Электродвигатели повсюду! В вашем доме почти каждое механическое движение, которое вы видите вокруг себя, вызывается электродвигателем переменного тока (переменного тока) или постоянного тока (постоянного тока). В этой статье мы рассмотрим оба типа.
Поняв, как работает двигатель, вы можете многое узнать о магнитах, электромагнитах и электричестве в целом. Электродвигатель используетмагниты для создания движения. Если вы когда-нибудь играли с магнитами, то знаете об основном законе всех магнитов: противоположности притягиваются, а подобное отталкивается.
Итак, если у вас есть два стержневых магнита с концами, помеченными «север» и «юг», то северный конец одного магнита будет притягивать южный конец другого. С другой стороны, северный конец одного магнита будет отталкивать северный конец другого (а южный будет отталкивать юг). Внутри электродвигателя эти притягивающие и отталкивающие силы создаютвращательное движение
Внутри электродвигателя
Чтобы понять, как работает электродвигатель, нужно понять, как работает электромагнит. (Полную информацию см. в разделе «Как работают электромагниты».)
Основой электродвигателя является электромагнит. Скажем, вы создали простой электромагнит, намотав 100 витков проволоки на гвоздь и подключив его к батарее. Гвоздь станет магнитом и будет иметь северный и южный полюс, пока батарея подключена.
Теперь скажем, что вы берете свой гвоздевой электромагнит, пропускаете ось через его середину и подвешиваете к середине подковообразного магнита, как показано на рисунке. Если бы вы прикрепили батарейку к электромагниту так, чтобы северный конец гвоздя выглядел так, как показано на рисунке, основной закон магнетизма говорит вам, что произойдет: северный конец электромагнита будет отталкиваться от северного конца подковообразного магнита. и притягивается к южному концу подковообразного магнита. Южный конец электромагнита будет отталкиваться аналогичным образом. Гвоздь сделает пол-оборота, а затем остановится в показанном положении.
Ключ к электродвигателю состоит в том, чтобы сделать еще один шаг вперед, чтобы в тот момент, когда этот полуоборот завершается, поле электромагнитапереворачивается Вы переворачиваете магнитное поле путем изменения направления электронов, протекающих по проводу, что означает переворачивание батареи. Переворот заставляет электромагнит совершить еще пол-оборота движения. Если бы поле электромагнита менялось точно в нужный момент в конце каждого полуоборота движения, электродвигатель вращался бы свободно.
Как работает двигатель постоянного тока
Как мы уже упоминали, вы столкнетесь с двумя типами электродвигателей: постоянного тока и переменного тока. Последние, двигатели постоянного тока, или двигатели постоянного тока, были впервые разработаны в середине 1800-х годов и используются до сих пор.
Простой двигатель состоит из шести частей:
- Статор
- Ротор
- Коммутатор
- Кисти
- Ось
- источник постоянного тока
Снаружи двигателя постоянного тока находится статор: постоянный магнит, который не движется. Внутренняя часть - это ротор, который движется. Ротор здесь подобен гвоздю из нашего предыдущего примера, а статор подобен подковообразному магниту.
Когда мощность постоянного тока проходит через ротор, создается временное электромагнитное поле, которое взаимодействует с постоянным магнитным полем статора. Работа коммутатора состоит в том, чтобы поддерживать переключение полярности поля, что поддерживает вращение ротора. Это создает крутящий момент, необходимый для производства механической энергии.
Игрушечный мотор
Изображенный игрушечный двигатель постоянного тока небольшой, примерно размером с десятицентовую монету, с двумя выводами аккумулятора. Если вы подключите провода аккумулятора двигателя к аккумулятору, ось будет вращаться. Если вы перепутаете провода, он будет вращаться в противоположном направлении.
Нейлоновая торцевая крышка удерживается на месте двумя выступами. Внутри торцевой крышки щетки двигателя передают энергию от батареи к коммутатору, когда двигатель вращается. (Поскольку щетки могут изнашиваться и нуждаться в замене, современные двигатели постоянного тока часто бесщеточные.)
Ось удерживает ротор и коллектор. Ротор представляет собой набор электромагнитов, в данном случае их три. Якорь в этом двигателе представляет собой набор тонких металлических пластин, сложенных вместе, с тонкой медной проволокой, намотанной вокруг каждого из трех полюсов ротора. Два конца каждого провода (по одному на каждый полюс) присоединяются к клемме, а затем каждая из трех клемм подключается к одной пластине коммутатора.
Последняя часть любого электродвигателя постоянного тока - статор. В этом двигателе он образован самой банкой и двумя изогнутыми постоянными магнитами. В двигателях постоянного тока якорь - это ротор, а поле - статор.
Ротор, коллектор и щетки
Как мы отмечали ранее, ротор подобен гвоздю на нашей схеме электромагнита. Коллектор также крепится к оси. Коллектор представляет собой просто пару пластин, прикрепленных к оси. Эти пластины обеспечивают два соединения для катушки электромагнита.
Часть «переворота электрического поля» электродвигателя выполняется двумя частями:коммутаторомищетками.
На диаграмме показано, как коммутатор (зеленый) и щетки (красный) работают вместе, пропуская ток к электромагниту, а также изменяя направление движения электронов в нужный момент. Контакты коммутатора прикреплены к оси электромагнита, поэтому они вращаются вместе с магнитом. Щетки - это всего лишь два куска упругого металла или углерода, которые соприкасаются с контактами коммутатора.
Собираем все вместе
Когда вы соедините все эти части вместе, у вас получится полноценный электродвигатель.
Суть в том, что когда ротор проходит через горизонтальное положение, полюса электромагнита переворачиваются. Из-за флипа северный полюс электромагнита всегда находится над осью, поэтому он может отталкивать северный полюс статора и притягивать южный полюс статора.
Обычно ротор имееттри полюса, а не два полюса, как показано в этой статье. Есть две веские причины, по которым двигатель должен иметь три полюса:
- Это улучшает динамику двигателя. В двухполюсном двигателе, если электромагнит находится в точке баланса, совершенно горизонтальной между двумя полюсами статора, когда двигатель запускается, вы можете представить, что ротор «застревает» там. Этого никогда не происходит с трехполюсным двигателем.
- Каждый раз, когда коммутатор достигает точки, где он переворачивает поле в двухполюсном двигателе, коммутатор на мгновение закорачивает батарею. Это короткое замыкание тратит энергию и бесполезно разряжает батарею. Трехполюсный двигатель решает и эту проблему.
Возможно иметь любое количество полюсов, в зависимости от размера двигателя и того, что он должен делать.
Как работает двигатель переменного тока
Теперь мы рассмотрим двигатель переменного тока. В двигателях переменного тока вместо постоянного тока используется переменный ток. У него много общего с двигателем постоянного тока, и он по-прежнему полагается на электромагнетизм и переменные магнитные поля для выработки механической энергии.
Части внутри двигателя переменного тока:
- Статор
- Ротор
- Сплошная ось
- Катушки
- Беличья клетка
Обмотка статора двигателя переменного тока выполняет роль ротора двигателя постоянного тока. В данном случае это кольцо электромагнитов, которые соединены в пары и последовательно запитаны, что создает вращающееся магнитное поле.
Вы помните, что ротор двигателя постоянного тока подключен к аккумулятору. Но ротор в двигателе переменного тока не имеет прямой связи с источником питания. Кисточек тоже нет. Вместо этого он часто использует нечто, называемое беличьей клеткой. Вы правильно прочитали.
Беличья клетка в двигателе переменного тока представляет собой набор стержней ротора, соединенных с двумя кольцами, по одному на каждом конце. Это похоже на то, как мышь (или белка) в клетке может бегать внутри. Ротор с короткозамкнутым ротором входит внутрь статора. Когда переменный ток проходит через статор, он создает электромагнитное поле. Стержни в роторе с короткозамкнутым ротором являются проводниками, поэтому они реагируют на переключение полюсов статора. Так вращается ротор, который создает собственное магнитное поле.
Ротор переменного тока и статор
Суть асинхронного двигателя переменного тока, в котором поле ротора индуцируется полем статора, заключается в том, что ротор всегда пытается наверстать упущенное. Он всегда ищет стазис, поэтому он вращается, чтобы найти это устойчивое состояние. Но электромагнитное поле, создаваемое статором с использованием переменного тока, всегда будет немного быстрее, чем поле ротора. Вращение ротора создает крутящий момент, необходимый для создания механической энергии, необходимой для вращения колес автомобиля или жужжания вентилятора.
В некоторых двигателях переменного тока используется ротор с обмоткой, который обмотан проволокой, а не является беличьей клеткой. Однако вид «беличьей клетки» встречается чаще. В любом случае в двигателе переменного тока есть только одна движущаяся часть, а это означает, что требуется меньше деталей, требующих замены или обслуживания.
Моторы повсюду
Оглянитесь вокруг своего дома, и вы обнаружите, что он заполнен электродвигателями. Поскольку в наших домах используется источник переменного тока, большинство этих гаджетов имеют двигатели переменного тока. Двигатели постоянного тока чаще можно найти в вещах, в которых используются батареи. Начиная с кухни, там моторы:
- Вентилятор над плитой и в микроволновке
- Блендер
- Холодильник - Два или три на самом деле: один для компрессора, один для вентилятора внутри холодильника, а также один в льдогенераторе
- Рабочий миксер
В подсобном помещении есть электродвигатель:
- Сушка
- Электрическая отвертка
- Пылесос
- Электрическая дрель
- Воздуходувка
Даже в ванной есть мотор:
- Веер
- Электрическая зубная щетка
- Фен
- Электробритва
Ваша машина заряжена электродвигателями:
- Электростеклоподъемники
- Сиденья с электроприводом
- Вентиляторы отопителя и радиатора
- Дворники
- Стартер
- Двигатель переменного тока может питать вашу машину, а не бензиновый двигатель
Плюс, моторы есть и в других местах:
- Компьютеры
- Смартфоны
- Игрушки
- Открывалка гаражных ворот
- Насосы для аквариума
Почти все, что движется, использует для своего движения электродвигатель.
Вот это мощно
Возможно, вас интересуют электромобили, в которых используются двигатели переменного тока, но работающие от аккумуляторов, питающих постоянным током. Ответ прост: у электромобилей есть дополнительная часть, называемая преобразователем, которая преобразует мощность постоянного тока от батарей в мощность переменного тока, которую может использовать двигатель.
Часто задаваемые вопросы по электродвигателям
Как работает игрушечный электродвигатель?
Очень маленький электродвигатель имеет два небольших постоянных магнита, коммутатор, две щетки, три полюса и электромагнит, намотанный на кусок металла. Он работает так же, как и большая версия, но в гораздо меньшем масштабе.
Что такое электродвигатель постоянного тока?
Электродвигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую, в отличие от версии переменного тока, в которой используется переменный ток.
Из каких частей состоит простой мотор?
Простой двигатель состоит из шести частей: якорь или ротор, коммутатор, щетки, ось, магнит возбуждения и источник постоянного тока.
Как долго может работать электродвигатель?
В условиях испытаний электродвигатель может прослужить от 15 до 20 лет, при условии, что он используется в нормальных условиях эксплуатации.
Электродвигатель постоянного или переменного тока лучше?
Двигатели переменного тока, как правило, более мощные и требуют меньше обслуживания, однако двигатели постоянного тока, как правило, более эффективны. Применение электродвигателя имеет тенденцию влиять на выбор переменного или постоянного тока.