Как происходит в двигателе преобразование электрической энергии в механическую

Как происходит в двигателе преобразование электрической энергии в механическую

&nbsp Электрический двигатель — электрическая машина, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую энергию. Когда электрический ток передают через замкнутую обмотку ротора, который находится в магнитном поле, ротор будет вращаться, и вращающееся движение передается к механизму, обеспечивая полезную механическую работу. Традиционный электрический двигатель состоит из замкнутой обмотки, которая установлена на вращающемся роторе. Ток, подаваемый углеродистыми блоками, названными щетками, входит через два проскальзывающих круга. Магнитное поле вокруг обмотки ротора, создаваемое железным основным полевым магнитом, заставляет ротор поворачиваться, когда ток течет через нее. В двигателе переменного тока, в обмотке ротора протекает ток, синхронизированный с магнитным полем статора. Вращающий момент создает движение ротора тогда, когда значение тока не начнет уменьшаться и движение не прекращается. В двигателях индукции переменного тока в обмотке ротора протекает ток, который возникает из-за электродвижущей силы, так как замкнутая обмотка ротора находится в магнитном поле. В двигателе постоянного тока, принцип действия такой же, но имеется ключ управления для переключения направление тока при каждой половине оборота вращения, чтобы поддержать постоянное направление движения ротора. В любом двигателе постоянными частями являются статор и ротор. Из-за того, что наиболее легкое управление скоростью вращения ротора имеют двигатели постоянного тока (изменяя напряжение), поэтому они используются, где необходим контроль скорости. Скорость двигателей индукции переменного тока зависит от строения двигателя и частоты тока; поэтому механическая передача должна использоваться, чтобы изменить скорость. Кроме того, различные конструкции двигателей соответствуют только одному или нескольким видам применения. Однако, двигатели индукции переменного тока более дешевы и более просты, чем двигатели постоянного тока. Чтобы получить большую гибкость, цепь ротора может быть связана с различными внешними цепями управления. Большинство бытовых приборов имеют универсальный двигатель, который работает на постоянном токе или на переменном токе. Где расход электроэнергии ограничен, скоростью двигателей переменного тока управляют с помощью специального оборудования, которое изменяет частоту энергосистемы. В Соединенных Штатах частота энергосистемы равна 60 герц (Гц), или 60 циклов в секунду. Двигатели постоянного тока «Brushless» построены обратным способом в отличие от традиционной формы. Ротор содержит постоянный магнит, а статор имеет свою обмотку. Устранение щеток в конструкции двигателей уменьшило опасность искры, и вместе с тем улучшило контроль скорости. Такие двигатели широко используются в компьютерных дисководах, магнитофонах, двигателях компакт-диска, и других электронных устройствах. Ротор синхронных двигателей вращается с синхронной скоростью вращения магнитного поля статора. Большинство эксплуатируемых двигателей — синхронные двигатели с постоянным током, проходящим через ротор.

&nbsp В большинстве электродвигателей электрическая работа обусловлена электромагнетизмом, но двигатели, работа которых основана на других электромеханических явлениях (типа электростатических сил и пьезоэлектрического эффекта) также существуют. Фундаментальный принцип, на котором базируется принцип работы электромагнитных двигателей описан законом силы Лоренца.

&nbsp Большинство магнитных двигателей являются вращательными, но линейные типы двигателей также существуют. Во вращательном двигателе вращающуюся часть (обычно внутреннюю часть) называют ротором, и постоянную часть называют статором. Ротор вращается, так как магнитное поле статора создает вращательный момент оси ротора.

Читайте также:  Сколько весит двигатель mercedes

Двигатели переменного тока.

Есть два фундаментальных типа двигателя переменного тока в зависимости от типа используемого ротора:
1. Синхронный двигатель, ротор которого вращается с синхронной частотой магнитного поля статора;
2. Двигатель индукции, который немного медленнее, и типично (хотя не обязательно всегда), имеет форму двигателя с «беличьей клеткой».

Принцип вращения магнитного поля, был открыт Николой Теслой в 1882 году, но до этого использовался учеными Майклом Фарадея и Джеймсом Клерком Максвелл в 1820 году. Тесла изучал это явление, чтобы спроектировать уникальный в то время двигатель индукции с двумя фазами в 1883 году. Майкл Фарадей совместно с Доливо-Добровольским изобрели первый современный ротор с «беличьей клеткой» с тремя фазами в 1890 году. Именно с началом использования этого двигателя в 1888 году начался период, который назвали второй индустриальной революцией, и при этом стало возможным эффективное распределение электрической энергии, используя систему передачи переменного тока и другие открытия Теслы в 1888 году. Первые успешные коммерческие проекты по созданию системы из трех фаз для передачи электроэнергии на большие расстояния были разработаны американским палубным судном №1 в Калифорнии.

Двигатели индукции переменного тока с тремя фазами.

Там где трехфазное электрическое снабжение является доступным, обычно используется трехфазный двигатель индукции переменного тока. Отличие однофазного снабжения от трехфазного состоит в том, что при трехфазной системе электроснабжения статор создает вращательное магнитное поле в двигателе. С помощью электромагнитной индукции, вращательное магнитное поле наводит ток в обмотке ротора, который в свою очередь настраивает магнитное поле уравновешивания, которое заставляет ротор поворачиваться в направлении, котором вращается поле. Ротор должен всегда вращаться медленнее, чем магнитное поле статора, иначе в роторе не будет поля уравновешивания. Двигатели индукции — рабочие двигатели промышленности, двигатели приблизительно до 500 кВт, которые произведены в высоко стандартизированных размерах.

Очень большие синхронные двигатели сделаны до десятков тысяч кВт и используются в роли компрессоров трубопроводов и вентиляции туннелей. Существует два типа роторов, используемых в двигателях индукции.

Роторы типа «беличья клетка»: самые распространенные двигатели переменного тока имеют ротор типа «беличья клетка», который также используют в промышленных двигателях переменного тока. «Беличья клетка» берет название от своей формы в виде кольца с обоих концов ротора, которые соединены между собой. Конструкцию делают из алюминия, который заливают между железом и он расщепляется из ротора, и только концы кольца остаются видимыми. Магнитный поток проходит через клетку ротора, и для уменьшения сопротивление она обычно лакируется. В мощных двигателях часто используют медь, чтобы уменьшить сопротивление в роторе.

В действительности, двигатель с «беличьей клеткой» может рассматриваться как трансформатор с вторичным вращением — когда ротор не вращается в синхронизации с магнитным полем, большой поток ротора намагничивают ротор и взаимодействуют с магнитными полями статора, чтобы синхронизировать ротор с полем статора. Разгруженный двигатель с «беличьей клеткой» на синхронной скорости будет только потреблять электроэнергию, чтобы поддержать скорость ротора против потерь сопротивления и трения, но как только произойдут механические увеличения груза, возникает электрический груз, который неотъемлемо связан с механическим грузом. Это подобно трансформатору, где электрический груз предварительного выбора связан с электрическим грузом второстепенно.

Читайте также:  Как долго прогревается двигатель ваз 2109

Общий тип двигателя с «беличьей клеткой»- заштрихованный двигатель с полюсами, небольшой стоимости, малошумящий и имеющий низкий вращающий момент. Такие двигатели не очень эффективны. За исключением заштрихованных двигателей с полюсами, большинство двигателей с «беличьей клеткой» являются эффективными.

Фактически каждая стиральная машина, посудомоечная машина, проигрыватель и т.д. используют некоторый вариант двигателя с «беличьей клеткой».

Ротор «Wound»: дополнительный проект, названный ротором «Wound»; используется в тех случаях, когда требуется изменять скорость вращения ротора. В этом случае ротор имеет то же самое число полюсов, как статор. Углеродистые щетки соединяют кольца с внешним управлением, в виде резистора, который позволяет изменять сопротивление двигателя. В определенных мощных переменных двигателях ротора «Wound» частота и подключена к электропитанию через инвертор.

По сравнению с роторами «беличьей клетки», двигатели с ротором «Wound» дороже по своей стоимости и требуют обслуживания колец и щеток, но они были стандартной формой для контроля и управления скоростью перед появлением компактных электронных устройств. Инверторы в двигателе переменной частоты могут теперь использоваться для контроля и управления скоростью вращения ротора, и двигатели ротора «Wound» становятся менее используемыми. (Двигатели с инверторами позволяют также эксплуатировать трехфазные двигатели тогда, когда существует только однофазная система электроснабжения).

Существуют несколько методов пуска трехфазных электрических двигателя. Большого потока и большого по величине начального вращающего момента можно достигнуть только при номинальном напряжении сети. Если необходимо ограничить пусковой ток (если он является большим по сравнению с уставкой защиты от короткого замыкания), то в этом случае используют катушки индуктивности, автотрансформатор, тиристоры, или другие устройства. Иногда для уменьшения пускового тока при пуске используется соединение обмотки статора в «звезду», когда ротор достигнет своей номинальной скорости вращения соединение обмотки статора, переключают в «треугольник». Этот способ обычно используют в Европе, и иногда в Северной Америке. Двигатели также могут непосредственно изменить напряжение, как требуется в соответствии с пусковыми характеристиками двигателя и нагрузки.

Этот тип двигателей является самым распространенным эксплуатируемым в качестве тяги, особенно в локомотивах, где это известно как асинхронный двигатель тяги.

Скорость вращения ротора двигателя переменного тока определена, прежде всего, частотой переменного тока и числом полюсов, согласно отношению: Ns = 120F/p, где &nbsp Ns — скорость вращения ротора двигателя (об/мин);
&nbsp F — частота переменного тока (Гц);
&nbsp p – число полюсов.

Фактическое число оборотов в минуту для двигателя индукции будет меньше на величину скольжения, чем расчетная номинальная синхронная скорость, которая увеличивается с произведенным вращающим моментом. Без нагрузки скорость будет очень близка к номинальной. При нагрузке стандартные двигатели имеют величину скольжения равную 2-3 % от номинальной скорости вращения ротора двигателя, а специальные двигатели могут иметь величину скольжения равную 7 %.

Величина скольжения двигателя переменного тока можно вычислить по формуле: S = (Ns — Nr)/Ns, где &nbsp Nr – скорость вращения ротора (об/мин);
&nbsp S – величина скольжения ротора, которая изменяется в интервале от 0 дo 1.

Например, рассмотрим типичный двигатель, который имеет четыре полюса, частоту переменного тока 60 Гц мог бы развить скорость вращения ротора равную 1725 об/мин при максимальной нагрузке, в то время как его расчетная номинальная скорость – 1800 об/мин.

Читайте также:  Короткие щелчки при запуске двигателя

Скорость в этом типе двигателя была изменена при наличии дополнительных катушек индуктивности или полюсов двигателя, который может быть включен и может изменять скорость вращения магнитного поля. Однако, последние открытия в электронике позволяют изменять частоту переменного тока для обеспечения более гладкого управление и контроля скорости вращения ротора двигателя.

Источник

Как происходит в двигателе преобразование электрической энергии в механическую

§ 46. Преобразование механической энергии в электрическую и обратно

На законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил основано действие электрических машин — генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую, и двигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую.

Обратимся к рис. 95. В магнитном поле между полюсами N и S помещен прямолинейный проводник. Если при помощи внешней механической силы F передвигать этот проводник перпендикулярно магнитным линиям поля, то в нем будет индуктироваться э.д.с. Е = Blυ.


Рис. 95. Преобразование механической энергии в электрическую

Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление, то по цепи потечет ток I, совпадающий по направлению с э.д.с. Е.

Напишем уравнение 2-го закона Кирхгофа для этой цепи:

где U — напряжение на зажимах, в;

r — сопротивление проводника, ом;

I ⋅ r — падение напряжения в проводнике, в.

Умножая почленно выражение (а) на I, получим

Так как Е = Blυ, то

Учитывая, что ВIl = F и Fυ = Рмех, имеем

где Рмех = E ⋅ I — механическая мощность, преобразуемая в электрическую;

Рэл = UI — электрическая мощность, отдаваемая во внешнюю цепь;

ΔP = I 2 r — потери мощности (в виде тепла) в сопротивлении проводника. Рассмотрим теперь процесс преобразования электрической энергии в механическую.

Пусть прямолинейный проводник АВ (рис. 96), по которому проходит ток I от источника напряжения, помещен во внешнее магнитное поле, образованное магнитом N — S. Если проводник неподвижен, то энергия источника напряжения расходуется исключительно на нагрев проводника:


Рис. 96. Преобразование электрической энергии в механическую

Затрачиваемая мощность будет равна

откуда определяем ток в цепи:

Однако известно, что проводник с током, помещенный в магнитное поле, будет испытывать действие силы F со стороны поля, стремящейся перемещать проводник в магнитном поле в направлении, определяемом правилом левой руки. При своем движении проводник будет пересекать магнитные линии поля и в нем, по закону электромагнитной индукции, возникнет индуктированная э.д.с. Направление этой э.д.с., определенное по правилу правой руки, будет обратным току I. Назовем ее обратной э.д.с. Eобр. Величина Eобр согласно закону электромагнитной индукции будет равна

По второму закону Кирхгофа, для замкнутой цепи имеем

откуда ток в цепи

Сравнивая выражения (а) и (в), видим, что в проводнике, движущемся в магнитном поле при одних и тех же значениях U и r, ток будет меньше, чем в неподвижном проводнике.

Умножая почленно выражение (б) на I, получим

Так как Eобр = Blυ, то

Учитывая, что BlI = F и Fυ = Рмех, имеем

Последнее выражение показывает, что при движении проводника с током в магнитном поле мощность источника напряжения преобразуется в механическую мощность и частично в тепловую. Аналогичный процесс преобразования электрической энергии в механическую происходит в электрических двигателях.

Рассмотренные выше примеры показывают, что электрическая машина обратима, т. е. может работать как генератор и как двигатель.

Источник

Adblock
detector