Принцип работы электродвигателей

Принцип работы электродвигателей

Принцип работы электродвигателей. Основные понятия.

Магнетизм

Наиболее характерное магнитное явление — притяжение магнитом кусков железа — известно со времен глубокой древности. Ещё одной очень важной особенностью магнитов является наличие у них полюсов: северного (отрицательного) и южного (положительного). Противоположные полюса притягиваются, а одинаковые — отталкиваются друг от друга.

Магнитное поле

Магнитное поле можно условно изобразить линиями в виде магнитного потока, движущегося от северного полюса к южному. В некоторых случаях определить, где северный, а где южный полюс, достаточно сложно.

Электромагнетизм

Вокруг проводника, при пропускании по нему электрического тока, создаётся магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Физические законы одинаковы для магнетизма и электромагнетизма.

Магнитное поле вокруг проводников можно усилить, если намотать их на катушку со стальным сердечником. Когда проводник намотан на катушку, все линии магнитного потока, образуемого каждым витком, сливаются и создают единое магнитное поле вокруг катушки.

Чем больше витков на катушке, тем сильнее магнитное поле. Это поле имеет такие же характеристики, что и естественное магнитное поле, а, следовательно, у него тоже есть северный и южный полюса.

Вращение вала электродвигателя обусловлено действием магнитного поля. Основные части электродвигателя: статор и ротор.

Ротор:

Подвижная часть электродвигателя, которая вращается с валом электродвигателя, двигаясь вместе с магнитным полем статора.

Статор:

Неподвижный компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Вращение под действием магнитного поля

Преимуществом магнитных полей, которые создаются токопроводящими катушками, является возможность менять местами полюса магнита посредством изменения направления тока. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую.

Одинаковые полюса магнитов отталкиваются друг от друга, противоположные полюса — притягиваются. Можно сказать, что это свойство используется для создания непрерывного движения ротора с помощью постоянной смены полярности статора. Ротором здесь, является магнит, который может вращаться.

Чередование полюсов с помощью переменного тока

Чередование полюсов с помощью переменного тока

Полярность постоянно меняется с помощью переменного тока (AC). Далее мы увидим, как ротор заменяется магнитом, который вращается под действием индукции. Здесь важную роль играет переменный ток, поэтому будет полезно привести здесь краткую информацию о нём:

Переменный ток — AC

Под переменным током понимается электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью трёхфазного питания. Это означает, что статор подсоединяется к источнику переменного тока с тремя фазами. Полный цикл определяется как цикл в 360 градусов. Это значит, что каждая фаза расположена по отношению к другой под углом в 120 градусов. Фазы изображаются в виде синусоидальных кривых, как представлено на рисунке.

Трёхфазный переменный ток

Трёхфазное питание — это непрерывный ряд перекрывающихся напряжений переменного тока (AC).

Смена полюсов

На следующих страницах объясняется, как взаимодействуют ротор и статор, заставляя электродвигатель вращаться.

Для наглядности мы заменили ротор вращающимся магнитом, а статор — катушками. В правой части страницы приведено изображение двухполюсного трёхфазного электродвигателя. Фазы соединены парами: 1-й фазе соответствуют катушки A1 и A2, 2-й фазе — B1 и B2 , а 3-й соответствуют C1 и C2. При подаче тока на катушки статора одна из них становится северным полюсом, другая — южным. Таким образом, если A1 — северный полюс, то A2 — южный.

Питание в сети переменного тока

Обмотки фаз A, B и C расположены по отношению друг к другу под углом в 120 градусов.

Количество полюсов электродвигателя определяется количеством пересечений поля обмотки полем ротора. В данном случае каждая обмотка пересекается дважды, что означает, что перед нами двухполюсный статор. Таким образом, если бы каждая обмотка появлялась четыре раза, это был бы четырехполюсный статор и т.д.

Когда на обмотки фаз подаётся электрический ток, вал электродвигателя начинает вращаться со скоростью, обусловленной числом полюсов (чем меньше полюсов, тем ниже скорость)

Вращение ротора

Ниже рассказывается о физическом принципе работы электродвигателя (как ротор вращается внутри статора). Для наглядности, заменим ротор магнитом. Все изменения в магнитном поле происходят очень быстро, поэтому нам необходимо разбить весь процесс на этапы. При прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора в нем создается магнитное поле, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля.

Начав вращение, магнит будет следовать за меняющимся магнитным полем статора. Поле статора меняется таким образом, чтобы поддерживалось вращение в одном направлении.

Ранее мы установили, как обыкновенный магнит вращается в статоре. В электродвигателях переменного тока AC установлены роторы, а не магниты. Наша модель очень схожа с настоящим ротором, за исключением того, что под действием магнитного поля ротор поляризуется. Это вызвано магнитной индукцией, благодаря которой в проводниках ротора наводится электрический ток.

Индукция

В основном ротор работает так же, как магнит. Когда электродвигатель включен, ток проходит по обмотке статора и создаёт электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Таким образом, в обмотках ротора индуцируется ток, который затем создаёт вокруг ротора электромагнитное поле и поляризацию ротора.

В предыдущем разделе, чтобы было проще объяснить принцип действия ротора, заменив его для наглядности магнитом. Теперь заменим магнитом статор. Индукция — это явление, которое наблюдается при перемещении проводника в магнитном поле. Относительное движение проводника в магнитном поле приводит к появлению в проводнике так называемого индуцированного электрического тока. Этот индуцированный ток создаёт магнитное поле вокруг каждой обмотки проводника ротора. Так как трёхфазное AC питание заставляет магнитное поле статора вращаться, индуцированное магнитное поле ротора будет следовать за этим вращением. Таким образом вал электродвигателя будет вращаться. Электродвигатели переменного тока часто называют индукционными электродвигателями переменного тока, или ИЭ (индукционными электродвигателями).

Принцип действия электродвигателей

Индукционные электродвигатели состоят из ротора и статора.

Токи в обмотках статора создаются фазовым напряжением, которое приводит в движение индукционный электродвигатель. Эти токи создают вращающееся магнитное поле, которое также называется полем статора. Вращающееся магнитное поле статора определяется токами в обмотках и количеством фазных обмоток.

Вращающееся магнитное поле формирует магнитный поток. Вращающееся магнитное поле пропорционально электрическому напряжению, а магнитный поток пропорционален электрическому току.

Вращающееся магнитное поле статора движется быстрее ротора, что способствует индукции токов в обмотках проводников роторов, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставляет ротор вращаться. Принципы действия индукционного электродвигателя представлены на иллюстрациях справа.

Таким образом, ротор и статор являются наиболее важными составляющими индукционного электродвигателя переменного тока. Они проектируются с помощью САПР (системы автоматизированного проектирования). Далее мы подробнее поговорим о конструкции ротора и статора.

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.

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.

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.

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.

Асинхронные электродвигатели

В предыдущих разделах мы разобрали, почему электродвигатели переменного тока называют также индукционными электродвигателями, или электродвигателями типа «беличье колесо». Далее объясним, почему их ещё называют асинхронными электродвигателями. В данном случае во внимание принимается соотношение между количеством полюсов и числом оборотов, сделанных ротором электродвигателя.

Частоту вращения магнитного поля принято считать синхронной частотой вращения (Ns). Синхронную частоту вращения можно рассчитать следующим образом: частота сети (F), умноженная на 120 и разделенная на число полюсов (P).

Если, например, частота сети 50 Гц, то синхронная частота вращения для 2-полюсного электродвигателя равна 3000 мин-1.

Синхронная частота вращения уменьшается с увеличением числа полюсов. В таблице, приведенной ниже, показана синхронная частота вращения для различного количества полюсов.

Число полюсов

Синхронная частота вращения 50 Гц

Синхронная частота вращения 60 Гц

Источник:
http://eti.su/articles/elektricheskie-mashini/elektricheskie-mashini_1569.html

Создание вращающегося магнитного поля в статоре двигателя.

Для понимания процесса создания вращающегося магнитного поля зададимся следующими условиями:

1. Полярности токов, указанные на диаграммах (см.рис.31.4.) показаны для начал обмоток.

2. Если ток положителен на диаграмме, то на начале обмотки ставим точку ( ток течет к нам)

3. Если ток отрицателен на диаграмме, то на начале обмотки ставим крестик ( ток течет от нас)

Читайте также  Светодиод Т6 или U2 что лучше: сравнение характеристик, в чем разница между диодами

4. Если ток течет к нам, то магнитные линии направлены против часовой стрелки (правило буравчика)

5. Если ток течет от нас, то магнитные линии направлены по часовой стрелке (правило буравчика)

Отметим на графиках токов произвольно моменты времени t1, t2, t3, t4.

Выполним следующие построения:

Для времени t1: На графиках токов ток iA имеет положительное значение,

токи iВ и iС – отрицательны. Поэтому, на рисунке для времени t1 начало обмотки Ан обозначаем точкой, начала обмоток Вн и Сн – крестиками. Тогда конец обмотки Ак обозначится крестиком, а концы обмоток Вк и Ск — точками.

Для времени t2: На графиках токов ток iВ имеет положительное значение,

токи iА и iС – отрицательны. Поэтому, на рисунке для времени t2 начало обмотки Вн обозначаем точкой, начала обмоток Ан и Сн – крестиками. Тогда конец обмотки Вк обозначится крестиком, а концы обмоток Ак и Ск — точками.

Для времени t3: На графиках токов ток iС имеет положительное значение,

токи iА и iВ – отрицательны. Поэтому, на рисунке для времени t3 начало обмотки Сн обозначаем точкой, начала обмоток Ан и Вн – крестиками. Тогда конец обмотки Ск обозначится крестиком, а концы обмоток Ак и Вк — точками.

Для времени t4: На графиках токов ток iA имеет положительное значение,

токи iВ и iС – отрицательны. Поэтому, на рисунке для времени t4 начало обмотки Ан обозначаем точкой, начала обмоток Вн и Сн – крестиками. Тогда конец обмотки Ак обозначится крестиком, а концы обмоток Вк и Ск — точками.

Обводим магнитной линией клеммы обмоток, имеющие одинаковое обозначение (точка) или (крестик), учитывая направления магнитных линий в соответствии с условиями 4 и 5.

Направление этих силовых линий бу­дет аналогично направлению силовых линии поля, созда­ваемого с помощью постоянного магнита, условно обозна­ченного на этом рисунке пунктиром.

Сравним картины магнитного поля для различных времен. При сравнении видно, что за пе­риод изменения времени Тсоздаваемое трехфазным током магнитное поле поворачивается в пространстве на целый оборот, т е. на 360°.

Такое магнитное поле называется вращающимся.

Рис.32.4. Создание вращающегося магнитного поля в неподвижном статоре асинхронного двигателя.

Если изменить чередование каких-либо двух фаз (рис. 31.5), то произойдет изменение направления вращения магнитного поля на противоположное.

Это свой­ство обычно используется при необходимости изменения направления вращения асинхронного электродвигателя, т. е. при осуществлении так называемого реверса двигателя.

В асинхронном электродви­гателе имеются две основные части

  • вращающийся ротор
  • неподвижный статор.

Занятие 33. Устройство трехфазного асинхрон­ного двигателя

Асинхронный электродвигатель переменного тока состоит из двух основных частей:

— неподвижной части — статора;

— подвижной части- ротора;

Подвижный ротор сопрягается с неподвижным статором с помощью подшипников, установленных в подшипниковые щиты.

Устройство асинхронного двигателя представлено на рисунке 33.1:

На рисунке обозначены:

1 – передний подшипниковый щит

2 – выходной конец вала

3 – уплотнение подшипника

5 – лопатки вентилятора ротора

6 – короткозамыкающее кольцо

10 – сердечник статора

11 – сердечник ротора

12 – обмотка статора

13 – винт крепления кожуха вентилятора

14 – кожух вентилятора

15 – задний подшипниковый щит

17 – стопорное кольцо

18 – стопорный винт вентилятора

Рис.33.1. Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Рис.33.2. Основные детали асинхронного двигателя

На рисунке обозначены:

1 – сердечник статора

2 – обмотка статора

4 – сердечник ротора

5 – короткозамыкающее кольцо

7 – передний подшипниковый щит

8 – задний подшипниковый щи

Статорсостоит из станины и сердечника с обмоткой.

Станина выполняется из стали, чугуна или алюминиевых сплавов.

Сердечник набирают из штампованных листов электротехнической стали, изолированных между собой бумагой, лаком или слоем окиси. Изоляция необходима для ограничения величины вихревых токов и уменьшения нагрева сердечника.

Обмотка статора выполняется из медной изолированной проволоки круглого или

прямоугольного сечения, которая укладывается в пазы сердечника.

Рис. 33.3 Устройство статора

На рисунке обозначены:

1 – обмотка статора

3 – резьбовое отверстие под рым-болт

4 – болты крепления сердечника

5 – сердечник статора

6 – ребра охлаждения

7 – отверстия для анкерных крепежных болтов

8 – болт заземления

Подшипниковые щиты — представляют собой крышки, закрывающие станину с двух

сторон. В подшипниковые щиты встраиваются подшипники качения или скольжения которые обеспечивают механическую связь между неподвижным статором и подвижным ротором.

Ротор состоит из стального вала, сердечника и обмотки. В зависимости от конструкции роторы бывают:

Короткозамкнутый роторпредставляет собой сердечник, набранный из листов электротехнической стали и напрессованный на вал. В пазы сердечника заливается расплавленный алюминий , который при застывании образует алюминиевую обмотку, состоящую из стержней замкнутых накоротко алюминиевыми кольцами. Такая обмотка называется » беличье колесо » , а ротор — короткозамкнутым.

Рис.33.4. Короткозамкнутый ротор

На рисунке обозначены:

2 – лопатки вентилятора ротора

3 – короткозамыкающее кольцо

4 – сердечник ротора

5 – шпонка сердечника

6 – стяжная шпилька

7 – шпонка вентилятора двигателя

Фазный ротор .

У фазного ротора в пазы сердечника уложена трехфазная обмотка . Три конца этой

обмотки соединены в общую точку ,а три начала обмоток соединены с контактными кольцами, которые в свою очередь через щеточные скользящие контакты соединяются с пусковыми реостатами. Включение пусковых реостатов в цепь обмотки ротора позволяет значительно уменьшить ток в машине в момент пуска . По мере раскрутки двигателя пусковой ток уменьшается и пусковые реостаты выводятся из цепи обмоток ротора .

Рис.33.5. Фазный ротор

1 — трехфазная обмотка ротора

2 — вал двигателя

3 — контактные кольца

4 — скользящие контакты (щетки)

5 — пусковые реостаты

6 — сердечник ротора

Рис. 32.6.Запуск фазного ротора в работу.

1 — трехфазная обмотка ротора

2 — вал двигателя

3 — контактные кольца

4 — скользящие контакты (щетки)

5 — пусковые реостаты

6 — сердечник ротора

На паспортной табличке, прикрепленной к корпусу двигателя указывают следующие данные двигателя :

· схема соединения обмоток [* или ∆ ]

· потребляемый ток [ А ]

· число оборотов вала [ об/мин ]

· коэффициент мощности cos φ

Занятие 34. Принцип действия трехфазного асинхрон­ного двигателя

Наибольшее распространение среди электрических двигателей получили трехфазные асинхронные двигатели. Асинхронный двигатель состоит из двух принципиально важных частей :

— неподвижной части – статора

На статоре расположена трехфазная обмотка. При подключении обмотки статора к трехфазной сети в ней возникает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения зависит от числа полюсов обмотки статора и определяется формулой:

(об / мин)

Где: f1 =50 Гц — частота тока в сети.

p – число пар полюсов обмотки статора.

Таким образом, при одной паре полюсов n1= 3000 об/мин, при р=2, n1 = 1500 , при р=3, n1 = 1000 , при р=4, n1 = 750 об / мин.

На роторе устанавливается, как правило, короткозамкнутая обмотка изготовленная в виде алюминиевых стержней закороченных с обоих сторон кольцами. Такая обмотка называется «беличьим колесом».

В начальный момент ротор неподвижен, поэтому вращающееся магнитное поле статора с большой скоростью пересекает стержни обмотки ротора, наводя в них большую ЭДС. Так как стержни замкнуты накоротко, то в обмотке ротора возникает большой ток . Этот ток называется пусковым. Его значение обычно превышает значение номинального тока в 7 раз. Если этот ток будет действовать длительно, то это может привести к выходу двигателя из строя. При возникновении тока в обмотке ротора в нем также возникает магнитное поле, которое взаимодействуя с вращающимся магнитным полем статора приводит ротор во вращение.

При увеличении скорости вращения ротора взаимная скорость перемещения полей статора и ротора уменьшается, уменьшается ЭДС и ток в роторе, достигая номинального значения.

Однако, исходя из принципа работы двигателя, скорость вращения ротора никогда не станет равной скорости вращающегося магнитного поля статора, так как при этом пропадает возможность индуктирования ЭДС в обмотке ротора и, соответственно, возникновения магнитного поля ротора. Это противоречит принципу работы двигателя. Двигатель потому и называется асинхронным, потому что скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращающегося магнитного поля статора.

Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора характеризуется скольжением.

Где: n1 – скорость вращающегося магнитного поля статора.

n2 – скорость вращения ротора

При пуске s = 1 , при номинальном режиме работы двигателя s= 4 – 6 % .

Источник:
http://helpiks.org/1-120052.html

Принцип действия и устройство электродвигателя

Любой электрический двигатель предназначен для совершения механической работы за счет расхода приложенной к нему электроэнергии, которая преобразуется, как правило, во вращательное движение. Хотя в технике встречаются модели, которые сразу создают поступательное движение рабочего органа. Их называют линейными двигателями.

В промышленных установках электромоторы приводят в действие различные станки и механические устройства, участвующие в технологическом производственном процессе.

Внутри бытовых приборов электродвигатели работают в стиральных машинах, пылесосах, компьютерах, фенах, детских игрушках, часах и многих других устройствах.

Основные физические процессы и принцип действия

На движущиеся внутри магнитного поля электрические заряды, которые называют электрическим током, всегда действует механическая сила, стремящаяся отклонить их направление в плоскости, расположенной перпендикулярно ориентации магнитных силовых линий. Когда электрический ток проходит по металлическому проводнику или выполненной из него катушке, то эта сила стремится подвинуть/повернуть каждый проводник с током и всю обмотку в целом.

На картинке ниже показана металлическая рамка, по которой течет ток. Приложенное к ней магнитное поле создает для каждой ветви рамки силу F, создающую вращательное движение.

Это свойство взаимодействия электрической и магнитной энергии на основе создания электродвижущей силы в замкнутом токопроводящем контуре положено в работу любого электродвигателя. В его конструкцию входят:

обмотка, по которой протекает электрический ток. Ее располагают на специальном сердечнике-якоре и закрепляют в подшипниках вращения для уменьшения противодействия сил трения. Эту конструкцию называют ротором;

статор, создающий магнитное поле, которое своими силовыми линиями пронизывает проходящие по виткам обмотки ротора электрические заряды;

корпус для размещения статора. Внутри корпуса сделаны специальные посадочные гнезда, внутри которых вмонтированы внешние обоймы подшипников ротора.

Упрощенно конструкцию наиболее простого электродвигателя можно представить картинкой следующего вида.

При вращении ротора создается крутящий момент, мощность которого зависит от общей конструкции устройства, величины приложенной электрической энергии, ее потерь при преобразованиях.

Величина максимально возможной мощности крутящего момента двигателя всегда меньше приложенной к нему электрической энергии. Она характеризуется величиной коэффициента полезного действия.

По виду протекающего по обмоткам тока их подразделяют на двигатели постоянного или переменного тока. Каждая из этих двух групп имеет большое количество модификаций, использующих различные технологические процессы.

Электродвигатели постоянного тока

У них магнитное поле статора создается стационарно закрепленными постоянными магнитами либо специальными электромагнитами с обмотками возбуждения. Обмотка якоря жестко вмонтирована в вал, который закреплен в подшипниках и может свободно вращаться вокруг собственной оси.

Читайте также  Теплица для огурцов - основные требования, виды, как сделать своими руками

Принципиальное устройство такого двигателя показано на рисунке.

На сердечнике якоря из ферромагнитных материалов расположена обмотка, состоящая из двух последовательно соединенных частей, которые одним концом подключены к токопроводящим коллекторным пластинам, а другим скоммутированы между собой. Две щетки из графита расположены на диаметрально противоположных концах якоря и прижимаются к контактным площадкам коллекторных пластин.

На нижнюю щетку рисунка подводится положительный потенциал постоянного источника тока, а на верхнюю — отрицательный. Направление протекающего по обмотке тока показано пунктирной красной стрелкой.

Ток вызывает в нижней левой части якоря магнитное поле северного полюса, а в правой верхней — южного (правило буравчика). Это приводит к отталкиванию полюсов ротора от одноименных стационарных и притяжению к разноименным полюсам на статоре. В результате приложенной силы возникает вращательное движение, направление которого указывает коричневая стрелка.

При дальнейшем вращении якоря по инерции полюса переходят на другие коллекторные пластины. Направление тока в них изменяется на противоположное. Ротор продолжает дальнейшее вращение.

Простая конструкция подобного коллекторного устройства приводит к большим потерям электрической энергии. Подобные двигатели работают в приборах простой конструкции или игрушках для детей.

Электродвигатели постоянного тока, участвующие в производственном процессе, имеют более сложную конструкцию:

обмотка секционирована не на две, а на большее количество частей;

каждая секция обмотки смонтирована на своем полюсе;

коллекторное устройство выполнено определенным количеством контактных площадок по числу секций обмоток.

В результате этого создается плавное подключение каждого полюса через свои контактные пластины к щеткам и источнику тока, снижаются потери электроэнергии.

Устройство подобного якоря показано на картинке.

У электрических двигателей постоянного тока можно реверсировать направление вращения ротора. Для этого достаточно изменить движение тока в обмотке на противоположное сменой полярности на источнике.

Электродвигатели переменного тока

Они отличаются от предыдущих конструкций тем, что электрический ток, протекающий в их обмотке, описывается по синусоидальному гармоническому закону, периодически изменяющему свое направление (знак). Для их питания напряжение подается от генераторов со знакопеременной величиной.

Статор таких двигателей выполняется магнитопроводом. Его делают из ферромагнитных пластин с пазами, в которые помещают витки обмотки с конфигурацией рамки (катушки).

На картинке ниже показан принцип работы однофазного двигателя переменного тока с синхронным вращением электромагнитных полей ротора и статора.

В пазах статорного магнитопровода по диаметрально противоположным концам размещены проводники обмотки, схематично показанные в виде рамки, по которой протекает переменный ток.

Рассмотрим случай для момента времени, соответствующего прохождению положительной части его полуволны.

В обоймах подшипника свободно вращается ротор с вмонтированным постоянным магнитом, у которого ярко выражены северный «N рот» и южный «S рот» полюса. При протекании положительной полуволны тока по обмотке статора в ней создается магнитное поле с полюсами «S ст» и «N ст».

Между магнитными полями ротора и статора возникают силы взаимодействия (одноименные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются), которые стремятся повернуть якорь электродвигателя из произвольного положения в окончательное, когда осуществляется максимально близкое расположение противоположных полюсов относительно друг друга.

Если рассматривать этот же случай, но для момента времени, когда по рамочному проводнику протекает обратная — отрицательная полуволна тока, то вращение якоря будет происходить в противоположную сторону.

Для придания непрерывного движения ротору в статоре делают не одну обмотку-рамку, а определенное их количество с таким учетом, чтобы каждая их них питалась от отдельного источника тока.

Принцип работы трехфазного двигателя переменного тока с синхронным вращением электромагнитных полей ротора и статора показан на следующей картинке.

В этой конструкции внутри магнитопровода статора смонтированы три обмотки А, В и С, смещенные на углы 120 градусов между собой. Обмотка А выделена желтым цветом, В — зеленым, а С — красным. Каждая обмотка выполнена такими же рамками, как и в предыдущем случае.

На картинке для каждого случая ток проходит только по одной обмотке в прямом или обратном направлении, которое показано значками «+» и «-».

При прохождении положительной полуволны по фазе А в прямом направлении ось поля ротора занимает горизонтальное положение потому, что магнитные полюса статора формируются в этой плоскости и притягивают подвижный якорь. Разноименные полюса ротора стремятся приблизиться к полюсам статора.

Когда положительная полуволна пойдет по фазе С, то якорь повернется на 60 градусов по ходу часовой стрелки. После подачи тока в фазу В произойдет аналогичный поворот якоря. Каждое очередное протекание тока в очередной фазе следующей обмотки будет вращать ротор.

Если к каждой обмотке подвести сдвинутое по углу 120 градусов напряжение трехфазной сети, то в них будут циркулировать переменные токи, которые раскрутят якорь и создадут его синхронное вращение с подведенным электромагнитным полем.

Эта же механическая конструкция успешно применяется в трехфазном шаговом двигателе . Только в каждую обмотку с помощью управления специальным контроллером (драйвером шагового двигателя) подаются и снимаются импульсы постоянного тока по описанному выше алгоритму.

Их запуск начинает вращательное движение, а прекращение в определенный момент времени обеспечивает дозированный поворот вала и остановку на запрограммированный угол для выполнения определенных технологических операций.

В обеих описанных трехфазных системах возможно изменение направления вращения якоря. Для этого надо просто поменять чередование фаз «А»-«В»-«С» на другое, например, «А»-«С»-«В».

Скорость вращения ротора регулируется продолжительностью периода Т. Его сокращение приводит к ускорению вращения. Величина амплитуды тока в фазе зависит от внутреннего сопротивления обмотки и значения приложенного к ней напряжения. Она определяет величину крутящего момента и мощности электрического двигателя.

Эти конструкции двигателей имеют такой же статорный магнитопровод с обмотками, как и в ранее рассмотренных однофазных и трехфазных моделях. Они получили свое название из-за несинхронного вращения электромагнитных полей якоря и статора. Сделано это за счет усовершенствования конфигурации ротора.

Его сердечник набран из пластин электротехнических марок стали с пазами. В них вмонтированы алюминиевые либо медные тоководы, которые по концам якоря замкнуты токопроводящими кольцами.

Когда к обмоткам статора подводится напряжение, то в обмотке ротора электродвижущей силой наводится электрический ток и создается магнитное поле якоря. При взаимодействии этих электромагнитных полей начинается вращение вала двигателя.

У этой конструкции движение ротора возможно только после того, как возникло вращающееся электромагнитное поле в статоре и оно продолжается в несинхронном режиме работы с ним.

Асинхронные двигатели проще в конструктивном исполнении. Поэтому они дешевле и массово применяются в промышленных установках и бытовой домашней технике.

Взрывозащищенный электродвигатель ABB

Многие рабочие органы промышленных механизмов выполняют возвратно-поступательное или поступательное движение в одной плоскости, необходимое для работы металлообрабатывающих станков, транспортных средств, ударов молота при забивании свай …

Перемещение такого рабочего органа с помощью редукторов, шариковинтовых, ременных передач и подобных механических устройств от вращательного электродвигателя усложняет конструкцию. Современное техническое решение этой проблемы — работа линейного электрического двигателя.

У него статор и ротор вытянуты в виде полос, а не свернуты кольцами, как у вращательных электродвигателей.

Принцип работы заключается в придании возвратно-поступательного линейного перемещения бегуну-ротору за счет передачи электромагнитной энергии от неподвижного статора с незамкнутым магнитопроводом определенной длины. Внутри него поочередным включением тока создается бегущее магнитное поле.

Оно воздействует на обмотку якоря с коллектором. Возникающие в таком двигателе силы перемещают ротор только в линейном направлении по направляющим элементам.

Линейные двигатели конструируются для работы на постоянном или переменном токе, могут работать в синхронном либо асинхронном режиме.

Источник:
http://electricalschool.info/main/osnovy/1603-principy-dejjstvija-i-ustrojjstvo.html

Вращающееся магнитное поле

Принцип получения вращающегося магнитного поля. В основе работы асинхронных двигателей лежит вращающееся магнитное поле, создаваемое МДС обмоток статора.

Принцип получения вращающегося магнитного поля с помощью неподвижной системы проводников заключается в том, что если по системе неподвижных проводников, распределенных в пространстве по окружности, протекают токи, сдвинутые по фазе, то в пространстве создается вращающееся поле. Если система проводников симметрична, а угол сдвига фаз между токами соседних проводников одинаков, то амплитуда индукции вращающегося магнитного поля и скорость постоянны. Если окружность с проводниками развернуть на плоскость, то с помощью подобной системы можно получить «бегущее» поле.

Вращающееся поле переменного тока трехфазной цепи. Рассмотрим получение вращающегося поля на примере трехфазного асинхронного двигателя с тремя обмотками, сдвинутыми по окружности на 120° (рис.3.5) и соединенными звездой. Пусть обмотки статора питаются симметричным трехфазным напряжением со сдвигом фаз напряжений и токов на 120°.

Если для обмотки АХ принять начальную фазу тока равной нулю, тогда мгновенные значения токов имеют вид

Графики токов представлены на рис. 3.6. Примем, что в каждой обмотке всего два провода, занимающие два диаметрально расположенные паза.

Как видно из рис. 3.6, в момент времени to ток в фазе А положительный, а в фазах В и С – отрицательный.

Если ток положительный, то направление тока примем от начала к концу обмотки, что соответствует обозначению знаком «х» в начале обмотки и знаком «·» (точка) в конце обмотки. Пользуясь правилом правоходового винта, легко найти картину распределения магнитного поля для момента времени to (рис. 3.7, а). Ось результирующего магнитного поля с индукцией Втрез расположена горизонтально.

На рис. 3.7, б показана картина магнитного поля в момент времени ti, соответствующий изменению фазы тока на угол = 60°. В этот момент времени токи в фазах А и В положительные, т. е. ток идет в них от начала к концу, а ток в фазе С отрицательный, т. е. идет от конца к началу. Магнитное поле оказывается повернутым по часовой стрелке на угол = 60°. Если угловая частота тока , то . (Здесь , где – частота тока в сети). В моменты времени t2 и t3 ось магнитного поля соответственно повернется на углы и (рис. 3.6, в и г). Через время, равное периоду Т, ось поля займет первоначальное положение. Следовательно, за период Т поле делает один оборот (рис. 3.7, д) ( ()). В рассмотренном случае число полюсов 2р = 2 и магнитное поле вращается с частотой n1=60f1=60∙50=3000 об / мин (f1=50 Гц промышленная частота). Можно доказать, что результирующая магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудой

Читайте также  Какого цвета не существует в природе и почему?

где Вт максимальная индукция одной фазы; Вmрез – максимальная индукция трех фаз; – угол между горизонтальной осью и прямой, соединяющей центр с произвольной точкой между статором и ротором.

Направление вращения поля. В рассмотренном случае направление вращения поля совпадает с направлением движения часовой стрелки. Если поменять местами выводы любых двух фаз питающего напряжения, например B и С, что соответствует обратной последовательности фаз, то направление вращения поля будет противоположным (против движения часовой стрелки), т. е. магнитное поле реверсируется (ср. рис. 3.8).

Формула частоты вращения поля. Если число катушек в каждой фазе увеличить, а сдвиг фаз между токами сохранить в 120°, то частота вращения поля изменится. Например, при двух катушках в каждой фазе, расположенных, как показано на рис. 3.9, поле за один период повернется в пространстве на 180°.

Рис. 3.8 Рис. 3.9 Рис. 3.10

Для получения картины поля возьмем момент времени to, когда ток в фазе А положительный, а токи в фазах В и С отрицательные. Пользуясь правилом знаков для токов находим, что в данном случае число полюсов 2р = 4 или р = 2 и тогда n1 = 60f1 / p = 3000/2 =1500 об/мин. Рассуждая аналогично, для трех катушек в каждой фазе находим картину поля, показанную на рис.3.10. Здесь р = 3 и, следовательно, n1 = 1000 об/мин.

Общая формула для определения частоты вращения, об/мин, будет

Во всех рассмотренных случаях катушки каждой фазы были соединены между собой последовательно. Именно при таком соединении частота вращения поля статора для р = 1, 2 и 3 при f1= 50 Гц составила соответственно 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Параллельное соединение катушек. Покажем, что при переключении катушек из одной фазы в другую и при их параллельном соединении число полюсов поля и, следовательно, частота вращения поля будут отличными от рассмотренных. В качестве примера возьмем по две катушки в каждой фазе и соединим их между собой параллельно так, как показано на рис.3.11,а и в развернутом виде на рис. 3.11,6. Из картины поля видно, что р = 1, а частота вращения n1 = 3000 об/мин. Выше было показано, что при последовательном соединении тех же катушек частота вращения была 1500 об/мин. При частоте тока в в сети 50 Гц частота вращения поля статора определяется из выражения

п1 = 60 f1 / p = 60 ∙50 / p .

Задаваясь различным числом пар полюсов р = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, находим частоту вращения поля. Результаты расчета сведены в табл. 3.1.

Источник:
http://electrono.ru/elektricheskie-mashiny/vrashhayushheesya-magnitnoe-pole

Асинхронные двигатели и получение вращающегося магнитного поля

Асинхронная машина — электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник). По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из пластин электротехнической стали.

Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 °. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличье колесо» из-за внешней схожести конструкции, состоит из алюминиевых (реже медных, латунных) стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора.

На обмотку статора подаётся переменное напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создаёт вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на обмотку ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в ней ЭДС. В обмотке ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Ток в обмотке ротора создаёт собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый зубец магнитопровода ротора действует сила, которая, складываясь по окружности, создаёт вращающий электромагнитный момент, заставляющий ротор вращаться.

Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением:

Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой в обмотке ротора возникает ток. На проводники с током этой обмотки, действуют электромагнитные силы; их суммарное усилие образует электромагнитный вращающий момент, увлекающий ротор вслед за магнитным полем.

Электромагнитный момент асинхронного электродвигателя:

В каждой фазной обмотке статора двигателя переменного тока создается магнитное поле, которое пульсирует вдоль оси этой обмотки.

Однако, эти пульсации сдвинуты во времени на 1/3 периода (120 градусов)

Сложение пульсирующих векторов 3х обмоток в каждый момент времени формируют по правилу параллелограмма.

Источник:
http://studopedia.ru/11_235408_asinhronnie-dvigateli-i-poluchenie-vrashchayushchegosya-magnitnogo-polya.html

Какими способами создается магнитное поле в электродвигателе

Следовательно, МДС якоря F aqx изменяется линейно вдоль его окружности (рис. 8.24, б); под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет максимальное значение. При ненасыщенной магнитной системе магнитная индукция в воздушном зазоре

B aqx = μ 0 F aqx /δ x = μ 0 (x/δ x ) А

Из (8.12) следует, что под полюсом при
δ x = const индукция B aqx изменяется линейно вдоль окружности якоря. Но в межполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т. е. воздушный зазор δ x , и поэтому резко уменьшается индукция B aqx = f(x). В результате кривая распределения индукции B aqx = f(x) приобретает седлообразную форму.

Кривую распределения результирующей индукции В рез = f(x) можно получить алгебраическим сложением ординат кривых B в = f(x) и
B aqx = f(x). Как видно из рис. 8.24, в, эта кривая имеет пики индукции В max под краями главных полюсов.

Таким образом, реакция якоря оказывает неблагоприятное влияние на работу машины постоянного тока: а) физическая нейтраль О’ — О’ (см. рис. 8.23, в) смещается относительно геометрической нейтрали О — О на некоторый угол β; б) искажается кривая распределения индукции В рез = f(x) в воздушном зазоре и возрастает индукция под одним из краев главных полюсов, что ведет к повышению напряжения в секциях, когда их стороны проходят зоны с увеличенной индукцией. Кроме того, как показано ниже, результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается.

Размагничивающее действие поперечного поля реакции якоря. Если магнитная цепь машины не насыщена, то кривая результирующей индукции в воздушном зазоре под действием реакции якоря искажается (рис. 8.24, в), однако площадь ее остается равной площади кривой индукции при холостом ходе (рис. 8.24, а). Следовательно, результирующий поток Ф рез при нагрузке равен потоку Ф в при холостом ходе. Однако при насыщенной магнитной цепи реакция якоря уменьшает поток Ф рез . Чтобы установить влияние МДС F aq на величину потока Ф рез , рассмотрим зависимость результирующей индукции В рез в воздушном зазоре от результирующей МДС F резx = F‘ в ± F aqx , действующей в некоторой точке х зазора (рис. 8.22,б).

Примем, что в машине насыщены только зубцы якоря. Тогда МДС F‘ в расходуется на преодоление магнитного сопротивления одного воздушного зазора и одного зубцового слоя. В точках, лежащих под серединой полюсов, эта МДС создает индукцию В ср = В в , так как в этих точках F aqx = 0. По мере приближения к одному из краев полюса N, например к правому, индукция В рез возрастает до величины В прх , так как здесь действует МДС F’ в + F aqx ; при приближении к другому краю того же полюса (в данном случае к левому) индукция уменьшается до В левх , так как здесь действует МДС F’ в — F aqx . Однако из-за нелинейного характера зависимости В рез = f(x) прирост индукции В прх у правого края полюса меньше, чем снижение индукции В левх у левого края, вследствие чего результирующий поток машины уменьшается (см. косую штриховку в кривой индукции на рис. 8.24, в). Снижение магнитного потока под действием МДС якоря обычно невелико и составляет всего 1 — 3%, однако оно существенно влияет на характеристики генераторов постоянного тока и приводит к уменьшению ЭДС Е машины при нагрузке по сравнению с ЭДС Е 0 при холостом ходе.

Если машина работает при небольших токах возбуждения, т. е. на прямолинейной части (машина не насыщена), то реакция якоря размагничивающего действия не оказывает. Аналогичный эффект получается и при значительном насыщении, когда машина снова работает на прямолинейном участке магнитной характеристики.

Реакция якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали. В этом случае окружность якоря с обмоткой можно разделить на четыре зоны (рис. 8.25). Две из них охватывают стороны секций в пределах угла 2α и образуют продольную МДС F ad = (2α/π) А, а две другие охватывают стороны секций в пределах угла (π — 2α) и образуют поперечную МДС Faq = (π — 2α) А/π.

Продольная МДС Фaq создает продольный поток Фad , который может сильно увеличивать или уменьшать результирующий магнитный поток машины Ф рез в зависимости от того, совпадает МДС F aq с F в или направлена против нее. Направление определяется тем, в какую сторону сдвинуты щетки. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против направления вращения электродвигателя, то продольная МДС F ad размагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении МДС F ad подмагничивает машину. Свойство продольной МДС F ad изменять результирующий магнитный поток Ф рез используется в некоторых специальных машинах, например в электромашинных усилителях с поперечным полем. Поперечная МДС F aq создает магнитный поток Фaq ; она действует на поток Ф рез так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали.

Источник:
http://motor-remont.ru/books/book_002/glava8/8-5.html