На каком физическом явлении основано действие электрического двигателя

Материал сформирует понятие о действии магнитного поля на проводник с током, познакомит с устройством «электродвигатель», его принципом действия и применением.

Безбородова Галина Сергеевна, МОУ СОШ пгт Новокручининский

Описание разработки

Цель урока:

Создать условия для формирования у школьников универсальных способов деятельности и ключевых компетенций.

Задачи:

— развивать познавательный интерес, мышление, умение анализировать, совершенствовать практические умения и навыки

— сформировать понятие о действии магнитного поля на проводник с током, познакомить с устройством электродвигатель его принципам действия его применением

— воспитывать умения работать с приборами, аккуратность, коммуникабельность

Тип урока: комбинированный

Структура урока: 1 Повторение ( актуализация)

2 Изучение нового материала

— действия магнитного поля на проводник с током

3 Л.р №9 Изучение электродвигателя

Обородувание: Учебник 8 класса под редакцией Перышкин, диск 8кл Кирил и Мефодий, презентация , источник тока, моток, постоянный магнит, лабораторное оборудование по электромагнитным явлениям.

Методы репродуктивный, частично- поисковый. Формы коллективный групповой

Выделение целей урока – завершение темы электромагнитные явления пр56- 61

1 Повторение знаний по данной теме

— Что такое магнитное поле (МП)

— Тела вокруг которых возникает МП

— Как можно изображать МП

— Что общего между телами порождающие МП

— Какие свойства МП знаете

— Тренировочный тест с диска К и М

Демонстрация объяснить опыт действия постоянного магнита на проводник с током (Объяснить увиденное)

Работа с учебником стр 113,14

Электродвигатель ( используется презентация )

3 Л.р №9 Изучение электродвигателя постоянного тока

Раздается оборудование в лотках ( электромагнитные явления)

Выполняются задания по учебнику. Исследовать что влияет на работу электродвигателя( зарисовывать схемы эл. цепей)

4 Подведение итогов

— С каким устройством вы познакомились

— На каком физическом явлении основано действие эл. двигателя

Д. задание Пр61 повторить с пр56-61.

Электродвигатель

Электродвигатель

Электродви́гатель, электрическая машина , преобразующая электрическую энергию в механическую ; действие основано на явлении электромагнитной индукции . При подведении напряжения к обмотке якоря электродвигателя в ней протекает электрический ток , в результате взаимодействия которого с основным магнитным полем возникает электромагнитный момент, приводящий во вращение ротор .

Электродвигатель постоянного тока

Различают электродвигатели постоянного и переменного тока. Особенностью большинства электродвигателей постоянного тока является наличие у них специального механического коммутатора – коллектора . Постоянный ток для питания двигателей получают с помощью генераторов постоянного тока или выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный. Наряду с механическим коммутатором широко применяются коммутаторы с управляемыми и неуправляемыми вентилями на основе полупроводниковых приборов ( диодов , тиристоров и транзисторов ).

Электродвигатели переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные; их характерная особенность – возникновение вращающегося магнитного поля . У асинхронных электродвигателей частота вращения ротора отличается от частоты вращения поля, у синхронных эти частоты равны. Наиболее распространены асинхронные двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, простые в производстве и надёжные в эксплуатации (см. Асинхронная электрическая машина ).

Электродвигатели – основной тип двигателя в промышленности , на транспорте , в быту (потребляют более половины всей вырабатываемой электроэнергии в мире). Применяются для привода станков, транспортных средств и т. д.

Панихин Михаил Викторович . Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2017.

Опубликовано 27 марта 2023 г. в 21:57 (GMT+3). Последнее обновление 27 марта 2023 г. в 21:57 (GMT+3). Связаться с редакцией

Информация

Электродвигатель

Области знаний: Производственные машины, Электрический ток

Электродвигатель

Рассмотрим техническое применение физических закономерностей (взаимосвязь магнитных и электрических явлений) на модели электродвигателя (рис. (1)).

рамка.png

Со стороны магнитного поля на вертикальные участки рамки будут действовать силы (F), направленные перпендикулярно току в рамке. Поскольку в вертикальных участках рамки ток имеет противоположное направление (в левой части рамки — вниз, а в правой — вверх), то и силы, действующие на вертикальные участки рамки, будут одинаковы по модулю, но противоположны по направлению (слева — вперёд, к наблюдателю, а справа — назад, от наблюдателя).

Действие равных по модулю, но противоположных по направлению сил на рамку приведёт к повороту рамки на (180)° против часовой стрелки, если смотреть на неё сверху.

Если каким-либо образом в этот момент изменить направление тока в рамке в другую сторону, то рамка сделает ещё пол-оборота против часовой стрелки. Таким образом, изменяя направление тока в рамке на противоположное каждые пол-оборота, можно заставить рамку вращаться в одну и ту же сторону.

Рассмотрим насаженную на вертикальную ось прямоугольную рамку (ABCD). Рамка представляет собой небольшое количество витков изолированного провода (рис. (2)). Концы провода соединяются с полукольцами (2).

118.png

Для соединения рамок с электрической цепью полукольца прижимаются к металлическим пластинам, которые называют щётками. Одна из щёток соединена с положительным полюсом источника, вторая соединена с отрицательным полюсом источника напряжения.

Так как за направление тока принимают движение от положительного полюса к отрицательному полюсу, то на участках проводника (AB) и (CD) токи противоположны по направлению. Поэтому силы, действующие на стороны рамки (AB) и (CD) направлены в противоположные стороны, что и вызывает поворот рамки (в данном случае по часовой стрелке). Так как к рамке присоединены полукольца, то и они тоже повернутся и образуют контакт уже с другой щёткой. При этом ток начнет протекать в другую сторону. Силы, возникающие при этом, будут продолжать вращать рамку в прежнем направлении (по часовой стрелке).

Вращение катушки с током в магнитном поле используется в устройстве электрического двигателя.

В технике применяют электродвигатели, обмотка которых содержится большое количество витков проволоки, которые размещаются в специальных прорезях железного цилиндра — ротора двигателя (рис. (3)). Иногда его называют якорем. Он служит для усиления магнитного поля, возникающего при протекании тока по виткам проволоки.

якорь.png

Магнитное поле, в котором вращается ротор двигателя, создаётся статором, который также является сильным электромагнитом. Питание электромагнита осуществляется от того же источника тока, что питает обмотку ротора. Внутри ротора проходит металлический вал — он по сути является осью вращения. Этот вал соединяется с механизмом, который нужно привести во вращение. И во время поворота якоря начинает вращаться весь механизм.

Электродвигатели постоянного тока чаще всего можно встретить в транспорте — троллейбусы, трамваи, метро) или в промышленности (подъёмные краны, станки металлопроката).

При работе с легковоспламеняющимися веществами, например, с бензином или нефтью, используются безыскровые электродвигатели. Такие двигатели ставят в насосах нефтяных скважин и бензоколонках.

Кроме электродвигателей постоянного тока используют электродвигатели переменного тока. Они есть в каждой квартире, как составная часть стиральной машины, холодильника, пылесоса.

Почему все большее и большее используют электродвигатели? Это связано с их размерами (они меньше, чем тепловые аналоги той же мощности), но самое главное преимущество связано с воздействием на окружающую среду. Электродвигатели не выделяют выхлопные газы и дым. Например, электромобиль (начиная с производства комплектующих частей) за срок службы оказывается в 5-7 раз экологичнее, чем его аналог с тепловым двигателем. Мощности электродвигателя позволяют достичь высоких КПД.

Условное обозначение электродвигателя на электрических схемах представлено на рисунке (4).

Борис Семёнович Якоби, русский учёный, считается одним из первых изобретателем электрических двигателей.

Отрицательным свойством любого двигателя является именно потеря энергии в виде рассеивания тепла, что приводит к перегреванию атмосферы при большом количестве двигателей.

Принцип работы электрического двигателя

3.jpg

Принцип работы электродвигателя построен на процессах взаимного притяжения и отталкивания одно- и разноименных полюсов магнитов на роторе (находится в движении) и статоре (его магнит неподвижен). В самой простой сборке электродвигателя постоянного тока в роли ротора выступает катушечный узел, а индуктором – сам магнит.

Магнитное поле обеспечивает высокую эффективность работы с одним уточнением, которое формирует сложности устройства механизма. Для обеспечения постоянного движения якоря нужно добиться автоматической смены его полюсов (чтобы притянувшись к противоположному полюсу неподвижного магнита, он сразу менял собственный полюс). Это единственный способ исключить «замирание» якоря и обеспечить его безостановочное движение под действием магнитного поля и инерции.

Магнитное поле электродвигателя

Принцип работы статорного электродвигателя (также называется индукционным) тоже основан на формировании магнитного поля статора. Оно образуется во время прохождения токов через его обмотки. Это поле (вращающееся магнитное) формирует магнитное поле ротора через индукцию токов в обмотках его проводников.

Оно же (статорное поле) создает собственный магнитный поток, при этом наблюдается пропорциональная связь:

  • магнитное поле статора пропорционально электронапряжению в сети;
  • магнитный поток, создаваемый вращающимся полем, пропорционален току.

Характеристики поля статора зависят от токов, проходящих через обмотки, и числа обмоток фаз. Магнитное поле ротора, в свою очередь, тоже формирует поток, движущийся медленнее потока статора. Оба потока (статора и якоря) взаимно притягиваются, принуждая ротор совершать вращательные движения.

Так возникает крутящий момент – тот самый ключевой процесс, ради которого собирается вся конструкция электродвигателя. Учитывая роль статора и ротора в работе электродвигателя переменного тока, несложно заключить, что именно эти 2 элемента имеют самое большое значение в его сборке.

Электрический двигатель постоянного тока (принцип работы синхронного электродвигателя)

4.jpg

Под синхронными электрическими двигателями понимают устройства постоянного тока. Принцип работы такого устройства можно кратко описать 4 пунктами:

  • к обмотке статора (ее еще называют индукторной или обмоткой возбуждения) подается постоянный ток;
  • проходя через обмотку, ток образует постоянное магнитное поле возбуждения (используется постоянный магнит);
  • к роторной обмотке тоже подается постоянный ток, на который воздействует поле статора, обеспечивая возникновение крутящего момента;
  • под действием вращательной силы, ротор поворачивается на 90 градусов.

Это один цикл. После поворота обмотка якоря снова подпадает под влияние статорного магнитного поля, и ротор снова совершает поворот.

Для непрерывной работы электродвигателя полюса постоянного роторного магнита должны сменять друг друга без остановки. Смена происходит, когда полюс пересекает «нейтраль» (ее еще называют магнитной нейтралью). Чтобы ее (смену полюсов) обеспечить, кольцо коллектора разделяют на сектора диэлектрическими ламелями, к которым поочередено присоединяются края роторных обмоток.

Токосъемные щетки, которые представляют собой графитовые стержни с высокой проводимостью и низким коэффициентом трения при скольжении, необходимы для присоединения коллектора к сети. В качестве магнитов могут применяться физически существующие материалы с высокими магнитными свойствами. Но часто из-за их массы в электродвигателях постоянного тока увеличенной мощности магниты заменяют несколькими металлическими штифтами/стержнями. При этом:

  • у каждого стержня формируется собственная обмотка из проводника, который подключается к шине питания («+» и «-»);
  • включение одноименных полюсов осуществляется последовательно;
  • количество пар полюсов – 1 или 4;
  • число щеток коллектора должно соответствовать этому количеству пар.

У синхронных электрических двигателей высокой мощности, обслуживаемых постоянным током, есть ряд конструктивных нюансов, ряд из которых проявляется в динамике (во время функционирования устройства). Среди них – смещение щеток роторного коллектора по отношению к валу на определенный угол против его вращения при изменении нагрузки на двигатель. Это необходимо, чтобы компенсировать эффект, называемый реакцией ротора/якоря и предупреждению торможения вала электродвигателя, которое снижает эффективность работы подключенного к нему оборудования.

Способы подключения синхронного электродвигателя

5.jpg

Преимущество синхронных электродвигателей, обеспечиваемое принципом их работы, – поступательное (плавное) регулирование скорости вращения, это обеспечило их высокую эффективность при работе с тягой – на грузоподъемниках и электромашинах. В современной практике применяют 3 схемы подключения электрических двигателей постоянного тока: с параллельным, последовательным и комбинированным возбуждением.

В первом случае вместе (параллельно) с обмоткой ротора запускается дополнительная регулируемая (обычно) обмотка-реостат. Такой вариант эффективен, когда для нормальной работы машины требуется плавная регулировка скоростей вращательного движения и максимальной стабильности количества оборотов в минуту. Примеры – электродвигатели кранов, промышленных станков и линий.

При последовательном подключении вспомогательная роторная обмотка в цепь процессов возбуждения ротора включается последовательно. Это обеспечивает возможность резкого увеличения усилия электрического двигателя в определенные моменты (на старте движения состава, например).

Устройство синхронного электродвигателя на видео

Статор элетродвигателя

Статор — это неподвижный электрический компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых всё время меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Статор

Все статоры устанавливаются в раму или корпус. Корпус статора электродвигателей Grundfos для электродвигателей мощностью до 22 кВт чаще всего изготавливается из алюминия, а для электродвигателей с большей мощностью — из чугуна. Сам статор устанавливается в кожухе статора. Он состоит из тонких пластин электротехнической стали, обмотанных изолированным проводом. Сердечник состоит из сотен таких пластин. При подаче питания переменный ток проходит по обмоткам, создавая электромагнитное поле, перпендикулярное проводникам ротора. Переменный ток (AC) вызывает вращение магнитного поля.

статор электродвигателя

Изоляция статора должна соответствовать требованиям IEC 62114, где приведены различные классы защиты (по уровням температуры) и изменения температуры (AT). Электродвигатели Grundfos имеют класс защиты F, а при увеличении температуры — класс B. Grundfos производит 2-полюсные электродвигатели мощностью до 11 кВт и 4-полюсные электродвигатели мощностью до 5,5 кВт. Более мощные электродвигатели Grundfos закупает у других компаний, уровень качества продукции которых соответствует принятым в Grundfos стандартам. Для насосов, в основном, используются статоры с двумя, четырьмя и шестью полюсами, так как частота вращения вала электродвигателя определяет давление и расход насоса. Можно изготовить статор для работы с различными напряжениями, частотами и мощностями на выходе, а также для переменного количества полюсов.

Ротор элетродвигателя

В электродвигателях используются так называемые «беличьи колеса» (короткозамкнутые роторы), конструкция которых напоминает барабаны для белок.

беличье колесо - короткозамкнутый ротор

При вращении статора магнитное поле движется перпендикулярно обмоткам проводников ротора; появляется ток. Этот ток циркулирует по обмоткам проводников и создаёт магнитные поля вокруг каждого проводника ротора. Так как магнитное поле в статоре постоянно меняется, меняется и поле в роторе. Это взаимодействие и вызывает движение ротора. Как и статор, ротор изготовлен из пластин электротехнической стали. Но, в отличие от статора, с обмотками из медной проволоки, обмотки ротора выполнены из литого алюминия или силумина, которые выполняют роль проводников.

Обмотки проводников ротора

Электромагнитная индукция

В 1831 г. английский исследователь Майкл Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток, который он назвал индукционным током.

Электромагнитная индукция. Опыт Фарадея

Один из экспериментов Фарадея выглядел следующим образом: при перемещении полосового магнита внутри катушки с витками проводника (туда — обратно) регистрировался электрический ток в цепи, к которой изначально не подключались внешние источники тока.

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, проходящего через сечение контура, было названо электромагнитной индукцией (ЭМИ). Появление тока в контуре говорит о том, что имеется ЭДС индукции (электродвижущая сила), заставляющая электроны двигаться упорядоченно.

Для вычисления величины тока была введена новая физическая величина, названная магнитным потоком Ф. Для плоского контура, помещенного в однородное магнитное поле, эта величина по определению равна:

B — магнитная индукция;

S — площадь контура;

α — угол между направлением (вектором) B и нормалью к поверхности рамки.

ЭДС и ток индукции появляются только в том случае, если величина Ф меняется со временем. Если Ф = const, то и I = 0. Если магнитное поле постоянное, то изменения потока Ф во времени можно добиться движением рамки. Например, вращение рамки в постоянном однородном поле будет все время сопровождаться изменением магнитного потока. Второй способ состоит в изменении величины B. Так в эксперименте Фарадея индукционный ток в катушке из металлического провода возникал, когда магнит двигался внутри катушки, что создавало переменный характер магнитной индукции B.

Как устроен электрический двигатель

Открытие Фарадея дало возможность инженерам всех стран использовать ЭМИ для создания электрического двигателя. Типичный электрический двигатель состоит из следующих основных частей:

Принципиальная схема электродвигателя

  • Статор — неподвижный электромагнит (набор катушек с сердечниками), который создает магнитное поле внутри двигателя;
  • Ротор — набор катушек, закрепленный на валу, который вращается после включения. Ротор электродвигателя также называют якорем. В обмотках якоря наводится ЭДС индукции, в результате чего якорь начинает крутиться и передавать вращающий момент на вал двигателя;
  • Коллектор — изолированные друг от друга медные пластинки-контакты, присоединенные к концам катушек;
  • Щетки — неподвижные прижимные контакты (графитовые или медно-графитовые), с большой частотой замыкающие и размыкающие пластинки-контакты коллектора.

Так происходит преобразование электрической энергии в механическую, которая затем используется в приборах, станках, автомобилях, медицинской, космической технике и т.д.

КПД электрических двигателей достигает 90%. Рекордные значения превышают и эту величину. Таких КПД не имеют двигатели других типов. Напомним, что КПД двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин не превышает 40-50%.

Электрические двигатели обладают массой преимуществ. Они имеют меньшие размеры по сравнению с тепловыми двигателями такой же мощности. Работа электродвигателей не ухудшает экологию, т.к. у них отсутствуют выбросы вредных газов и дыма. Их не нужно постоянно заправлять топливом. Одним из самых перспективных проектов в мире считается создание электромобиля, что позволит, после его успешной реализации, значительно улучшить экологию городской среды и сократить невосполнимые потери нефтепродуктов.

Примеры различных электродвигателей

Первый вариант электрического двигателя, пригодный для практического использования, был изобретен российским инженером Борисом Якоби в 1834 г. Ему удалось довести мощность своего устройства до 550 Вт, что позволило использовать его в качестве лодочного мотора, а позднее и на железнодорожном транспорте.

Классификация электрических двигателей.

• двигатели постоянного тока – запитываются от источников постоянного тока.
• двигатели переменного тока — запитываются от источников переменного тока.
• универсальные двигатели – запитываются как от постоянного, так и переменного тока.

Коллекторный электродвигатель — электродвигатель, в котором в качестве датчика положения ротора и переключателя тока используется щеточноколлекторный узел.

Бесколлекторый электродвигатель – электродвигатель, состоящий из замкнутой системы, в которой используются: системы управления (преобразователь координат), силовой полупроводниковый преобразователь (инвертор), датчик положения ротора (ДПР).

• С приведением в действие постоянными магнитами;
• С параллельным соединением якоря и обмоток возбуждения;
• С последовательным соединением якоря и обмоток возбуждения;
• Со смешанным соединением якоря и обмоток возбуждения;

трехфазные двигатели

трехфазные асинхронные двигатели

По количеству фаз:

• Однофазные – запускаются вручную, либо же имеют пусковую обмотка или фазосдвигающую цепь.
• Двухфазные
• Трехфазные
• Многофазные

• Синхронный электродвигатель – электрический двигатель переменного тока с синхронным движением магнитного поля питающего напряжения и ротора.
• Асинхронный электродвигатель – электрический двигатель переменного тока с отличающейся частотой движения ротора и магнитного поля, порождаемого питающим напряжением.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий