Електричний двигун - неоціненне винахід людини. Завдяки цьому пристрою наша цивілізація за останні сотні років пішла далеко вперед. Це настільки важливо, що принцип роботи електродвигуна вивчають ще зі шкільної лави. Кругове обертання електроприводних вала легко трансформується в усі інші види руху. Тому будь-який верстат, створений для полегшення праці і скорочення часу на виготовлення продукції, можна пристосувати під виконання безлічі завдань. Який же принцип дії електродвигуна, як він працює і яке його пристрій - про все це зрозумілою мовою розповідається в представленій статті.
Як працює двигун постійного струму
Переважна більшість електричних машин працює за принципом магнітного відштовхування і тяжіння. Якщо між північним і південним полюсами магніту помістити дріт і пропустити по ній струм, то її виштовхне назовні. Як це можливо? Справа в тому, що проходячи по провіднику, ток формує навколо себе круговий магнітне поле по всій довжині дроту. Напрямок цього поля визначають за правилом свердлика (гвинта). При взаємодії кругового поля провідника і однорідного поля магніту, між полюсами магнітне поле з одного боку слабшає, а з іншого посилюється. Тобто середовище стає пружною і результуюча сила виштовхує провід з поля магніту під кутом 90 градусів в напрямку, який визначається за правилом лівої руки (правило правої руки використовується для генераторів, а правило лівої руки підходить тільки для двигунів). Ця сила називається «амперовой» і її величина визначається за законом Ампера F = BхIхL, де В - значення магнітної індукції поля; I - струм, що циркулює в провіднику; L - довжина проводу.
Це явище використовували як основний принцип роботи перших електродвигунів, цей же принцип використовують і понині. У двигунах постійного струму малої потужності для створення постійного магнітного поля застосовуються постійні магніти. У електромоторах середньої і великої потужності однорідне магнітне поле створюють за допомогою обмотки збудження або індуктора.
Розглянемо принцип створення механічного руху за допомогою електрики більш докладно. На динамічної ілюстрації показаний найпростіший електромотор. В однорідному магнітному полі вертикально маємо дротяну рамку і пропускаємо по ній струм. Що відбувається? Рамка провертається і за інерцією рухається якийсь час до досягнення горизонтального положення. Це нейтральне положення - мертва точка - місце, де вплив поля на провідник зі струмом дорівнює нулю. Щоб рух продовжилося, потрібно додати ще хоча б одну рамку і забезпечити перемикання напрямок струму в рамці в потрібний момент. На навчальному відео внизу сторінки добре видно цей процес.
Принцип дії сучасних електродвигунів
Сучасний двигун постійного струму замість однієї рамки має якір з безліччю провідників, укладених в пази, а замість постійного подковообразного магніту має статор з обмоткою збудження з двома і більше полясамі. На малюнку показаний двополюсний електродвигун в розрізі. Принцип його роботи наступний. Якщо по дротах верхній частині якоря пропустити струм рухається «від нас» (відзначено хрестиком), а в нижній частині - «на нас» (відзначено крапкою), то згідно з правилом лівої руки верхні провідники будуть виштовхувати з магнітного поля статора вліво, а провідники нижньої половини якоря за тим же принципом будуть виштовхувати вправо. Оскільки мідний дріт укладений в пазах якоря, то, вся сила впливу буде передаватися і на нього, і він буде провертатися. Далі видно, що коли провідник з напрямком струму «від нас» провернётся вниз і стане на південного полюса створюваного статором, то він видавлюватиметься в ліву сторону, і відбудеться гальмування. Щоб цього не сталося потрібно поміняти напрям струму в проводі на протилежне, як тільки буде пересічена нейтральна лінія. Це робиться за допомогою колектора - спеціального перемикача, комутуючого обмотку якоря із загальною схемою електродвигуна.
Таким чином, обмотка якоря передає крутний момент на вал електромотора, а той в свою чергу приводить в рух робочі механізми будь-якого обладнання, такого як, наприклад, верстат для сітки рабиці. Хоча в цьому випадку використовується змінного струму, основний принцип його роботи ідентичний принципом дії двигуна постійного струму - це виштовхування провідника зі струмом з магнітного поля. Тільки у асинхронного електромотора обертове магнітне поле, а у електродвигуна постійного струму - поле статичне.
Продовжуючи тему двигуна постійного струму потрібно відзначити, що принцип дії електродвигуна грунтується на інвертуванні постійного струму в якірного ланцюга, щоб не було гальмування, і обертання ротора підтримувалося в постійному ритмі. Якщо змінити напрямок струму в збудливою обмотці статора, то, згідно з правилом лівої руки, зміниться напрямок обертання ротора. Те ж саме відбудеться, якщо ми поміняємо місцями щіткові контакти, що підводять живлення від джерела до якірної обмотці. А ось якщо поміняти «+» «-» і там і там, то напрямок обертання вала не зміниться. Тому, в принципі, для харчування такого мотора можна використовувати і змінний струм, тому що ток в індукторі і якорі буде змінюватися одночасно. На практиці такі пристрої використовуються рідко.
Що стосується електричної то їх кілька і вони показані на малюнку. При паралельному з'єднанні обмоток, обмотка якоря робиться з великої кількості витків тонкого дроту. При такому підключенні комутований колектором ток буде значно менше через великий опір і пластини не будуть сильно іскрити і вигоряти. Якщо робити послідовне з'єднання обмоток індуктора і якоря, то обмотка індуктора робиться з дроту більшого діаметра з меншою кількістю витків, тому що весь якірний струм спрямовується через статорних обмотку. При таких маніпуляціях з пропорційним зміною значень струму і кількості витків, що намагнічує сила залишається постійною, а якісні характеристики пристрою стають краще.
На сьогоднішній день двигуни постійного струму мало використовуються на виробництві. З недоліків цього типу електричних машин можна відзначити швидкий знос щітково-колекторного вузла. Переваги - хороші характеристики запуску, легка регулювання частоти і напрямку обертання, простота пристрою і управління.
• Завантажити лекцію: двигуни постійного струму
Свіжі записи:
Як це можливо?Що відбувається?