Электродвигатели и генераторы

двигатели постоянного тока

• * Для запоминания направления силы используется ряд различных нэмоник.Кто-то использует правую руку, кто-то левую.Для студентов, знающихвекторное умножение, легко использовать силу Лоренца напрямую:Ф= двИксБ, откудаФ= ядлИксБ.Это происхождение диаграммы, показанной здесь.

• Повсюду мы используем синий цвет для Северного полюса и красный для Южного.Это просто условность, чтобы прояснить ориентацию: нет разницы в материале на обоих концах магнита, и они обычно не окрашены в разные цвета.

Обратите внимание на эффект откистинаразрезное кольцо.Когда плоскость вращающейся катушки станет горизонтальной, щетки разорвут контакт (потеря незначительна, потому что это и так точка нулевого крутящего момента — силы действуют внутрь).Угловой момент катушки переносит ее через эту точку разрыва, и затем ток течет в противоположном направлении, что меняет направление магнитного диполя.Итак, после прохождения точки излома ротор продолжает вращаться против часовой стрелки и начинает выравниваться в противоположном направлении.В следующем тексте я буду в основном использовать изображение «крутящий момент на магните», но имейте в виду, что использование щеток или переменного тока может привести к тому, что полюса рассматриваемого электромагнита поменяются местами, когда ток изменит направление.

Крутящий момент, создаваемый за цикл, зависит от вертикального разделения двух сил.Поэтому оно зависит от синуса угла между осью катушки и полем.Однако из-за разрезного кольца это всегда в одном и том же смысле.Анимация ниже показывает его изменение во времени, и вы можете остановить его на любом этапе и проверить направление, применив правило правой руки.
 

Двигатели и генераторы

Если использовать механическую энергию для вращения катушки (N витков, площадь A) с постоянной угловой скоростью ω в магнитном полеБ, в катушке возникает синусоидальная ЭДС.ЭДС (ЭДС или электродвижущая сила — это почти то же самое, что и напряжение).Пусть θ — угол междуБи нормаль к катушке, поэтому магнитный поток φ равен NAB.cos θ.Закон Фарадея дает:

• ЭДС = - dφ/dt = - (d/dt) (NBA cos θ)

  = NBA sin θ (dθ/dt) = NBAω sin ωt.

Генератор

В следующей анимации две щетки контактируют с двумя непрерывными кольцами, поэтому два внешних контакта всегда подключены к одним и тем же концам катушки.Результатом является невыпрямленная синусоидальная ЭДС, определяемая NBAω sin ωt, которая показана в следующей анимации.

обратная ЭДС

Итак, вот интересное следствие.Каждый двигатель является генератором.В некотором смысле это верно, даже когда он функционирует как двигатель.ЭДС, которую создает двигатель, называетсяобратная ЭДС.Обратная ЭДС увеличивается со скоростью из-за закона Фарадея.Так, если двигатель без нагрузки, он вращается очень быстро и разгоняется до тех пор, пока противо-ЭДС плюс падение напряжения из-за потерь не сравняются с напряжением питания.Обратную ЭДС можно рассматривать как «регулятор»: она останавливает бесконечно быстрое вращение двигателя (тем самым избавляя физиков от некоторого затруднения).Когда двигатель нагружен, фаза напряжения становится ближе к фазе тока (она начинает выглядеть резистивной), и это кажущееся сопротивление дает напряжение.Таким образом, требуемая противо-ЭДС меньше, и двигатель вращается медленнее.(Чтобы добавить обратную ЭДС, которая является индуктивной, к резистивной составляющей, вам нужно добавить напряжения, которые не совпадают по фазе. См.Цепи переменного тока.)

Катушки обычно имеют сердечники

На практике (и в отличие от нарисованных нами схем) генераторы и двигатели постоянного тока часто имеют сердечник с высокой магнитной проницаемостью внутри катушки, так что большие магнитные поля создаются небольшими токами.Это показано слева на рисунке ниже, на которомстаторы(магниты, стационарные) являются постоянными магнитами.

«Универсальные» моторы

Магниты статора тоже можно сделать электромагнитами, как показано выше справа.Два статора намотаны в одном и том же направлении, чтобы создать поле в одном и том же направлении, а ротор имеет поле, которое меняет свое направление дважды за цикл, потому что он соединен со щетками, которые здесь не показаны.Одним из преимуществ обмотки статоров в двигателе является то, что можно сделать двигатель, работающий на переменном или постоянном токе, т. н.универсальный двигатель.Когда вы приводите такой двигатель в действие переменным током, ток в катушке изменяется дважды в каждом цикле (помимо изменений от щеток), но при этом меняется полярность статоров, поэтому эти изменения компенсируются.(Однако, к сожалению, щетки все еще есть, хотя я и спрятал их в этом эскизе.) Преимущества и недостатки постоянных магнитов по сравнению со статорами с обмоткой см.ниже.Также смподробнее об универсальных двигателях.

Соберите простой двигатель

Сделайте катушку из жесткой медной проволоки, чтобы она не нуждалась во внешней поддержке.Намотайте от 5 до 20 витков по кругу диаметром около 20 мм так, чтобы два конца были направлены радиально наружу в противоположных направлениях.Эти концы будут и осью, и контактами.Если провод имеет лаковую или пластиковую изоляцию, зачистите ее на концах.

двигатели переменного тока

Первое, что нужно сделать в двигателе переменного тока, это создать вращающееся поле.«Обычный» переменный ток от 2- или 3-контактной розетки является однофазным переменным током — он имеет одну синусоидальную разность потенциалов, генерируемую только между двумя проводами — активным и нейтральным.(Обратите внимание, что по проводу заземления не проходит ток, за исключением случаев электрических неисправностей.) При однофазном переменном токе можно создать вращающееся поле, генерируя два тока, которые не совпадают по фазе, используя, например, конденсатор.В показанном примере два тока сдвинуты по фазе на 90 °, поэтому вертикальная составляющая магнитного поля синусоидальна, а горизонтальная - косусоидальна, как показано.Это дает поле, вращающееся против часовой стрелки.

(* Меня попросили объяснить это: от простоготеория переменного тока, ни катушки, ни конденсаторы не имеют напряжения в фазе с током.В конденсаторе напряжение является максимальным, когда заряд закончил поступать на конденсатор и вот-вот начнет стекать.Таким образом, напряжение отстает от тока.В чисто индуктивной катушке падение напряжения наибольшее, когда ток изменяется наиболее быстро, то есть когда ток равен нулю.Напряжение (падение) опережает ток.В катушках двигателя фазовый угол меньше 90¡, потому что электрическая энергия преобразуется в механическую.)

На этой анимации графики показывают изменение во времени токов в вертикальных и горизонтальных катушках.График компонентов поля B_Икси Б_упоказывает, что векторная сумма этих двух полей является вращающимся полем.На основном рисунке показано вращающееся поле.Он также показывает полярность магнитов: как и выше, синий представляет собой северный полюс, а красный — южный полюс.

Если мы поместим постоянный магнит в эту область вращающегося поля или поместим катушку, ток которой всегда течет в одном и том же направлении, то это станетсинхронный двигатель.В широком диапазоне условий двигатель будет вращаться со скоростью магнитного поля.Если бы у нас было много статоров, а не только две пары, показанные здесь, то мы могли бы рассматривать его как шаговый двигатель: каждый импульс перемещает ротор к следующей паре задействованных полюсов.Пожалуйста, помните мое предупреждение об идеализированной геометрии: настоящие шаговые двигатели имеют десятки полюсов и довольно сложную геометрию!

Асинхронные двигатели

Анимация справа представляетдвигатель с короткозамкнутым ротором.Беличья клетка имеет (во всяком случае, в этой упрощенной геометрии!) два круглых проводника, соединенных несколькими прямыми стержнями.Любые два стержня и дуги, которые их соединяют, образуют спираль, как показано синими штрихами на анимации.(Для простоты показаны только две из многих возможных схем.)

Эта схема показывает, почему их можно назвать двигателями с короткозамкнутым ротором.Реальность другая: фото и подробности см.Асинхронные двигатели.Проблема с асинхронными двигателями и двигателями с короткозамкнутым ротором, показанными на этой анимации, заключается в том, что конденсаторы высокой емкости и высокого напряжения стоят дорого.Одним из решений является двигатель с «заштрихованными полюсами», но его вращающееся поле имеет некоторые направления, где крутящий момент мал, и при некоторых условиях он имеет тенденцию работать в обратном направлении.Самый лучший способ избежать этого — использовать многофазные двигатели.

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока

Если в такой набор статоров поместить постоянный магнит, он станетсинхронный трехфазный двигатель.Анимация показывает беличью клетку, в которой для простоты показана только одна из множества петель индуцированного тока.Без механической нагрузки он вращается практически синхронно с вращающимся полем.Ротор не обязательно должен быть беличьей клеткой: на самом деле любой проводник, по которому будут проходить вихревые токи, будет вращаться, стремясь следовать за вращающимся полем.Такое расположение может датьИндукционный двигательОбладает высокой эффективностью, высокой мощностью и высоким крутящим моментом в диапазоне скоростей вращения.

Линейные двигатели