. Так бы простой плита из проводящего материала, потому что вихревые токи, индуцированные в нем (не показаны) содержат электромагнит.В качестве альтернативы, мы могли бы сказать, что из Фарадея закон, ЭДС в металлической плите всегда вызывается, чтобы противостоять любым изменениям в магнитном потоке, и силы на токах, вызванных этой эдс, сохраняют поток в плите почти постоянен. (Вихревые токи не показаны в этой анимации.)

В качестве альтернативы, мы могли бы иметь наборы катушек с питанием в движущейся части, и вызвать вихревые токи в рельсе. В любом случае мы получаем линейный двигатель, который был бы полезен, скажем, в поездах Маглев.(В анимации геометрия как обычно на этом сайте, высоко идеализирован, и только один вихревой ток показано.)

Некоторые заметки о двигателях переменного и постоянного тока для мощных применений

    Этот сайт был изначально написан, чтобы помочь старшеклассникам и учителя в Новом Южном Уэльсе, Австралия, где концентрируется новый учебный план на истории и приложениях физики, за счет самой физики, был введен. Новый учебный план, в одной из точек, имеет этот загадочное требование: «объясните, что двигатели переменного тока обычно вырабатывают малую мощность и связать это с их использованием в электроинструментах ".
Двигатели переменного тока используются для мощных применений, когда это возможно. Три асинхронные электродвигатели переменного тока широко используются для мощных применений, в том числе тяжелая индустрия. Тем не менее, такие двигатели не подходят, если многофазный недоступен, или трудно доставить. Электропоезда являются примером: легче строить линии электропередач и пантографы, если нужен только один активный проводник, так что это обычно несет DC, и много двигателей поезда - DC. Однако из-за недостатков постоянного тока для высокой мощности, более современные поезда преобразуют постоянный ток в переменный ток, а затем работают трехфазные двигатели.

Однофазные асинхронные двигатели имеют проблемы для комбинирования приложений высокая мощность и гибкие условия нагрузки. Проблема заключается в создании вращающееся поле. Конденсатор может быть использован для помещения тока в один набор Катушки впереди, но конденсаторы высокого напряжения высокого напряжения стоят дорого. Затенение вместо этого используются полюса, но крутящий момент мал под некоторыми углами. Если не можешь создать плавно вращающееся поле, и если нагрузка «скользит» далеко позади поле, то крутящий момент падает или даже меняет направление.

В электроинструментах и ​​некоторых приборах используются щеточные двигатели переменного тока. Щетки вводят потери (плюс искрение и производство озона). Полярности статора меняются местами 100 раз в секунду. Даже если материал сердечника выбран для минимизации гистерезиса потери («потери в железе»), это способствует неэффективности и возможности от перегрева. Эти моторы можно назвать «универсальными» двигатели, потому что они могут работать на постоянном токе. Это решение дешево, но сыро и неэффективно. Для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как электроинструменты, неэффективность обычно не является экономически важной.

Если доступен только однофазный переменный ток, можно выпрямить переменный ток и использовать Двигатель постоянного тока. Сильноточные выпрямители раньше были дорогими, но становятся менее дорогой и более широко используемый. Если вы уверены, что понимаете принципы, пришло время перейти к Как настоящие электромоторы работы Джона Стори. Или продолжайте здесь, чтобы найти о громкоговорителях и трансформаторах.


Громкоговорители

Громкоговоритель - это линейный двигатель с небольшим диапазоном.Имеет один движущийся катушка, которая постоянно, но гибко подключена к источнику напряжения, так что есть нет кистей.
Катушка движется в поле постоянного магнита, который обычно имеет форму создать максимальную силу на катушке. Движущаяся катушка не имеет сердечника, поэтому его масса мала, и он может быть ускорен быстро, что позволяет частота движения. В громкоговорителе катушка прикреплена к легкому весу бумажный конус, который поддерживается на внутреннем и внешнем краях круглым, плиссированные бумажные «пружины».На фотографии ниже, динамик находится за нормальный верхний предел его перемещения, поэтому катушка видна над магнитные столбы.

Для низкочастотного звука с большой длиной волны нужны большие конусы. Динамик, показанный ниже, имеет диаметр 380 мм. Колонки предназначены для низкие частоты называются сабвуферами. Они имеют большую массу и являются поэтому трудно разогнаться быстро для высокочастотных звуков. На фотографии ниже раздел был вырезан, чтобы показать внутренние компоненты.

Твитеры - динамики, предназначенные для высоких частот - могут быть просто колонки аналогичного дизайна, но с небольшими, малыми по массе диффузорами и катушками. В качестве альтернативы они могут использовать пьезоэлектрические кристаллы для перемещения конуса.

Динамики считаются линейными двигателями со скромным диапазоном - возможно, десятки мм. Подобные линейные двигатели, хотя, конечно, без бумажного конуса, часто бывают используется для радиального перемещения головки чтения и записи на дисководе.
Громкоговорители как микрофоны
На рисунке выше вы можете видеть, что картонная диафрагма (диффузор громкоговорителя) соединена с катушкой провода в магнитном поле. Если звуковая волна перемещает диафрагму, катушка будет двигаться в поле, генерируя напряжение. Это принцип динамического микрофона - хотя в большинстве микрофонов диафрагма немного меньше, чем диффузор громкоговорителя. Итак, динамик должен работать как микрофон. Это хороший проект: все, что вам нужно - это динамик и два провода для подключения его к входу осциллографа или микрофонному входу вашего компьютера.Два вопроса: как вы думаете, что масса конуса и катушки будет делать с частотной характеристикой? Как насчет длины волны используемых вами звуков?

Предупреждение: настоящие двигатели сложнее

Эскизы двигателей были схемами, чтобы показать принципы. Пожалуйста, не сердитесь, если, когда вы раздвигаете мотор, он выглядит более сложно! (Смотри как настоящие электродвигатели работают.) Например, типичный двигатель постоянного тока Скорее всего, у вас будет много отдельно намотанных катушек, чтобы получить более плавный момент всегда есть одна катушка, для которой синусоидальный термин близок к единице.Это показано ниже для двигателя со статорами намотки (выше) и постоянные статоры (ниже).

Трансформаторы

На фотографии показан трансформатор, предназначенный для демонстрационных целей: первичная и вторичная катушки четко разделены и могут быть удалены и заменили, подняв верхнюю часть сердечника. Для наших целей обратите внимание что катушка слева имеет меньше катушек, чем справа (вставки показать крупные планы).

На схеме и схеме показан повышающий трансформатор. Чтобы сделать понижающий трансформатор, нужно только поместить источник справа и нагрузку слева. ( Важно Указание по безопасности : для настоящего трансформатора вы можете «только вставить его назад» только после проверки, что номинальное напряжение было соответствующим.) Итак, как же трансформатор работает?

Сердцевина (затененная) обладает высокой магнитной проницаемостью, т.е. материалом, который образует магнитное поле намного легче, чем свободное пространство, благодаря ориентации атомных диполей.(На фотографии ядро ​​из ламинированного мягкого железа.) В результате поле сосредоточено внутри ядра, и почти никакие полевые линии не покидают ядро. Если следует, что магнитные потоки φ через первичный и вторичный примерно равны, как показано. Из Фарадея закон, ЭДС в каждом витке, будь то в первичной или вторичной катушке, составляет -dφ / dt. Если пренебречь сопротивлением и другими потерями в трансформаторе, терминал напряжение равно ЭДС. Для N р оборотов первичного дает

Для N с витков вторичной обмотки это дает Разделив эти уравнения, получим преобразователь , уравнение . где r - коэффициент поворотов.А как насчет тока? Если мы пренебрегаем потерями в трансформатор (см. раздел ниже по эффективности), и если мы предположим, что напряжение и ток имеют одинаковые фазовые отношения в первичной и вторичный, то из сохранения энергии мы можем написать в устойчивом состоянии:
    Power In = Power Out, так

    V p I p = V с I с , откуда

    I с / I р = N р / N с = 1 / р.

Так что вы ничего не получите даром: если вы увеличиваете напряжение, вы уменьшаете ток по (как минимум) тем же фактором. Обратите внимание, что на фотографии Катушка с большим количеством витков имеет более тонкий провод, потому что она предназначена для того, чтобы нести меньше ток чем то с меньшим количеством витков.

В некоторых случаях уменьшение тока является целью упражнения. В силе линий электропередачи, например, потери мощности при нагреве проводов из-за их ненулевое сопротивление пропорционально квадрату тока.Таким образом, это экономит много энергии для передачи электроэнергии от электростанции в город при очень высоких напряжениях, так что токи только скромные.

Наконец, и снова, предполагая, что трансформатор идеален, давайте спросим, ​​что резистор во вторичной цепи «похож» на первичную цепь. В первичной цепи:

    V p = V s / r и I p = У меня с .р так

    V p / I p = V с / r 2 I с = Р / р 2 .

Р / р 2 называется отраженным сопротивлением . При условии, что частота не слишком высокая, и при условии, что есть сопротивление нагрузки (условия обычно встречаются в практических трансформаторах), индуктивное сопротивление первичной намного меньше, чем это отраженное сопротивление, поэтому первичная цепь ведет себя как если бы источник управлял резистором со значением R / r 2 .
КПД трансформаторов
На практике реальные трансформаторы менее чем на 100% эффективны.
  • Во-первых, в катушках возникают омические потери (потеря мощности I 2 .r). Для данного материала сопротивление катушек можно уменьшить, сделав их поперечное сечение большое. Удельное сопротивление также можно сделать низким с помощью медь высокой чистоты. (См. Дрифт скорость и закон Ома.)
  • Во-вторых, в сердечнике есть некоторые потери на вихревые токи. Это может быть уменьшается путем ламинирования ядра. Ламинации уменьшают площадь контуров в ядре, и так уменьшить ЭДС Фарадея, и поэтому ток течет в ядре, и поэтому энергия теряется.
  • В-третьих, в сердечнике есть гистерезисные потери. Намагниченность и Кривые размагничивания для магнитных материалов часто немного отличаются (гистерезис или историческая зависимость), и это означает, что энергия требуется намагничивать сердечник (пока ток увеличивается) не совсем восстанавливается во время размагничивания. Разница в энергии теряется как тепло в основном.
  • Наконец, геометрический дизайн, а также материал ядра могут оптимизировать, чтобы гарантировать, что магнитный поток в каждой катушке вторичной обмотки почти такой же, как в каждой катушке первичной.
Подробнее о трансформаторах: генераторы переменного и постоянного тока
Трансформаторы работают только на переменном токе, что является одним из больших преимуществ переменного тока. трансформеры позвольте 240 В понизиться до удобных уровней для цифровой электроники (всего несколько вольт) или для других приложений с низким энергопотреблением (обычно 12 В). трансформеры увеличьте напряжение для передачи, как указано выше, и уменьшите для безопасного распределение. Без трансформаторов, трата электроэнергии в распределении сети, уже высокие, были бы огромными.Есть возможность конвертировать напряжения в постоянном токе, но сложнее, чем в переменном. Кроме того, такие преобразования часто неэффективно и / или дорого. AC имеет еще то преимущество, что его можно использовать на двигателях переменного тока, которые обычно предпочтительнее двигателей постоянного тока для применений с высокой мощностью.

Другие ресурсы от нас

Некоторые внешние ссылки на веб-ресурсы по двигателям и генераторам

  • Гиперфизика: Электродвигатели с сайта HyperPhysics в штате Джорджия. Отлично сайт в целом, а моторная часть идеально подходит для этой цели. Хорошо использование веб-графики. Есть ли DC, AC и асинхронные двигатели и имеет обширный ссылки
  • Громкоговорители .. Больше хороших вещей из штата Джорджия Гиперфизика. Хорошая графика, хорошие объяснения и ссылки. Этот громкоговоритель Сайт также включает в себя приложения.
  • http://members.tripod.com/simplemotor/rsmotor.htm A сайт, описывающий студенческий мотор.Ссылки на другие двигатели, построенные тот же студент и ссылки на сайты о двигателях.
  • http://www.specamotor.com A сайт, который сортирует двигатели от разных производителей в соответствии с техническими характеристиками, введенными пользователем.

В чем разница между постоянными магнитами а наличие электромагнитов в двигателе постоянного тока? Это делает его более эффективным или более могущественный? Или просто дешевле?

Когда я получил этот вопрос на Высшем Школьная доска объявлений по физике, я отправил ее Джону Этаж, а также выдающийся астроном, строитель электромобилей.Вот его ответ:

В общем, для небольшого мотора гораздо дешевле использовать постоянные магниты. Материалы с постоянными магнитами продолжают улучшаться и стали такими недорогими что даже правительство будет присылать вам бессмысленные магниты на холодильник через почту. Постоянные магниты также более эффективны, потому что нет питания тратится впустую, создавая магнитное поле. Так почему же нужно использовать поле раны? Двигатель постоянного тока? Вот несколько причин:

  • Если вы строите действительно большой мотор, вам нужен очень большой магнит и в какой-то момент поле раны может стать дешевле, особенно если очень сильное магнитное поле необходимо для создания большого крутящего момента.Имейте это в виду если вы планируете поезд. По этой причине большинство автомобилей имеют стартеры которые используют поле раны (хотя некоторые современные автомобили в настоящее время используют постоянный магнитные моторы).
  • С постоянным магнитом магнитное поле имеет фиксированное значение (это что означает «постоянный»!) Напомним, что крутящий момент, создаваемый двигателем данная геометрия равна произведению тока через якорь и напряженность магнитного поля. С двигателем намотанного поля у вас есть возможность изменения тока через поле, и, следовательно, изменение моторные характеристики.Это приводит к ряду интересных возможностей; Вы кладете обмотку в ряд параллельно с якорем, или кормить его из отдельно контролируемого источника? Пока достаточно крутящий момент для преодоления нагрузки на двигатель, внутреннего трения и т. д., чем слабее магнитное поле, тем быстрее вращается мотор напряжение). Поначалу это может показаться странным, но это правда! Итак, если вы хотите двигатель, который может производить большой крутящий момент в состоянии покоя, но вращаться с большой скоростью Скорости, когда нагрузка мала (как этот дизайн поезда?) возможно поле раны - ответ.
  • Если вы хотите, чтобы ваш двигатель работал от переменного и постоянного тока (так называемый «универсальный» двигатель), магнитное поле должно менять свою полярность через каждые пол цикла Мощность переменного тока для того, чтобы крутящий момент на роторе всегда был в одном направлении. Очевидно, что для достижения этой цели вам нужен мотор с полем намотки.

Мнения, выраженные в этих примечаниях, являются моими и не обязательно отражают политика Университета Нового Южного Уэльса или Школы физики. анимации были сделаны Джорджем Hatsidimitris.
Джо Wolfe / [email protected]/ 61-2-9385 4954 (UT + 10, +11 октябрь-март)
.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока - это электрическая машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую энергию .

Работа двигателя постоянного тока основана на том принципе, что когда токопроводящий проводник находится в магнитном поле, он испытывает механическую силу.

Направление механической силы задается левым правилом Флеминга , а его величина - F = BIL Ньютон.

Нет принципиальной разницы в конструкции генератора постоянного тока и двигателя постоянного тока.Фактически, одна и та же машина постоянного тока может использоваться взаимозаменяемо в качестве генератора или двигателя.

Как и генераторы, существуют различные типы двигателей постоянного тока, которые также классифицируются на шунтовых, последовательных и комбинированных моторов постоянного тока .

Двигатели постоянного тока редко используются в обычных приложениях, потому что все компании, поставляющие электричество, поставляют переменный ток.

Однако для специальных применений, таких как сталелитейных заводов, шахт и электропоездов , выгодно преобразовывать переменный ток в постоянный ток для использования двигателей постоянного тока.Причина в том, что скорость / крутящий момент характеристики двигателей постоянного тока намного превосходят характеристики двигателей переменного тока.

Поэтому неудивительно, что для промышленных приводов двигатели постоянного тока так же популярны, как и трехфазные асинхронные двигатели.

Принцип двигателя постоянного тока

Устройство, преобразующее электроэнергию постоянного тока в механическую, называется двигателем постоянного тока.

Работа двигателя постоянного тока основана на том принципе, что, когда токопроводящий проводник находится в магнитном поле, он испытывает механическую силу.

Направление этой силы определяется левым правилом Флеминга , а величина определяется как;

F = BIL Ньютоны

Согласно правилу левой руки Флеминга, когда электрический ток проходит через катушку в магнитном поле, магнитная сила создает крутящий момент, который вращает двигатель постоянного тока.

Направление этой силы перпендикулярно как проводу, так и магнитному полю.

Левая рука Фламандца Правило

По сути, нет конструктивной разницы между двигателем постоянного тока и генератором постоянного тока.Та же машина постоянного тока может работать как генератор или двигатель.

Поперечное сечение машины постоянного тока

Работа двигателя постоянного тока

Рассмотрим часть многополярного двигателя постоянного тока , как показано на рисунке ниже. Когда клеммы двигателя подключены к внешнему источнику постоянного тока:

  • , полевые магниты возбуждаются, развивая чередующиеся северный и южный полюсы
  • , проводники якоря несут токи.
Часть многополярного двигателя постоянного тока

Все проводники под северным полюсом несут токи в одном направлении, тогда как все проводники под южным полюсом несут токи в противоположном направлении.

Проводники якоря под N-полюсом переносят токи в плоскость бумаги (обозначена на рисунке как ⊗). А проводники под S-полюсом переносят токи из плоскости бумаги (обозначены на рисунке как ⨀).

Поскольку каждый провод якоря несет ток и находится в магнитном поле, на него действует механическая сила .

При применении левого правила Флеминга становится ясно, что сила на каждом проводнике имеет тенденцию вращать якорь в направлении против часовой стрелки.Все эти силы складываются вместе, чтобы создать приводного крутящего момента , который устанавливает вращение якоря.

Когда проводник перемещается с одной стороны щетки на другую, ток в этом проводнике меняется на противоположный. В то же время он находится под влиянием следующего полюса противоположной полярности. Следовательно, направление силы на проводнике остается тем же .

Следует отметить, что функция коммутатора в двигателе такая же, как в генераторе.Путем изменения тока в каждом проводнике, когда он проходит от одного полюса к другому, это помогает развить непрерывного и однонаправленного крутящего момента .

Видео Анимация

Следующая: Обратная ЭДС в двигателе постоянного тока

.

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020