Для школьников.
Если генераторы вырабатывают электрическую энергию, используя механическую энергию, например падающей воды, то двигатели, наоборот, используя выработанную генераторами энергию, превращают её в механическую энергию, заставляя вращаться ротор двигателя.
Вращательное движение ротора может передаваться, например, диску распилочной машины, в результате чего совершается работа по распиловке доски.
Посмотрим, каков принцип работы двигателей постоянного и переменного тока.
Двигатели постоянного тока
Первый двигатель постоянного тока был создан в 1834 году русским учёным и изобретателем Б.С. Якоби.
Двигатель Якоби состоял из вращающегося диска, по окружности которого были закреплены электромагниты, питающиеся от батареи гальванических элементов.
Такие же электромагниты были укреплены по окружности на неподвижной раме.
При включении постоянного тока подвижные и неподвижные электромагниты притягивались друг к другу и диск приходил во вращательное движение.
Хотя в настоящее время широчайшее распространение получили двигатели переменного тока, но и двигатели постоянного тока тоже нужны.
Двигатели постоянного тока устанавливаются, например, в троллейбусах, трамваях, электропоездах по той причине, что они позволяют плавно и быстро менять скорость движения транспорта.
Питание этих двигателей постоянного тока осуществляется от специальных тяговых выпрямителей подстанций, на которых переменный ток преобразуется в постоянный, а затем подаётся в контактную сеть.
Принцип работы двигателей постоянного тока можно продемонстрировать следующим рисунком, на котором между полюсами постоянного магнита, создающего магнитное поле, расположена проволочная рамка.
Мы знаем, что на проводник, по которому течёт постоянный ток, со стороны магнитного поля действует сила Ампера.
Если в магнитное поле поместить проволочную рамку с током, то сила Ампера будет действовать на каждую сторону рамки. В результате создаётся вращательный момент, стремящийся повернуть рамку так, чтобы плоскость рамки расположилась под прямым углом к направлению магнитного поля.
Если вместо одной рамки взять много рамок, расположенных под некоторыми углами друг к другу на одной оси, и пропустить через них постоянный ток, то они придут во вращение.
Вращающиеся рамки - это ротор двигателя, а неподвижные постоянные магниты - его статор. Вместо постоянного магнита берут электромагнит, что лучше и надёжнее.
На рисунке показано, что постоянное магнитное поле создаётся электромагнитом - это ферромагнитный сердечник с обмоткой, по которой течёт постоянный ток.
При пропускании постоянного тока по рамкам и по обмотке электромагнита (обмотке статора), ротор тотчас придёт во вращение.
Таков упрощённо принцип действия двигателей постоянного тока. Сравните с принципом действия генератора постоянного тока.
Двигатели переменного тока
Самое широкое распространение получили трёхфазные двигатели, как наиболее простые в изготовлении, и экономичные. Создателем этих двигателей (названных асинхронными) явился русский электротехник Доливо - Добровольский.
На следующем рисунке показан трёхфазный двигатель переменного тока в разобранном виде.
Цифрой 1 обозначен статор этого двигателя, представляющий собой полый цилиндр, набранный из тонких листов трансформаторной стали, изолированных друг от друга плёнкой лака. В пазы статора закладываются три обмотки, сдвинутые по фазе на треть периода.
Цифрой 2 обозначен ротор трёхфазного двигателя переменного тока. Он представляет собой цилиндр тоже набранный из листов трансформаторной стали, в его пазы уложены медные или алюминиевые стержни, образующие обмотку ротора.
Очень часто ротор выполняется в виде так называемого "беличьего колеса" (или короткозамкнутого ротора), показанного на следующем рисунке. Строение такого двигателя очень простое. Его ротор не содержит обмотку - это просто замкнутый проводник, состоящий из стержней, концы которых соединены между собой.
Иногда обмотка ротора делается катушечной, тогда одни концы катушек соединяются друг с другом, образуя нулевую точку в схеме звезды, а другие концы присоединяются к трём медным кольцам, изолированным друг от друга и от вала.
Обмотки статора сдвинуты между собой на треть периода. Благодаря этому при пропускании по ним переменного тока образуется результирующее вращающееся магнитное поле.
Впервые существование такого вращающегося магнитного поля продемонстрировал французский физик Араго в 1824 году.
Он показал, что укреплённый на вертикальной оси медный диск, начинает вращаться, если над ним вращать постоянный магнит.
Создание вращающегося магнитного поля в асинхронном двигателе трёхфазного тока, изобретённом Доливо - Добровольским, не требует вращения магнита и не нужны никакие дополнительные устройства.
Здесь вращающееся магнитное поле является результатом сложения трёх полей, имеющих одинаковую частоту, но сдвинутых по фазе на треть периода.
На рисунке а) показано расположение трёх катушек статора двигателя, создающих свои магнитные поля.
На рис. б) дан график изменения магнитной индукции магнитных полей этих катушек во времени.
На следующем рисунке приведено то же самое, но показано ещё образование вращающегося результирующего магнитного поля (жирная синусоида). Из рисунка видно, что результирующее магнитное поле В, созданное обмотками статора, смещается во времени.
Вектор В этого поля равномерно поворачивается, описывая полный оборот за время одного периода тока.
В роторе двигателя, оказавшемся во вращающемся магнитном поле, появляются индукционные токи, на которые со стороны этого поля действует вращательный момент, в результате чего ротор вращается в ту же сторону, что и вращающееся магнитное поля, но с меньшей частотой.
Недостатком асинхронных двигателей переменного тока является невозможность плавного регулирования частоты вращения.
При увеличении нагрузки на двигатель, его частота вращения уменьшается.
Итак, принцип работы асинхронных двигателей основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трёхфазного тока по обмоткам статора, с током, индуцированным полем статора в обмотках ротора (или короткозамкнутом роторе), в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля. Вращающееся магнитное поле увлекает за собой ротор.
Но скорость вращения ротора меньше скорости вращения поля. Поэтому такие двигатели и называются асинхронными.
Асинхронные двигатели, имеющие не короткозамкнутый ротор, а имеющие обмотку на роторе и контактные кольца, могут развивать большие усилия при трогании с места, поэтому они чаще всего применяются на подъёмных кранах.
В тех случаях, когда нужна постоянная скорость вращения приводных механизмов, применяются синхронные двигатели.
Синхронными называются двигатели, в которых ротор вращается синхронно с полем статора, то есть с такой же скоростью.
Синхронные двигатели начинают работать так же как и асинхронные. Но когда скорость вращения ротора приблизится к синхронной, в обмотку ротора подаётся постоянный ток.
Ротор при этом превращается в электромагнит, а взаимодействие поля статора с полем ротора приводит к тому, что они начинают вращаться синхронно.
Эта синхронность сохраняется и при изменении нагрузки на двигатель. Поэтому синхронные двигатели применяются там, где требуется постоянная скорость движения независимо от нагрузки: в эскалаторах, больших водяных насосах, в электрических часах и др.
Однофазные двигатели переменного тока разных конструкций и размеров нашли широкое применение в быту в разных приборах: холодильниках, пылесосах, стиральных машинах, дрелях, пилах и многих других.
Итак, в основе работы двигателей и постоянного, и переменного тока, как и в основе работы генераторов, лежит явление электромагнитной индукции.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Спасибо.
Предыдущая запись: Трёхфазный переменный ток. Генераторы трёхфазного тока.
Следующая запись : Характеристики переменного тока. Переменный ток в цепях, содержащих только активное сопротивление.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58 .
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .