Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Электродвигатель — урок. Физика, 8 класс.

Практически важное значение имеет вращение проводника с током в магнитном поле.

 

Поместим квадратную рамку, по которой течёт ток, между полюсами дугообразного магнита перпендикулярно линиям магнитного поля магнита (рис. \(1\)).

 

Рис. \(1\)

 

Тогда со стороны магнитного поля на вертикальные участки рамки будут действовать силы \(F\), направленные перпендикулярно току в рамке. Поскольку в вертикальных участках рамки ток имеет противоположное направление (в левой части рамки — вниз, а в правой — вверх), то и силы, действующие на вертикальные участки рамки, будут одинаковы по модулю, но противоположны по направлению (слева — вперёд, к наблюдателю, а справа — назад, от наблюдателя).

Действие равных по модулю, но противоположных по направлению сил на рамку приведёт к повороту рамки на \(180\)° против часовой стрелки, если смотреть на неё сверху.

Если каким-либо образом в этот момент изменить направление тока в рамке в другую сторону, то рамка сделает ещё пол-оборота против часовой стрелки.

Таким образом, изменяя направление тока в рамке на противоположное каждые пол-оборота, можно заставить рамку вращаться в одну и ту же сторону.

 

На рисунке \(2\) изображён прибор, с помощью которого можно продемонстрировать такое движение. В этом приборе лёгкая прямоугольная рамка \(ABCD\) насажена на вертикальную ось. На рамке уложена обмотка, состоящая из нескольких десятков витков проволоки, покрытой изоляцией. Концы обмотки присоединены к металлическим полукольцам \(2\): один конец обмотки присоединён к одному полукольцу, другой — к другому.

 

Рис. \(2\)

 

Каждое полукольцо прижимается к металлической пластинке — щётке \(1\). Щётки служат для подвода тока от источника к рамке. Одна щётка всегда соединена с положительным полюсом источника, а другая — с отрицательным.

 

Ток в цепи направлен от положительного полюса источника к отрицательному, следовательно, в частях рамки \(AB\) и \(DC\) он имеет противоположное направление. Поэтому эти части проводника будут перемещаться в противоположные стороны, и рамка повернётся.

При повороте рамки присоединённые к её концам полукольца повернутся вместе с ней, и каждое прижмётся к другой щётке, поэтому ток в рамке изменит направление на противоположное. Это нужно для того, чтобы рамка продолжала вращаться в том же направлении.

 

Вращение катушки с током в магнитном поле используется в устройстве электрического двигателя.

 

В технических электродвигателях обмотка состоит из большого числа витков проволоки. Эти витки укладывают в пазы (прорези), сделанные вдоль боковой поверхности железного цилиндра — якоря двигателя (рис. \(3\)). Этот цилиндр нужен для усиления магнитного поля.

 

Рис. \(3\)

 

Магнитное поле, в котором вращается якорь такого двигателя, создаётся сильным электромагнитом. Электромагнит питается током от того же источника тока, что и обмотка якоря. Вал двигателя, проходящий по центральной оси железного цилиндра, соединяют с прибором, который приводится двигателем во вращение.

 

Двигатели постоянного тока нашли особенно широкое применение на транспорте (электровозы, трамваи, троллейбусы).

Есть специальные безыскровые электродвигатели, которые применяют в насосах для выкачивания нефти из скважин.

В промышленности применяют двигатели, работающие на переменном токе.

 

Электрические двигатели обладают рядом преимуществ. При одинаковой мощности они имеют меньшие размеры, чем тепловые двигатели. При работе они не выделяют газов, дыма и пара, а значит, не загрязняют воздух. Им не нужен запас топлива и воды.

Электродвигатели можно установить в удобном месте: на станке, под полом трамвая, на тележке электровоза. Можно изготовить электрический двигатель любой мощности: от нескольких ватт (в электробритвах) до сотен и тысяч киловатт (на экскаваторах, прокатных станах, кораблях).

 

Коэффициент полезного действия мощных электрических двигателей достигает \(98\) %. Такого высокого КПД не имеет никакой другой двигатель.

 

Один из первых в мире электрических двигателей, пригодных для практического применения, был изобретён русским учёным Борисом Семёновичем Якоби в \(1834\) г.

 

Условное обозначение электродвигателя на электрических схемах представлено на рисунке \(4\).

 

Рис. \(4\)

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения

Дмитрий Левкин

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор - неподвижная часть, ротор - вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)

Постоянная скорость вращения синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.

Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора

Статор: вращающееся магнитное поле

На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение. В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется вращающееся магнитное поле можно прочитать в статье "Трехфазный асинхронный электродвигатель".

Взаимодействие между вращающимся (у статора) и постоянным (у ротора) магнитными полями

Ротор: постоянное магнитное поле

Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже. Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля. Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил.

Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом

Скорость с которой вращается магнитное поле может быть вычислена по следующему уравнению:

,

  • где Ns – частота вращения магнитного поля, об/мин,
  • f – частота тока статора, Гц,
  • p – количество пар полюсов.

Это значит, что скорость синхронного электродвигателя может очень точно контролироваться изменением частоты питающего тока. Таким образом эти электродвигатели подходят для высокоточных приложений.

Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?

Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора будет притягиваться к южному полюсу вращающегося магнитного поля, и начнет двигаться в том же направлении.

Но так как ротор имеет определенный момент инерции, его стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля будет замещен северным полюсом. Таким образом появятся отталкивающие силы. В результате чего ротор начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом ротор не сможет запуститься.

Демпферная обмотка - прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Чтобы реализовать самозапуск синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора размещается "беличья клетка", которая также называется демпферной обмоткой. При запуске электродвигателя катушки ротора не возбуждаются. Под действием вращающегося магнитного поля, индуцируется ток в витках "беличьей клетки" и ротор начинает вращаться подобно тому, как запускаются асинхронные двигатели.

Когда ротор достигает своей максимальной скорости, подается питание на обмотку возбуждения ротора. В результате, как говорилось ранее, полюса ротора сцепляются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью.

При вращении ротора с синхронной скоростью, относительное движение между белечьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю. Это значит, что отсутствует ток в короткозамкнутых витках, а следовательно "беличья клетка" не оказывает воздействия на синхронную работу электродвигателя.

Синхронные электродвигатели имеют постоянную скорость независящую от нагрузки (при условии что нагрузка не превышает макимально допустимую). Если момент нагрузки больше, чем момент создаваемый самим электродвигателем, то он выйдет из синхронизма и остановиться. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут быть причинами выхода двигателя из синхронизма.

Синхронные электродвигатели могут также использоваться для улучшения коэффициента мощности системы. Когда единственной целью использования синхронных электродвигателей является улучшение коэффициента мощности их называют

синхронными компенсаторами. В таком случае вал электродвигателя не соединяется с механической нагрузкой и вращается свободно.

Электродвигатели, их классификация

Электрический двигатель — электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую.

В зависимости от назначения, от предполагаемых режимов и условий работы, от типа питания и т. д., все электродвигатели можно классифицировать по нескольким параметрам: по принципу получения рабочего момента, по способу работы, по роду тока питания, по способу управления фазами, по типу возбуждения и т. д. Давайте же рассмотрим классификацию электродвигателей более подробно.

Возникновение вращающего момента

Вращающий момент в электродвигателях может быть получен одним из двух способов: по принципу магнитного гистерезиса либо чисто магнитоэлектрически. Гистерезисный двигатель получает вращающий момент посредством явления гистерезиса во время перемагничивания магнитно-твердого ротора, в то время как у 

магнитоэлектрического двигателя вращающий момент является результатом взаимодействия явных магнитных полюсов ротора и статора.

Магнитоэлектрические двигатели по праву составляют сегодня львиную долю всего обилия электродвигателей, применяемых в очень многих областях. Они подразделяются по роду питающего тока на:

  • двигатели постоянного тока, 
  • двигатели переменного тока, 
  • универсальные двигатели.

В отличие от магнитоэлектрического двигателя, в гистерезисном двигателе допускается перемещение намагниченности ротора относительно его геометрических осей, и именно данная особенность не позволяет распространять на синхронный режим работы гистерезисного двигателя общие закономерности магнитоэлектрического преобразования. 

Классификация электродвигателей

Двигатели постоянного тока

У двигателя, который питается постоянным током, за переключение фаз отвечает сам двигатель. Это значит, что хотя на электрическую машину и подается постоянный ток, тем не менее, благодаря действию внутренних механизмов устройства, магнитное поле оказывается движущимся и становится в состоянии поддерживать вращающий момент ротора (как будто в обмотке статора действует переменный ток).

Устройство и приницип работы электродвигателя постоянного тока: 1 - якорь, 2 - вал, 3 - коллекторные пластины, 4 - щеточный узел, 5 - магнитопровод якоря, 6 - магнитопровод индуктора, 7 - обмотки возбуждения, 8 - корпус индуктора, 9 - боковые крышки, 10 - вентилятор, 11 - лапы, 12 - подшипники.

Электродвигатель постоянного тока состоит из неподвижной части, называемой индуктором, и подвижной части, называемой якорем. В зависимости от исполнения, место обмотки возбуждения на индукторе могут располагаться постоянные магниты, что позволяет упростить конструкцию, но не позволяет регулировать магнитный поток двигателя, влияющий на его скорость.

По способу создания движущегося магнитного поля, двигатели постоянного тока подразделяются на:

  • вентильные (бесколлекторные),
  • коллекторные.

Бесколлекторные двигатели имеют в своей конструкции электронные инверторы, которые и осуществляют переключение фаз. Коллекторные же двигатели традиционно оснащены щеточно-коллекторными узлами, которые призваны чисто механически синхронизировать питание обмоток двигателя с вращением его движущихся частей.

Возбуждение коллекторных двигателей

Коллекторные двигатели по способу возбуждения бывают следующих видов: с независимым возбуждением от постоянных магнитов или от электромагнитов, либо с самовозбуждением. Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов содержат магниты на роторе. Двигатели с самовозбуждением имеют на роторе специальную якорную обмотку, которая может быть включена параллельно, последовательно или смешано со специальной обмоткой возбуждения.

Двигатель пульсирующего тока

На двигатель постоянного тока похож двигатель пульсирующего тока. Отличие заключается в наличии шихтованных вставок на остове, а также дополнительных шихтованных полюсов. Кроме того, у двигателя пульсирующего тока имеется компенсационная обмотка. Применение такие двигатели находит в электровозах, где они обычно питается выпрямленным переменным током.

Двигатель переменного тока

Двигатели переменного тока, как ясно из названия, питаются током переменным. Бывают они синхронными и асинхронными. 

У синхронных двигателей переменного тока магнитное поле статора движется с той же угловой скоростью, что и ротор, а у асинхронных всегда есть некое отставание (характеризующееся величиной скольжения s) — магнитное поле статора в своем движении как бы опережает ротор, который в свою очередь все время стремится его догнать.

Синхронные двигатели больших мощностей (мощностью в сотни киловатт) имеют на роторе обмотки возбуждения. Роторы менее мощных синхронных двигателей оснащены постоянными магнитами, которые и образуют полюса. Гистерезисные двигатели тоже в принципе относятся к синхронным.

Шаговые двигатели — это особая категория синхронных двигателей с высокой точностью управления скоростью вращения, вплоть до дискретного счета шагов.

Вентильные синхронные реактивные двигатели получают питание через инвертор.

Асинхронные двигатели переменного тока отличаются тем, что у них угловая скорость вращения ротора всегда меньше чем угловая скорость вращения магнитного поля статора. Асинхронные двигатели бывают однофазными (с пусковой обмоткой), двухфазными (к ним относится и конденсаторный двигатель), трехфазными и многофазными.

Конструкция трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором

Асинхронный электродвигатель состоит и неподвижной (статора) части и подвижной (ротора) частей, которые удерживаются подшипниками 1 и 11, установленными в боковые крышки 3 и 9. Ротор состоит из вала 2, на котором закреплен магнитопровод 5 с обмоткой. Статор двигателя состоит из корпуса 7, к которому прикреплен магнитопровод 6. В пазы магнитопровода уложена трехфазная обмотка 8. Так же к корпусу крепится крышка клеммной коробки 4 и защитный кожух 12 крыльчатки 10.

Фазный ротор имеет трехфазную обмотку, выполненную по типу обмотки статора.  Одни концы катушек соединены в нулевую точку («звезда»), а другие – подключены к контактным кольцам. На кольца наложены щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой ротора. При такой конструкции возможно подсоединение к обмотке ротора пускового или регулировочного реостата, позволяющего менять электрическое сопротивление в цепи ротора.

Асинхронный двигатель с частотным преобразователем для плавного регулирования скороcти вращения вала за счет изменения частоты и питающего напряжения:

Универсальные коллекторные двигатели

Универсальный коллекторнй двигатель может работать хоть от постоянного, хоть от переменного тока (50 Гц). Имеет последовательное возбуждение, используется в бытовых электроприборах, где требуется скорость вращения более высокая чем максимальные для обычных двигателей переменного тока 3000 об/мин. Как правило, мощность таких двигателей не превышает 200 Вт. Встречается тиристорное управление скоростью вращения универсального двигателя.

Усовершенствованная разновидность универсального двигателя — синхронный двигатель с датчиком положения ротора, где роль коллектора выполняет электронный инвертор.

Ранее ЭлектроВести писали, что компания Renault готовит полностью электрическую версию своего маленького хетчбэка – Renault Twingo ZE. Новинка появится уже в этом году.

По материалам: electrik.info.

Электродвигатель - физика, прочее

9


 

 

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Рыбновская средняя образовательная школа № 3»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проект с практической работой по теме «Электродвигатель» Выполнил: Ученик 8 А класса: Никулин Леонид. Проверил: Акшонова С. В. 2016 г.

Содержание:

Введение 3

Цель и задачи работы 4

Основная часть

1. Устройство электродвигателя 5

2. История создания электродвигателя 6

3. Практическая работа 7

Заключение 8

Список использованной литературы 9

Введение.

Слайд №1. Я выбрал тему «Электродвигатель», потому что недавно начал изучать её на уроках физики. Мне захотелось узнать больше об этом чудесном изобретении, поэтому я решил заглянуть за рамки школьной программы.

Цель:

Слайд №2. С помощью справочной литературы и Интернет-ресурсов собрать сведения для подготовки проектной работы «Электрический двигатель».

Задачи:

1. Найти нужную информацию, используя дополнительную справочную литературу;

2. Отобрать необходимые для презентации иллюстрации, фото с помощью Интернета;

3. Систематизировать весь материал, составить план выступления;

4. Создать мультимедийную презентацию, соотнести с планом текста;

5. Выполнить практическую работу и сделать выводы.

Основная часть.

Слайд №3. 1. Устройство электродвигателя.

Слайд №4. Электродвигатель – это электрическая машина, в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Электродвигатели приводят в движение устройства и механизмы, подключенные к ним. Электродвигатель работает на основе эффекта, обнаруженного Майклом Фарадеем в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита возникает непрерывное вращение.

Слайд №5. Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться. В результате рамка повернется в горизонтальное положение, после совершения полуоборота она меняется полярность и вращение продолжается.

Слайд №6. Сегодня существует множество электродвигателей разных конструкций и типов. По типу питания электродвигатели бывают переменного тока (работают напрямую от электросети) и постоянного тока (работают от различных источников питания). По принципу работы бывают синхронные и асинхронные электродвигатели.

Слайд №7 2. История создания электродвигателя.

Слайд №8 Принцип преобразования электрической энергии в механическую энергию был продемонстрирован британским учёным Майклом Фарадеем в 1821 и состоял из свободно висящего провода, окунающегося в ртуть. Постоянный магнит был установлен в середине ванны со ртутью. Когда через провод пропускался ток, провод вращался вокруг магнита, показывая, что ток вызывал магнитное поле вокруг провода.

Слайд №9 В мае 1834 года немецкий и русский физик, академик Императорской Санкт-Петербургской Академии Наук, Борис Семенович (Мориц Герман фон) Якоби, изобрел первый в мире электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала. Мощность двигателя составляла около 15 Вт, частота вращения - 80-120 оборотов в минуту. Позже Якоби довёл мощность электродвигателя до 550 Вт. До этого изобретения существовали только устройства с возвратно-поступательным или качательным движением якоря.

Слайд №10 В 1839 г. Якоби построил лодку с электромагнитным двигателем, который от 69 элементов Грове развивал 1 лошадиную силу и двигал лодку с 14 пассажирами по Неве против течения. Это было первое практическое применение электродвигателя.

Слайд №11 3. Практическая работа.

Мне стало интересно узнать, смогу ли я сам создать свой электродвигатель.

Слайд №12

Слайд №13

Слайд № 14 Заключение.

Современную жизнь без изобретения электродвигателя представить уже невозможно. Ежедневно мы сталкиваемся с приборами, которые работают от электродвигателей. Недалек тот, день, когда все мы пересядем на электромобили, которые не приносят окружающей среде вред, в отличие от автомобилей, работающих на двигателях внутреннего сгорания.

Список использованной литературы:

  1. Учебник по физике 8 класс А. В. Перышкин

  2. Устройство электродвигателя и принцип работы

  3. https://ru.wikipedia.org

  4. http://engineering-solutions.ru/motorcontrol/history

  5. http://www.for-elektro.ru/node/516

9


Электрический двигатель реферат по физике

преобразует ее в угловое перемещение некоторой подвижной части, жестко связанной с указателем. Для перемещения подвижной части необходимо, чтобы действовал вращающий момент. Если на подвижную часть ни какие силы не действуют, то она отклонится на столько, сколько допускает конструкция. Отклонение будет максимальным независимо от величины вращающего момента. Чтобы каждому значению вращающего момента соответствовало свое отклонение подвижной части, необходим противодействующий момент, направленный навстречу вращающему, и возрастающий по мере увеличения угла поворота. Обычно такой противодействующий момент создается одной или двумя спиральными пружинами, которые при повороте подвижной части закручиваются (раскручиваются). Подвижная часть поворачивается до тех пор, пока возрастающий противодействующий момент не окажется, равным вращающему. При необходимости пружины служат для подвода тока; подвижной части прибора. Часто противодействующий момент создается упругими растяжками, на которых подвешивается подвижная часть.

Наличие подвижной части в измерительных механизмах вызывает необходимость в специальных опорных устройствах, создающих возможно меньший момент трения. Момент трения отсутствует в приборах, в которых подвижная часть укреплена на растяжках.

В процессе движения к положению равновесия подвижная часть накопив некоторую кинетическую энергию, по инерции проходит это положение, а затем начинает совершать колебания. Если не принимать специальных мер, время, необходимое для установления отклонения становится недопустимо большим. Для уменьшения времени успокоения используются специальные устройства – успокоители, строятся так, чтобы момент успокоения возникал лишь при движении подвижной части.

Основные технические требования, которым должны удовлетворять электроизмерительные приборы, сформулированы в ГОСТ 22261. Имеются стандарты на отдельные элементы приборов. Например: ГОСТ 9444-74 посвящен растяжкам и подвесам, ГОСТ 23217-78 условным обозначениям, наносимым на приборы. Технические требования охватывают все метрологические характеристики (пределы допускаемых основных и дополнительных погрешностей, цену деления, конечные значения диапазонов измерений, время установления показаний и т. д.), методы испытании, правила приемки. Классы точности также нормируются стандартами. Например, ГОСТ 8711-78 устанавливает следующие классы точности на амперметры и вольтметры: 0,05; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4; 5. Значительный объем информации о принципе действия прибора, возможной предельной погрешности, условий работы может быть извлечен из условных обозначений, нанесенных на циферблат прибора.

На шкалы отсчётного устройства наносятся отметки в виде коротких линий, интервал между которыми называют делением шкалы. Отметки шкалы, снабженные числами, называют числовыми отметками шкалы. Шкалы могут быть равномерными или неравномерными. Наименьшее значение измеряемой величины, указанное на шкале, называют начальным значением шкалы, наибольшее – конечным. Диапазон показаний определяют по начальному и конечному значениям шкалы. Под диапазоном измерений понимают область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерения. При равномерных шкалах обычно диапазон показаний и диапазон измерений совпадают.

Неравномерные шкалы используются в приборах определенного целевого назначения. Вольтметр со шкалой такого типа удобно применять в устройствах, в которых возможны броски напряжения. В стационарном режиме измеряемое

Борис Якоби

Опыты с электричеством

Царское правительство Николая I, которого по праву называли царем-инженером возлагало большие надежды на использование электричества для военного дела. В 1837 году Бориса Семеновича вызвали в столицу для организации серии опытов по оснащению морских судов электродвигателемя. Это стало поводом к окончательному переезду в Россию и получению русского подданства. В 1838 году один из экспериментальных кораблей – небольшой ботик, оснащенный электрическим двигателем, успешно проплыл по Неве, а мины Якоби с электрическими запалами применялись во время Крымской войны. Среди них были самовоспламеняющиеся (гальваноударные) мины, а также оружие с запалом от индукционного устройства. Якоби принадлежит идея создания специальных гальванических подразделений в саперных частях.

Работа над электродвигателем

Свой первый электродвигатель, оснащенный неподвижной и вращающейся частями, Борис Семенович создал в 1834 году. Тогда ему удалось описать принцип беспрерывного вращательного движения. Мотор был выполнен из коммутатора и двух дисков, на которых располагались 16 железных стержней. За один оборот дисков коммутатор изменял полярность до восьми раз. Благодаря силе инерции вал основного двигателя совершал вращения. Питание магнитов установки обеспечивала гальваническая батарея. В течение секунды двигатель поднимал груз до 6 кг на высоту около 30 см, что соответствовало 15 Вт.

Однако в практическом плане устройство было не применимо по причине невысокой мощности и Якоби стал целенаправленно разрабатывать двигатель для использования на транспорте и в производстве. В результате ему удалось создать конструкцию, в устройстве которой сочетались сразу 40 моторов, что позволило существенно увеличить производительность двигателя.

Испытания магнитоэлектрического двигателя прошли осенью 1838 года в Санкт-Петербурге. Мотор был установлен на пассажирской лодке с 12 людьми на борту. Транспортное средство двигалось в противоположных направлениях – как по течению реки, так и против. Его скорость была невелика – всего 2 км/ч. И хотя за семь часов испытаний лодка сумела преодолеть всего около 7 км, но по меркам того времени результат можно назвать выдающимся.

Практически сразу изобретатель приступил к созданию более совершенного устройства и через год прошли новые испытания. На этот раз лодка перевозила 14 человек, но на ней был установлен более мощный двигатель, способный обеспечить движение со скоростью 4 км/ч. Известие об успешном эксперименте моментально облетело весь свет – такого мощного, а главное надежного электродвигателя мир еще не знал. Однако в крупнотоннажном флоте найти ему применение так и не удалось по причине отсутствия полноценного источника питания.

Якоби делал попытки установить свое детище на тележку и таким образом хотел создать электровоз, но довести до конца свою идею не смог. Несмотря на это ученый внес значительный вклад в мировую электротехнику, реализовав три главные идеи получившие свое развитие в будущем:

  • коммутатор с трущимися частями;
  • вращательное движение якоря в электромоторе;
  • магниты в статичной и динамичной частях электродвигателя.

Создание телеграфа

В 30-е годы XIX века ученый мир активно занимался созданием электромагнитного телеграфа. Одним из первых преуспел в этом деле П. Шеллинг, заинтересовавшийся явлением магнитного поля вокруг проводника, по которому движется электрический ток. Впервые его описал датский физик Ганс Христиан Эрстед, но именно Шеллинг сумел перевести это открытие в прикладную плоскость. В 1833 году он сконструировал проводной телеграф, возможности которого демонстрировались в его пятикомнатной квартире на Мойке. Впоследствии ученому поручили провести телеграфную линию между Петергофом и Кронштадтом, для чего Шеллинг впервые в мире создал изолированный кабель на каучуковой основе. Но из-за скорой смерти завершить начатый проект ему не удалось и продолжателем дела ученого стал Якоби.

В 1839 году он проложил подземный телеграф, в конструкции которого были использованы созданные автором приемное и отправочное электромагнитные устройства. Сам аппарат функционировал от манипулятора. Часовой механизм и карандаш, соединенный с якорем электромагнита, перемещали фарфоровую доску и создавали особые зигзагообразные символы. Эта линия соединяла личный кабинет Николая I в Александровском дворце и главное управление путей сообщения.

Позднее телеграф Якоби свяжет Зимний дворец с Главным штабом, а в 1842 году ГУПС (Главное управление путей сообщения) и Публичные здания. В этот период изобретатель выдвинул идею стрелочного телеграфа, который связывал несколько кабинетов императора в Зимнем дворце и дом Юсуповых на Фонтанке. Особенность этой конструкции заключалась в приемной станции, вращающиеся стрелки которой обозначали букву на циферблате, которая транслировалась со стороны передающего устройства.

Электромагнитный телеграф

Новым этапом развития телеграфного дела стала разработка магистрального железнодорожного телеграфа. К работам по его созданию Бориса Семёновича подключил глава северной дирекции строительства Николаевской ж/д П. Мельников. В 1845 году Якоби начал укладку кабеля на опытном участке строящейся магистрали, но сильные морозы внесли коррективы в ход работ. Это побудило ученого предложить новый проект, который был реализован между пассажирским зданием столицы и Обводным каналом. В 1847 году он проложил еще одну линию между Александровским заводом и Московским вокзалом, но из-за возникших разногласий с главой МПС Петром Алексеевичем Клейнмихелем дальнейшие работы были свернуты.

Причиной недопонимания между ученым и чиновником стали эксперименты по разработке более надежной изоляции, в которых Якоби задействовал как традиционные материалы — глину, смолу, шелковые нитки, так и совершенно новые для тех времен, например, гуттаперчу. Однако отсутствие необходимого оборудования вынудило Бориса Семёновича остановить работы и заняться вопросом прокладки воздушных линий. Эта технология выглядела более перспективной и в Старом Свете стали постепенно отказываться от подземных коммуникаций. Клейнмихель отклонил предложение ученого по причине ненадежности подобных конструкций, что привело к разрыву сотрудничества с железнодорожным ведомством.

Тем не менее в 1850 году Якоби удалось изобрести первый на планете буквопечатающий телеграф. Идея российского ученого легла в основу последующих электромагнитных телеграфных аппаратов. В 1854 году он создал свое последнее телеграфное устройство для связи на больших кораблях между капитаном и матросами машинного отделения.

Изобретение электромотора :: Класс!ная физика


Природа электричества и по сей день остается во многом загадочной.
Изобретение же электромотора стало возможным благодаря ряду прозрений. Как, например, у Фарадея, построившего удивительно простой по конструкции, но очень непрактичный электродвигатель.

Первые пригодные к использованию электромоторы представляли собою сложные рычажные механизмы, где движение железной балванки, притягиваемой электромагнитом, преобразовывалось во вращение вала. Одним иэ таких двигателей был двигатель Грюэля. Главный недостаток подобных устройств - значительные потери на трение и неравномерность хода. Вал врашался резкими толчками. Однако сегодня дальние потомки таких двигателей применяются в некоторых наручных часах.

Большинство современных электромоторов возникли в результате постижения принципа обратимости.
Если электрогенератор питать электричеством, он превращается в электромотор.

Этот принцип открыл в 1833 году русский академик Э.Х. Ленц. Идея электрогенератора в почти современной его форме вышла из лаборатории Фарадея годом раньше, куда принес чертеж таинственный незнакомец, подписавшийся латинскими буквами «Р М.».

Первый практически пригодный электродвигатель построил в 1834 году русский ученый М. Г. Якоби.
В 1838 году его ставили на пассажирские моторные лодки, которые ходили по Неве. Однако коммерческая жилка у ученого была слаба, и эксперименты с речными судами скоро заглохли.

Лишь в 90 х годах 19 века на Гудзоне, а затем на Темзе появились прогулочные суда с электродвигателями, работающими от свинцовых аккумуляторов. Одну из таких лодок, созданных американцем Рекенцауном, вы видите на рисунке внизу.


По материалам журнала «ЮТ»


Другие страницы по теме «ТЕХНИКА ПРОШЛОГО»:

Часть 1


Говорящая бумага
Оборонительное сооружение "Линия Мажино"
Газовые фонари
Кем был создан пароход
Орнитоптеры или птицекрылы
Первые источники высоких энергий
Авионы с крыльями летучей мыши
Из истории многозарядного автоматического оружия
Первые граммофоны и усиление звука
От мины до торпеды
Паровые грузовики
Реактивная тяга
Первые диктофоны
Эволюция молота
Из истории вертикального взлета
Удивительные интрациклы
Мины П.Л. Шиллинга
Изобретение электромотора
Бестопочный паровоз
Дискообразные самолеты - начало


Смотри больше:

ЧАСТЬ 1 …. ЧАСТЬ 2 ….


Как работают электродвигатели?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 25 июля 2020 г.

Щелкните выключателем и мгновенно получите власть - как любили наши предки электродвигатели! Вы можете найти их во всем, начиная с электропоезда с дистанционным управлением автомобили - и вы можете быть удивлены, насколько они распространены. Сколько электрических моторы сейчас в комнате с тобой? Наверное, два в вашем компьютере для начала, один круто ездить, а еще один питает охлаждающий вентилятор.Если вы сидите в спальне, вы найдете моторы в фенах и многих игрушки; в ванной - вытяжки и электробритвы; На кухне моторы есть практически во всех устройствах, от стиральных и посудомоечных машин до кофемолок, микроволновых печей и электрических консервных ножей. Электродвигатели зарекомендовали себя как одни из лучших изобретения всех времен. Давайте разберемся и узнаем, как они работай!

Фото: Даже маленькие электродвигатели на удивление тяжелые. Это потому, что они набиты туго намотанной медью и тяжелыми магнитами. Это мотор от старой электрической газонокосилки. Вещь медного цвета в сторону перед осью, с прорезями, находится коммутатор, удерживающий двигатель вращение в том же направлении (как описано ниже).

Как электромагнетизм заставляет двигатель двигаться?

Основная идея электродвигателя очень проста: вы помещаете в него электричество с одного конца, а ось (металлический стержень) вращается на другом конце, давая вам возможность управлять машина какая то.Как это работает на практике? Как именно ваш преобразовать электричество в движение? Чтобы найти ответ на этот вопрос, у нас есть вернуться во времени почти на 200 лет.

Предположим, вы берете кусок обычного провода, превращаете его в большую петлю, и положите его между полюсами мощной постоянной подковы магнит. Теперь, если вы подключите два конца провода к батарее, провод будет прыгать кратко. Удивительно, когда видишь это впервые. Это прямо как по волшебству! Но есть совершенно научный объяснение.Когда электрический ток начинает течь по проводу, он создает магнитное поле вокруг него. Если разместить провод возле постоянного магнит, это временное магнитное поле взаимодействует с постоянным поле магнита. Вы знаете, что два магнита расположены рядом друг с другом либо притягивать, либо отталкивать. Таким же образом временный магнетизм вокруг провода притягивает или отталкивает постоянный магнетизм от магнит, и именно это заставляет проволоку подпрыгивать.

Правило левой руки Флеминга

Вы можете определить направление, в котором будет прыгать провод, используя удобная мнемоника (вспомогательная память), называемая правилом левой руки Флеминга (иногда называется Motor Rule).

Вытяните большой, указательный и второй пальцы левой руки. рука так, чтобы все три были под прямым углом. Если вы укажете вторым пальцем в направлении Течения (который течет от положительного к отрицательная клемма АКБ), а Первая палец в направление поля (которое течет с севера на южный полюс магнит), ваш thuMb будет покажите направление, в котором провод Движется.

Это ...

  • Первый палец = Поле
  • SeCond палец = текущий
  • ЧтМб = Движение

Несколько слов о текущем

Если вас смущает то, что я говорю, что ток течет с положительного на отрицательный, это просто историческое соглашение.Такие люди, как Бенджамин Франклин, помогли разобраться тайна электричества еще в 18 веке, считали, что это поток положительных зарядов, так что она перетекала с положительного на отрицательный. Мы называем эту идею условным током. и до сих пор используют его в таких вещах, как правило левой руки Флеминга. Теперь у нас есть лучшие идеи о том, как электричество работает, мы склонны говорить о токе как о потоке электронов от отрицательного к положительному в направлении , противоположном направлению обычного тока.Когда вы пытаетесь вычислить вращение двигателя или генератора, обязательно помните, что ток означает обычный ток , а не поток электронов.

Как работает электродвигатель - теоретически

Фото: Электрик ремонтирует электродвигатель. на борту авианосца. Блестящий металл, который он использует, может выглядеть как золото, но на самом деле это медь, хороший проводник, который намного дешевле. Фото Джейсона Якобовица любезно предоставлено ВМС США.

Связь между электричеством, магнетизмом и движением изначально была открыл в 1820 году французский физик Андре-Мари Ампер (1775–1867), и это основная наука об электродвигателе. Но если мы хотим превратить это удивительное научное открытие в более практическое немного технологий для питания наших электрических косилок и зубных щеток, мы должны пойти немного дальше. Изобретателями, которые сделали это, были англичане Майкл Фарадей (1791–1867). и Уильям Стерджен (1783–1850) и американец Джозеф Генри (1797–1878).Вот как они пришли к своему гениальному изобретению.

Предположим, мы сгибаем нашу проволоку в квадратную U-образную петлю, так что эффективно два параллельных провода, проходящие через магнитное поле. Один из них отводит электрический ток от нас через провод, а другой один возвращает ток обратно. Потому что ток течет в Правило левой руки Флеминга говорит нам два провода будут двигаться в противоположных направлениях. Другими словами, когда мы включите электричество, один из проводов двинется вверх и другой будет двигаться вниз.

Если бы катушка с проволокой могла продолжать двигаться вот так, она бы вращалась постоянно - и мы будем на пути к созданию электрического мотор. Но этого не может произойти с нашей нынешней настройкой: провода будут быстро запутаться. Не только это, но если бы катушка могла вращаться далеко достаточно, что-нибудь еще случится. Как только катушка достигла вертикали положение, он перевернется, и электрический ток будет течь через него в противоположном направлении. Теперь силы на каждого сторона катушки перевернется.Вместо непрерывного вращения в в том же направлении, он пойдет обратно в том же направлении, в котором только что пришел! Представьте себе электропоезд с таким двигателем: он будет держать перетасовки назад и вперед на месте, фактически никогда не куда угодно.

Как работает электродвигатель - на практике

Есть два способа решить эту проблему. Один из них - использовать своего рода электрический ток, который периодически меняет направление, что известно как переменный ток (AC). В виде небольших батарейных двигатели, которые мы используем дома, лучшее решение - добавить компонент назвал коммутатором концы катушки.(Не беспокойтесь о бессмысленных технических имя: это немного старомодное слово «коммутация» немного похоже на слово «добираться до работы». Это просто означает изменение взад и вперед в одном и том же путь, который коммутируют, означает путешествовать туда и обратно.) В простейшей форме Коммутатор представляет собой металлическое кольцо, разделенное на две отдельные половины и его задача - реверсировать электрический ток в катушке каждый раз, когда катушка вращается на пол-оборота. Один конец катушки прикреплен к каждая половина коммутатора. Электрический ток от аккумулятора подключается к электрическим клеммам двигателя. Они подают электроэнергию в коммутатор через пару свободных разъемы, называемые щетками, сделали либо из кусочков графита (мягкий уголь, похожий на карандаш "свинец") или тонкие отрезки упругого металла, который (как название предполагает) "задела" коммутатор. С коммутатор на месте, когда электричество течет по цепи, катушка будет постоянно вращаться в одном и том же направлении.

Работа: упрощенная схема частей в электрическом мотор. Анимация: как это работает на практике.Обратите внимание, как коммутатор меняет направление тока каждый раз, когда катушка поворачивается. наполовину. Это означает, что сила с каждой стороны катушки всегда толкая в том же направлении, что позволяет катушке вращаться по часовой стрелке.

Такой простой экспериментальный двигатель, как этот, не способен большая мощность. Мы можем увеличить усилие поворота (или крутящий момент) что двигатель может творить тремя способами: либо у нас может быть больше мощный постоянный магнит, или мы можем увеличить электрический ток протекает через провод, или мы можем сделать катушку так, чтобы в ней было много «витки» (петли) очень тонкой проволоки вместо одного «витка» толстой проволоки. На практике двигатель также имеет постоянный магнит, изогнутый в круглой формы, поэтому он почти касается катушки с проволокой, которая вращается внутри него. Чем ближе друг к другу магнит и катушка, тем большее усилие, которое может создать двигатель.

Несмотря на то, что мы описали ряд различных частей, вы можете представить двигатель как имеющий всего два основных компонента:

  • По краю корпуса двигателя находится постоянный магнит (или магниты), который остается статичным, поэтому его называют статором двигателя.
  • Внутри статора находится катушка, установленная на оси, которая вращается с высокой скоростью, и это называется ротором. Ротор также включает в себя коммутатор.

Универсальные двигатели

Такие двигатели постоянного тока

отлично подходят для игрушек с батарейным питанием (таких как модели поездов, радиоуправляемые автомобили или электробритвы), но вы не найдете их во многих бытовых приборах. Мелкие бытовые приборы (например, кофемолки или электрические блендеры) обычно используют так называемые универсальные двигатели , которые могут работать от переменного или постоянного тока. В отличие от простого двигателя постоянного тока, универсальный двигатель имеет электромагнит вместо постоянного магнита, и он получает питание от источника постоянного или переменного тока, который вы питаете:

  • Когда вы питаетесь постоянным током, электромагнит работает как обычный постоянный магнит и создает магнитное поле, которое всегда направлено в одном направлении. Коммутатор меняет направление тока катушки каждый раз, когда катушка переворачивается, как в простом двигателе постоянного тока, поэтому катушка всегда вращается в одном и том же направлении.
  • Когда вы подаете переменный ток, однако, ток, протекающий через электромагнит, и ток, протекающий через катушку , оба, , меняют направление, точно синхронно, поэтому сила, действующая на катушку, всегда в одном направлении, а двигатель всегда вращается по часовой стрелке. или против часовой стрелки.А как насчет коммутатора? Частота тока изменяется намного быстрее, чем вращается двигатель, и, поскольку поле и ток всегда синхронизированы, на самом деле не имеет значения, в каком положении находится коммутатор в любой данный момент.

Анимация: Как работает универсальный двигатель: Электроснабжение питает как магнитное поле, так и вращающуюся катушку. С источником постоянного тока универсальный двигатель работает так же, как и обычный двигатель постоянного тока, как указано выше. При питании от сети переменного тока и магнитное поле, и ток в катушке меняют направление каждый раз, когда изменяется ток питания.Это означает, что сила на катушке всегда направлена ​​в одну сторону.

Фото: Типичный универсальный двигатель: основные части двигателя среднего размера от кофемолки, которая может работать как от постоянного, так и от переменного тока. Серый электромагнит по краю - это статор (статическая часть), и он питается от катушек оранжевого цвета. Обратите внимание на прорези в коллекторе и прижимающиеся к нему угольные щетки, которые обеспечивают питание ротора (вращающейся части). Асинхронные двигатели в таких вещах, как электрические железнодорожные поезда, во много раз больше и мощнее этого, и всегда работают с использованием переменного тока высокого напряжения (AC) вместо постоянного тока низкого напряжения (DC) или переменного тока умеренно низкого напряжения. который приводит в действие универсальные двигатели.

Электродвигатели прочие

В простых двигателях постоянного тока и универсальных двигателях ротор вращается внутри статора. Ротор представляет собой катушку, подключенную к источнику электроэнергии, а статор - это постоянный магнит или электромагнит. Большие двигатели переменного тока (используемые в таких вещах, как заводские машины) работают несколько иначе: они пропускают переменный ток через противоположные пары магнитов, чтобы создать вращающееся магнитное поле, которое «индуцирует» (создает) магнитное поле в роторе двигателя, вызывая это вращаться.Подробнее об этом вы можете прочитать в нашей статье об асинхронных двигателях переменного тока. Если вы возьмете один из этих асинхронных двигателей и «развернете» его так, чтобы статор фактически превратился в длинную непрерывную дорожку, ротор может катиться по нему по прямой. Эта гениальная конструкция известна как линейный двигатель, и вы найдете ее в таких вещах, как заводские машины и плавучие железные дороги «маглев» (магнитная левитация).

Еще одна интересная конструкция - бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC). Статор и ротор эффективно меняются местами, при этом несколько железных катушек статичны в центре и постоянный магнит вращается вокруг них, а коммутатор и щетки заменены электронной схемой.Вы можете прочитать больше в нашей основной статье о мотор-редукторах. Шаговые двигатели, которые вращаются на точно контролируемые углы, представляют собой разновидность бесщеточных двигателей постоянного тока.

Электродвигатели и генераторы

Электродвигатели, генераторы, генераторы переменного тока и громкоговорители объясняются с помощью анимации и схем.
Это ресурсная страница Physclips, многоуровневого мультимедийного введения в физику (загрузите анимацию с этой страницы).

Двигатели постоянного тока

Простой двигатель постоянного тока имеет катушку с проволокой, которая может вращаться в магнитном поле.В ток в катушке подается через две щетки, которые обеспечивают подвижный контакт с разрезное кольцо. Катушка находится в постоянном магнитном поле. Силы приложили на токоведущих проводах создают крутящий момент на катушке. Сила F на проводе длиной L, по которому течет ток i в магнитном поле. B равно iLB, умноженному на синус угла между B и i, который будет равен 90 °, если поля были равномерно вертикальными. Направление F идет справа правило руки *, как показано здесь.Две силы, показанные здесь, равны и противоположны, но они смещены вертикально, поэтому создают крутящий момент. (Силы на две другие стороны катушки действуют по одной и той же линии и поэтому не создают крутящего момента.)
    * Для запоминания направления силы используется ряд различных символов. Некоторые используют правую руку, некоторые - левую. Для студентов, которые знают векторное умножение, легко использовать силу Лоренца напрямую: F = q v X B , откуда F = i dL X Б .Это источник диаграммы, показанной здесь.
Катушку также можно рассматривать как магнитный диполь или небольшой электромагнит, как указано стрелкой SN: согните пальцы правой руки в направление течения, а большой палец - северный полюс. В эскизе Справа изображен электромагнит, образованный катушкой ротора. как постоянный магнит, и тот же крутящий момент (север притягивает юг) действовать для выравнивания центрального магнита.
    Мы используем синий для Северного полюса и красный для Южного. Это просто соглашение, чтобы сделать ориентацию ясной: нет никакой разницы в материалах на обоих концах магнита, и они обычно не окрашиваются в другой цвет.

Обратите внимание на эффект щеток на разрезном кольце . Когда плоскость вращающейся катушки достигает горизонтали, щетки разорвут контакт (теряется не так много, потому что это точка нулевого момента все равно - силы действовать внутрь).Угловой момент катушки переносит ее через этот разрыв точка, и ток затем течет в противоположном направлении, которое меняет направление магнитный диполь. Итак, после прохождения точки останова ротор продолжает движение. повернуть против часовой стрелки и начать выравнивание в обратном направлении. в В следующем тексте я буду в основном использовать картинку «крутящий момент на магните», но имейте в виду, что использование щеток или переменного тока может вызвать появление полюсов электромагнит, о котором идет речь, меняет положение, когда ток меняет направление.

Крутящий момент, создаваемый в течение цикла, зависит от вертикального разделения две силы. Следовательно, это зависит от синуса угла между ось катушки и поле. Однако из-за разрезного кольца оно всегда в том же смысле. Анимация ниже показывает его изменение во времени, а вы можно остановить на любом этапе и проверить направление, приложив правую руку правило.

Двигатели и генераторы

Теперь двигатель постоянного тока также является генератором постоянного тока.Взгляните на следующую анимацию. В катушка, разрезное кольцо, щетки и магнит - это то же оборудование, что и двигатель выше, но катушка вращается, что генерирует ЭДС.

Если вы используете механическую энергию для вращения катушки (N витков, область A) с равномерной угловая скорость ω в магнитном поле B , это создаст в катушке синусоидальную ЭДС. ЭДС (ЭДС или электродвижущая сила - это почти то же самое, что и напряжение). Пусть θ будет угол между B и нормалью к катушке, поэтому магнитный поток φ равен НАБ.cos θ. Закон Фарадея дает:

Приведенную выше анимацию можно назвать генератором постоянного тока. Как и в двигателе постоянного тока, концы катушки соединяются с разрезным кольцом, две половины которого контактируют кистями. Обратите внимание, что щетки и разрезное кольцо «исправляют» создаваемую ЭДС: контакты организованы таким образом, что ток всегда будет течь в одном и том же направление, потому что, когда катушка вращается мимо мертвой точки, где щетки встречаются зазор в кольце, соединения между концами катушки и внешние клеммы перевернуты. ЭДС здесь (без учета мертвой зоны, которая обычно бывает при нулевом напряжении) равна | NBAω sin ωt |, как нарисовано.

Генератор

Если нам нужен AC, нам не нужно исправление, поэтому нам не нужны разрезные кольца. (Этот это хорошая новость, потому что разрезные кольца вызывают искры, озон, радиопомехи и дополнительный износ. Если хочешь Постоянный ток, часто лучше использовать генератор и выпрямлять диоды.)

В следующей анимации две кисти соприкасаются с двумя непрерывными кольцами, поэтому две внешние клеммы всегда подключены к одним и тем же концам катушки.Результатом является не исправленная синусоидальная ЭДС, заданная NBAω sin ωt, который показан на следующей анимации.


Это генератор переменного тока. Преимущества переменного и постоянного тока генераторы сравниваются в разделе ниже. Выше мы видели, что двигатель постоянного тока также является генератором постоянного тока. Точно так же генератор переменного тока также является двигателем переменного тока. Тем не мение, он довольно негибкий. (Смотри как настоящие электродвигатели работают для более подробной информации.)

Задняя ЭДС

Теперь, как показывают первые две анимации, двигатели и генераторы постоянного тока могут быть то же самое.Например, двигатели поездов становятся генераторами, когда поезд замедляется: они преобразуют кинетическую энергию в электрическую и мощность обратно в сеть. В последнее время несколько производителей начали выпуск автомобилей. рационально. В таких автомобилях электродвигатели, используемые для привода автомобиля, также используется для зарядки аккумуляторов при остановке автомобиля - это называется регенеративным торможение.

Итак, вот интересное следствие. Каждый двигатель - это генератор . Это правда, в некотором смысле, даже когда он действует как двигатель.ЭДС, что мотор генерирует называется обратной ЭДС . Обратная ЭДС увеличивается с увеличением скорость из-за закона Фарадея. Итак, если на двигатель нет нагрузки, он очень сильно крутится. быстро и разгоняется до появления обратной ЭДС плюс падение напряжения из-за потерь, равно напряжению питания. Обратную ЭДС можно рассматривать как «регулятор»: он останавливает бесконечно быстро вращающийся двигатель (что избавляет физиков от некоторых затруднений). Когда двигатель загружен, то фаза напряжения становится ближе к фазе тока (начинает выглядят резистивными), и это кажущееся сопротивление дает напряжение.Итак, спина Требуемая ЭДС меньше, и двигатель вращается медленнее. (Чтобы добавить обратно ЭДС, которая является индуктивной, к резистивной составляющей необходимо добавить напряжения которые не совпадают по фазе. См. AC схем.)

Катушки обычно имеют сердечники

На практике (и в отличие от схем, которые мы нарисовали) генераторы и постоянный ток двигатели часто имеют сердечник с высокой проницаемостью внутри катушки, так что большие магнитные поля создаются умеренными токами. Это показано слева в рисунок ниже, на котором статоры (магниты, которые являются статическими) постоянные магниты.

Моторы универсальные

Магниты статора также могут быть выполнены в виде электромагнитов, как показано выше. справа. Два статора намотаны в одном направлении, чтобы поле в том же направлении, а ротор имеет поле, которое дважды меняет направление за цикл, потому что он подключен к щеткам, которые здесь не указаны. Один Преимущество наличия статоров в двигателе состоит в том, что можно сделать двигатель который работает от переменного или постоянного тока, так называемый универсальный двигатель .Когда вы едете у такого мотора с переменным током ток в катушке меняется дважды за каждый цикл (помимо изменений со щеток), а вот полярность статоров изменяется одновременно, поэтому эти изменения отменяются. (К сожалению, кисти еще остались, хотя я спрятал их в этом эскизе.) Для преимуществ и недостатки постоянного магнита по сравнению со статорами с обмоткой см. ниже. Также смотрите больше на универсальных моторах.

Построить простой мотор

Чтобы построить этот простой, но странный мотор, вам понадобятся два довольно сильных магнита. (подойдут редкоземельные магниты диаметром около 10 мм, магниты), жесткий медный провод (не менее 50 см), два провода с крокодиловой зажимы на обоих концах, фонарь на шесть вольт, две банки для безалкогольных напитков, два блока дерева, липкой ленты и острого гвоздя.

Сделайте катушку из жесткого медного провода, чтобы не нуждаться во внешних поддерживать. Намотайте от 5 до 20 витков по кругу диаметром около 20 мм и два конца радиально направлены наружу в противоположных направлениях. Эти цели будут быть одновременно осью и контактами. Если провод имеет лаковую или пластиковую изоляцию, снимите его с концов.

Опоры оси могут быть выполнены из алюминия, поэтому что они создают электрический контакт. Например проткнуть безалкогольный напиток банки с гвоздем, как показано. Расположите два магнита с севера на юг, так что магнитное поле проходит через катушку под прямым углом к оси. Закрепите или приклейте магниты к деревянным блокам (не показаны на схеме), чтобы они оставались на нужной высоте, затем переместите блоки поставить их на место, достаточно близко к катушке. Сначала поверните катушку так что магнитный поток через катушку равен нулю, как показано на схеме.

Теперь возьмем аккумулятор и два провода с зажимами типа «крокодил».Соединять два вывода аккумулятора к двум металлическим опорам для катушка и она должна повернуться.

Обратите внимание, что у этого двигателя есть по крайней мере одна «мертвая зона»: он часто останавливается. в положении, когда на катушке отсутствует крутящий момент. Не уходи он горит слишком долго: он быстро разряжает аккумулятор.

Оптимальное количество витков в катушке зависит от внутреннего сопротивление АКБ, качество опорных контактов и тип провода, поэтому вам следует поэкспериментировать с разными значениями.

Как уже было сказано выше, это тоже генератор, но очень неэффективный. Чтобы увеличить ЭДС, используйте больше витков (может потребоваться использовать более тонкую проволоку и рамку для наматывания.) Вы можете использовать например, электродрель, чтобы быстро повернуть ее, как показано на рисунке выше. Используйте осциллограф, чтобы посмотреть на генерируемую ЭДС. Это переменный или постоянный ток?

У этого двигателя нет разъемного кольца, почему он работает на DC? Проще говоря, если бы он был точно симметричным, это не сработало бы.Однако, если ток в одном полупериоде немного меньше, чем в другом, то средний крутящий момент не будет равен нулю, и, поскольку он вращается достаточно быстро, угловой момент, приобретенный в течение полупериода с большим током, переносит его через полупериод, когда крутящий момент находится в противоположном направлении. По крайней мере, два эффекта могут вызвать асимметрию. Даже если провода полностью зачищены и чистые, контактное сопротивление вряд ли будет одинаковым даже в состоянии покоя. Кроме того, само вращение вызывает прерывистый контакт, поэтому, если во время одной фазы есть более длительные отскоки, этой асимметрии будет достаточно.В принципе, вы можете частично зачистить провода таким образом, чтобы ток был равен нулю за один полупериод.

Альтернативное воплощение простого двигателя Джеймса Тейлор.
Еще более простой двигатель (который к тому же намного проще понять!) - это униполярный двигатель.

Двигатели переменного тока

С помощью переменного тока мы можем изменить направление поля без использования щеток.Это хорошая новость, потому что мы можем избежать дуги, образования озона и омическая потеря энергии, которую могут вызвать щетки. Далее, поскольку кисти контактируют между движущимися поверхностями, они изнашиваются.

Первое, что нужно сделать в двигателе переменного тока, - это создать вращающееся поле. 'Обычный' Переменный ток от 2-х или 3-х контактной розетки - это однофазный переменный ток - он имеет одну синусоидальную разность потенциалов создается только между двумя проводами - активным и нейтральным. (Обратите внимание, что заземляющий провод не пропускает ток, за исключением электрические неисправности.) При однофазном переменном токе можно создать вращающееся поле. за счет генерации двух противофазных токов с помощью, например, конденсатора. В показанном примере два тока сдвинуты по фазе на 90 °, поэтому вертикальный составляющая магнитного поля синусоидальная, а горизонтальная косусоидальная, как показано. Это дает поле, вращающееся против часовой стрелки.

(* Меня попросили объяснить это: из простого AC Теоретически, ни катушки, ни конденсаторы не имеют напряжения в фазе с электрический ток.В конденсаторе напряжение максимально, когда заряд закончил течь на конденсатор и вот-вот начнет стекать. Таким образом, напряжение отстает от тока. В чисто индуктивной катушке падение напряжения является самым большим, когда ток изменяется наиболее быстро, что также когда ток равен нулю. Напряжение (падение) опережает ток. В моторных катушках фазовый угол меньше 90, потому что электрические энергия преобразуется в механическую энергию.)

На этой анимации графики показывают изменение токов во времени. в вертикальной и горизонтальной катушках. График компонент поля B x и B y показывает, что векторная сумма этих двух полей является вращающейся поле. Основное изображение показывает вращающееся поле. Он также показывает полярность магнитов: как указано выше, синий представляет северный полюс, а красный - южный полюс.

Если мы поместим постоянный магнит в эту область вращающегося поля, или если мы положим в катушке, ток которой всегда течет в одном направлении, тогда это становится Синхронный двигатель . В широком диапазоне условий двигатель будет повернуть со скоростью магнитного поля. Если у нас будет много статоров, вместо этого всего двух пар, показанных здесь, то мы могли бы рассматривать его как шаговый двигатель: каждый импульс перемещает ротор на следующую пару задействованных полюсов. Пожалуйста, помните мое предупреждение об идеализированной геометрии: настоящие шаговые двигатели десятки полюсов и довольно сложные геометрические формы!

Двигатели асинхронные

Теперь, поскольку у нас есть изменяющееся во времени магнитное поле, мы можем использовать наведенную ЭДС в катушке - или даже просто вихревые токи в проводнике - чтобы ротор магнит.Правильно, если у вас есть вращающееся магнитное поле, вы можете просто вставил проводник и получается. Это дает несколько преимуществ асинхронные двигатели : отсутствие щеток или коммутатора означает более простое производство, нет износ, отсутствие искр, отсутствие образования озона и отсутствие связанных с этим потерь энергии с ними. Внизу слева схематическое изображение асинхронного двигателя. (Для фотографий настоящие асинхронные двигатели и подробнее см. Индукция. двигатели.)

Анимация справа представляет двигатель с короткозамкнутым ротором .Белка клетка имеет (во всяком случае, в этой упрощенной геометрии!) два круглых проводника, соединенных несколькими прямыми стержнями. Любые два стержня и соединяющие их дуги образуют катушка - на что указывают синие черточки на анимации. (Только два из для простоты показано много возможных схем.)

На этой схеме показано, почему их можно назвать двигателями с короткозамкнутым ротором. Реальность иная: фотографии и подробности см. В разделе «Индукция». моторы. Проблема с показанными асинхронными двигателями и двигателями с короткозамкнутым ротором в этой анимации показано, что конденсаторы высокой стоимости и высокого напряжения дорогие.Одно из решений - двигатель с экранированным полюсом, но его вращающийся поле имеет некоторые направления, в которых крутящий момент небольшой, и имеет тенденцию бежать назад при некоторых условиях. Самый простой способ избежать этого - использовать многофазные двигатели.

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока

Однофазный используется в домашних условиях для приложений с низким энергопотреблением, но у него есть недостатки. Во-первых, он выключается 100 раз в секунду (вы не обратите внимание, что флуоресцентные лампы мигают с такой скоростью, потому что ваши глаза слишком медленные: даже 25 изображений в секунду на экране телевизора достаточно, чтобы дать иллюзия непрерывного движения.) Во-вторых, это делает его неловким для создания вращающихся магнитных полей. По этой причине некоторые высокие мощности (несколько кВт) для бытовых устройств может потребоваться трехфазная установка. Промышленное применение широко использовать трехфазный двигатель, трехфазный асинхронный двигатель является стандартным рабочая лошадка для приложений большой мощности. Три провода (не считая земли) несут три возможных разности потенциалов, которые не совпадают по фазе с каждым другое на 120 °, как показано на анимации ниже. Таким образом, три статора плавно вращающееся поле.(Видеть это ссылку для получения дополнительной информации о трехфазном питании.)

Если поместить постоянный магнит в такой набор статоров, он станет синхронным. трехфазный мотор . На анимации изображена беличья клетка, в которой простота показана только одна из многих петель наведенного тока. Без механической нагрузки, он вращается практически синхронно с вращающимся полем. Ротор не обязательно должен быть беличьей клеткой: фактически любой проводник, который будет переносящие вихревые токи будут вращаться, стремясь следовать за вращающимся полем.Такое расположение может дать асинхронный двигатель , обладающий высокой эффективностью, высокая мощность и высокие крутящие моменты в диапазоне скоростей вращения.

Линейные двигатели

Набор катушек можно использовать для создания магнитного поля, которое переводит, скорее, чем вращается. На паре катушек на анимации ниже подается импульс от слева направо, поэтому область магнитного поля перемещается слева направо. А постоянный или электромагнит будет стремиться следовать за полем. Так что простой плита из проводящего материала, потому что наведенные в ней вихревые токи (не показаны) содержат электромагнит.В качестве альтернативы мы могли бы сказать, что из Фарадея закон, ЭДС в металлической плите всегда индуцируется, чтобы противодействовать любому изменению в магнитном потоке, а силы на токах, вызванные этой ЭДС, сохраняют поток в плите почти постоянный. (Вихревые токи на этой анимации не показаны.)

В качестве альтернативы мы могли бы иметь комплект катушек с питанием в подвижной части, и наводить вихревые токи в рельсе. В любом случае получается линейный двигатель, что было бы полезно, скажем, для поездов на магнитной подвеске.(В анимации геометрия как обычно на этом сайте, в высшей степени идеализирован, и только один вихретоковый ток показано.)

Некоторые примечания к двигателям переменного и постоянного тока для приложений большой мощности

    Этот сайт изначально был написан в помощь старшеклассникам. и учителя в Новом Южном Уэльсе, Австралия, где в новой программе по истории и приложениям физики за счет самой физики, был введен. В новой программе в одной из точек есть следующее: озадачивающее требование: «объясните, что двигатели переменного тока обычно вырабатывают малую мощность и связывают это с их использованием в электроинструментах ".
Двигатели переменного тока используются для приложений с большой мощностью, когда это возможно. Три фазные асинхронные двигатели переменного тока широко используются для приложений большой мощности, в том числе тяжелая индустрия. Однако такие двигатели непригодны, если многофазность недоступна, или трудно доставить. Электропоезда тому пример: строить проще линии электропередач и пантографы, если нужен только один активный проводник, так что это обычно имеет постоянный ток, и многие двигатели поездов работают от постоянного тока. Однако из-за недостатков постоянного тока для высокой мощности, более современные поезда преобразуют постоянный ток в переменный, а затем бегут трехфазные двигатели.

Однофазные асинхронные двигатели имеют проблемы при объединении приложений высокая мощность и гибкие условия нагрузки. Проблема заключается в создании вращающееся поле. Конденсатор может использоваться для подачи тока в один набор катушки впереди, но дорогие высоковольтные конденсаторы стоят дорого. Затененный Вместо них используются полюса, но под некоторыми углами крутящий момент невелик. Если нельзя создают плавно вращающееся поле, и если груз «проскальзывает» далеко за поле, то крутящий момент падает или даже меняется на противоположное.

В электроинструментах и ​​некоторых приборах используются щеточные электродвигатели переменного тока. Кисти вводят потери (плюс образование дуги и озона). Обратная полярность статора 100 раз в секунду. Даже если материал сердечника выбран так, чтобы минимизировать гистерезис потерь («потери в железе»), это способствует неэффективности и возможности перегрева. Эти моторы можно назвать универсальными. двигатели, потому что они могут работать от постоянного тока. Решение дешевое, но грубое и неэффективно. Для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как электроинструменты, неэффективность обычно экономически не важна.

Если доступен только однофазный переменный ток, можно исправить переменный ток и использовать Двигатель постоянного тока. Раньше сильноточные выпрямители были дорогими, но сейчас менее дорогой и более широко используемый. Если вы уверены, что понимаете принципы, пора перейти к Как настоящие электродвигатели работают Джона Стори. Или продолжайте здесь, чтобы найти о громкоговорителях и трансформаторах.


Громкоговорители

Громкоговоритель - это линейный двигатель с небольшим диапазоном.Имеет одиночный ход катушка, которая постоянно, но гибко подключена к источнику напряжения, поэтому нет кистей.
The катушка движется в поле постоянного магнита, который обычно имеет форму для создания максимального усилия на катушке. Подвижная катушка не имеет сердечника, поэтому его масса невелика, и он может быстро ускоряться, что позволяет частота движения. В громкоговорителе катушка прикреплена к легкому весу. бумажный конус, который поддерживается с внутренней и внешней стороны круглыми, плиссированные бумажные «пружины».На фотографии ниже динамик выходит за рамки нормальный верхний предел его перемещения, поэтому катушка видна над полюса магнита.

Для низкочастотного звука с большой длиной волны необходимы большие диффузоры. Показанный ниже динамик имеет диаметр 380 мм. Колонки, предназначенные для низкие частоты называются вуферами. Они имеют большую массу и поэтому трудно быстро разогнаться для высокочастотных звуков. На фотографии ниже часть вырезана, чтобы показать внутренние компоненты.

Твитеры - громкоговорители, предназначенные для высоких частот - могут быть просто динамики аналогичной конструкции, но с небольшими диффузорами и катушками малой массы. В качестве альтернативы они могут использовать пьезоэлектрические кристаллы для перемещения конуса.

Громкоговорители представляют собой линейные двигатели со скромным диапазоном - возможно, десятки мм. Подобные линейные двигатели, хотя, конечно, без бумажного конуса, часто используется для радиального перемещения головки чтения и записи на дисководе.
Громкоговорители как микрофоны
На картинке выше вы можете видеть, что картонная диафрагма (конус динамика) соединена с катушкой провода в магнитном поле. Если звуковая волна перемещает диафрагму, катушка будет двигаться в поле, создавая напряжение. Это принцип динамического микрофона - хотя в большинстве микрофонов диафрагма намного меньше конуса громкоговорителя. Итак, динамик должен работать как микрофон. Хороший проект: все, что вам нужно, это громкоговоритель и два провода для подключения его ко входу осциллографа или микрофонному входу вашего компьютера.Два вопроса: как вы думаете, что масса диффузора и катушки повлияет на частотную характеристику? Как насчет длины волны звуков, которые вы используете?

Предупреждение: настоящие двигатели сложнее

Эскизы двигателей были схемами, чтобы показать принципы. Пожалуйста, не сердитесь, если, когда вы разбираете мотор, он выглядит больше сложно! (Смотри как настоящие электродвигатели работают.) Например, типичный двигатель постоянного тока вероятно, будет иметь много отдельно намотанных катушек для обеспечения более плавного крутящего момента: всегда есть одна катушка, для которой синусоидальный член близок к единице.Это показано ниже для двигателя с обмотанными статорами (вверху) и постоянные статоры (внизу).

Трансформаторы

На фотографии изображен трансформатор, предназначенный для демонстрационных целей: первичная и вторичная катушки четко разделены и могут быть удалены и заменен поднятием верхней части сердечника. Для наших целей отметим что у катушки слева меньше катушек, чем у правой (вставки показать крупные планы).

На эскизе и схеме показан повышающий трансформатор. Чтобы сделать понижающий трансформатор, достаточно разместить источник справа, а нагрузку - слева. ( Важно Примечание по безопасности : для настоящего трансформатора вы можете только «подключить его задом наперед» только после проверки соответствия номинального напряжения.) Итак, как трансформатор работает?

Сердечник (заштрихованный) имеет высокую магнитную проницаемость, т.е. материал, из которого магнитное поле намного легче, чем свободное пространство, из-за ориентации атомных диполей.(На фотографии сердечник сделан из ламинированного мягкого железа.) В результате поле сосредоточено внутри ядра, и почти силовые линии не выходят из ядра. Если следует, что магнитные потоки φ через первичный и вторичный примерно равны, как показано. Из Фарадея По закону ЭДС на каждом витке, будь то первичная или вторичная обмотка, равна -dφ / dt. Если пренебречь сопротивлением и другими потерями в трансформаторе, вывод напряжение равно ЭДС. Для N p витков первичной обмотки, это дает

Для N с витков вторичной обмотки это дает Разделив эти уравнения, мы получим уравнение трансформатора где r - коэффициент поворотов. А что с током? Если пренебречь потерями в трансформатор (см. ниже раздел об эффективности), и если мы предположим, что напряжение и ток имеют одинаковое фазовое соотношение в первичной и вторичный, то из сохранения энергии мы можем записать в устойчивом состоянии:
    Power in = power out, поэтому

    V p I p = V s I s , откуда

    I с / I p = N p / N с = 1 / r.

Так что даром ничего не получишь: если увеличишь напряжение, то уменьшишься. ток (по крайней мере) в тот же коэффициент. Обратите внимание, что на фотографии катушка с большим количеством витков имеет более тонкий провод, потому что она предназначена для меньшего ток, чем тот, с меньшим количеством витков.

В некоторых случаях целью упражнения является уменьшение силы тока. В силе линий передачи, например, потери мощности при нагревании проводов из-за их ненулевое сопротивление пропорционально квадрату тока. Таким образом, передача электроэнергии от электростанции экономит много энергии. в город при очень высоких напряжениях, так что токи невелики.

Наконец, и снова предполагая, что трансформатор идеален, давайте спросим, ​​что резистор во вторичной цепи «похож» на первичную цепь. В первичном контуре:

    V p = V s / r и I p = Я s .r так

    V p / I p = V s / r 2 I s = Р / р 2 .

R / r 2 называется отраженным сопротивлением . При условии, что частота не слишком велика и при наличии сопротивления нагрузки (условия обычно встречается в практических трансформаторах), индуктивное сопротивление первичной намного меньше, чем это отраженное сопротивление, поэтому первичная цепь ведет себя как если бы источник управлял резистором номиналом R / r 2 .
КПД трансформаторов
На практике реальные трансформаторы имеют КПД менее 100%.
  • Во-первых, это резистивные потери в катушках (потеря мощности I 2 .r). Для данного материала сопротивление катушек можно уменьшить, сделав их сечение большое. Удельное сопротивление также можно сделать низким, используя медь высокой чистоты. (См. Дрейф скорости и закон Ома.)
  • Во-вторых, в сердечнике наблюдаются потери на вихревые токи. Это может быть уменьшается за счет ламинирования сердечника. Ламинирование уменьшает площадь цепей в ядре, и таким образом уменьшите ЭДС Фарадея, и, таким образом, текущий текущий в ядре, и таким образом теряется энергия.
  • В-третьих, в сердечнике есть гистерезисные потери. Магентизация и кривые размагничивания для магнитных материалов часто немного отличаются (гистерезис или зависимость от истории), и это означает, что требуемая энергия намагничивать сердечник (при увеличении тока) не совсем восстанавливается при размагничивании. Разница в энергии теряется в виде тепла в основном.
  • Наконец, геометрический дизайн, а также материал сердечника могут быть оптимизированным для обеспечения того, чтобы магнитный поток в каждой катушке вторичной почти такой же, как и в каждой катушке первичной обмотки.
Подробнее о трансформаторах: генераторы переменного и постоянного тока
Трансформаторы работают только от переменного тока, что является одним из больших преимуществ переменного тока. Трансформеры позволяют понижать 240 В до уровня, удобного для цифровой электроники (всего несколько вольт) или для других приложений с низким энергопотреблением (обычно 12 В). Трансформеры повышайте напряжение для передачи, как упомянуто выше, и понижайте для безопасности распределение. Без трансформаторов потери электроэнергии при распределении сети, и без того высокие, были бы огромными.Возможно преобразование напряжения в DC, но сложнее, чем в AC. Кроме того, такие преобразования часто неэффективно и / или дорого. Дополнительным преимуществом переменного тока является то, что его можно использовать на двигателях переменного тока, которые обычно предпочтительнее двигателей постоянного тока для приложений большой мощности.

Другие ресурсы от нас

Некоторые внешние ссылки на веб-ресурсы по двигателям и генераторам

  • Гиперфизика: Электромоторы с сайта HyperPhysics в штате Джорджия. Отлично сайт в целом , и моторный отсек для этого идеально подходит. Хороший использование веб-графики. Производит двигатели постоянного, переменного тока и асинхронные двигатели и имеет обширный ссылки
  • Громкоговорители .. Еще больше хороших материалов от Государственной Гиперфизики Джорджии. Хорошая графика, хорошие объяснения и ссылки. Этот громкоговоритель сайт также включает в себя вложения.
  • http://members.tripod.com/simplemotor/rsmotor.htm A сайт, описывающий двигатель, построенный студентами.Ссылки на другие двигатели, построенные тот же студент и ссылки также на сайты о моторах.
  • http://www.specamotor.com A сайт, который сортирует двигатели различных производителей в соответствии со спецификациями, введенными пользователем.

В чем разница между постоянными магнитами и наличие электромагнитов в двигателе постоянного тока? Это делает его более эффективным или более могущественный? Или просто дешевле?

Когда я получил этот вопрос на Высшем Доска объявлений школьной физики, я отправил ее Джону Стори, выдающийся астроном и строитель электромобилей.Вот его ответ:

В общем, для маленького мотора намного дешевле использовать постоянные магниты. Материалы для постоянных магнитов продолжают совершенствоваться и стали настолько недорогими что даже правительство иногда присылает вам бессмысленные магниты на холодильник через почту. Постоянные магниты также более эффективны, потому что нет энергии тратится на создание магнитного поля. Так зачем вообще использовать раневое поле Двигатель постоянного тока? Вот несколько причин:

  • Если вы строите действительно большой двигатель, вам понадобится очень большой магнит и в какой-то момент раневое поле может подешеветь, особенно если очень Для создания большого крутящего момента необходимо сильное магнитное поле. Имейте это в виду если вы проектируете поезд. По этой причине в большинстве автомобилей есть стартеры. которые используют поле раны (хотя некоторые современные автомобили теперь используют постоянные магнитные двигатели).
  • У постоянного магнита магнитное поле имеет фиксированное значение (то есть что означает "постоянный"!) Напомним, что крутящий момент, создаваемый двигателем заданная геометрия равна произведению тока через якорь и напряженность магнитного поля. С двигателем с возбужденным полем у вас есть возможность изменения тока через поле и, следовательно, изменения моторные характеристики.Это открывает ряд интересных возможностей; Вы ставите обмотку возбуждения последовательно с якорем, параллельно, или кормить из отдельно контролируемого источника? Пока есть достаточно крутящий момент для преодоления нагрузки на двигатель, внутреннего трения и т. д., чем слабее магнитное поле, тем * быстрее * двигатель будет вращаться (при фиксированной Напряжение). Сначала это может показаться странным, но это правда! Итак, если вы хотите двигатель, который может создавать большой крутящий момент в состоянии покоя, но при этом сильно вращаться скорости при низкой нагрузке (как продвигается конструкция поезда?) раневое поле - вот ответ.
  • Если вы хотите иметь возможность управлять своим двигателем как от переменного, так и от постоянного тока (так называемый «универсальный» двигатель), магнитное поле должно менять полярность каждые полупериод Мощность переменного тока, чтобы крутящий момент на роторе всегда был в одном направлении. Очевидно, что для достижения этой цели вам понадобится мотор с возбужденным полем.

Мнения, выраженные в этих заметках, принадлежат мне и не обязательно отражают политика Университета Нового Южного Уэльса или Школы физики.В анимации сделал Джордж Hatsidimitris.
Джо Вулф / [email protected]/ 61-2-9385 4954 (UT + 10, +11 окт-март)

Простой двигатель | Общество студентов-физиков

Этот эксперимент покажет студентам, как построить простой электродвигатель. Это лучше всего подходит для студентов от 12 лет и старше, так как требует тонкой работы.

МАТЕРИАЛЫ:

Для каждого двигателя вам понадобится одна батарея C, небольшой, но сильный магнит, около трех футов магнитного провода (купите его в Radio Shack, в Интернете или в любом хозяйственном магазине), две английские булавки, резинка, липкая замазка и небольшой кусочек наждачной бумаги.Магнитопровод имеет пластиковое покрытие.

ИНСТРУКЦИИ:

Оберните провод вокруг круглого предмета (например, батареи или, еще лучше, ручки или карандаша), а затем сдвиньте его, чтобы образовалась небольшая катушка (диаметром ~ 1 см), оставив два конца торчащими наружу. как показано на рисунках 1 и 2. Далее нам нужно удалить изоляцию с части концов. С одного конца отшлифуйте покрытие по всей длине проволоки. С другого конца отшлифуйте только нижнюю сторону проволоки.

Затем соберите двигатель, как показано на рисунке 3.Английские булавки прикрепляются к батарее с помощью резиновой ленты, а концы катушки проволоки проходят через отверстия на концах английских булавок. Здесь мы использовали небольшую липкую замазку, чтобы удерживать аккумулятор на столе. Поместите магнит сверху батареи под катушку. Немного покрутите катушку, и она продолжит вращаться сама по себе. (Если это не сработает, попробуйте повернуть его в обратном направлении.) Вы сделали мотор!

ОБЪЯСНЕНИЕ:

Когда электричество проходит через проволочную катушку (как вы это делаете, когда вы подключаете катушку к батарее), вы создаете электромагнитное поле, которое отталкивает катушку от магнита. 1,2 Когда вы вращаете катушку, поскольку одна сторона провода изолирована, вы ненадолго прерываете цепь, поэтому катушка продолжает вращаться, используя свой импульс. Когда цепь снова замыкается, магнитное поле снова отталкивает катушку, поэтому она продолжает вращаться. Мотор может продолжать вращаться, пока батарея не разрядится!

ФИЗИКА:

Электрический ток через любой проводник создает магнитное поле. Это было обнаружено (некоторые говорят, случайно) Гансом Кристианом Эрстедом в 1820 году, когда он заметил, что находящаяся рядом стрелка компаса отклонилась, когда он включил свое электрическое оборудование. Вы можете увидеть тот же эффект с вашей схемой катушки и компасом. 1,2

Намотка провода в катушку увеличивает силу магнитного поля до тех пор, пока момент инерции остается небольшим.

Принципы работы этого двигателя совпадают с принципами работы всех двигателей. Все эти двигатели превращают электромагнитную энергию в кинетическую. Генераторы работают противоположным образом, превращая кинетическую энергию в электромагнитную (и на самом деле вы можете превращать двигатели в генераторы и наоборот, хотя иногда это требует небольшой работы).

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ, КОТОРЫЕ СЛЕДУЕТ ОЖИДАТЬ:

Почему это не работает?
Этот относительно простой двигатель потребует некоторого терпения. Ответом на этот наиболее частый вопрос может быть ряд вопросов. Попробуйте устранить неполадки:

Убедитесь, что английские булавки имеют хороший контакт с клеммами аккумулятора.

  • Убедитесь, что вы не зачистили слишком много изоляции провода - на одном конце должна быть достаточно изоляции с одной стороны, чтобы цепь не разорвалась при вращении катушки.
  • Если катушка слишком сильно наклонена в одну сторону, возможно, вам придется перемотать ее, чтобы она была более симметричной.
  • Попробуйте повернуть катушку в другом направлении.

ПОДРОБНЕЕ:

Инструкции по созданию еще более простого двигателя с использованием батареи, магнита, провода и шурупа для гипсокартона можно найти здесь. Остерегайтесь этого и используйте защиту для глаз, так как винт может вылететь.
http://www.evilmadscientist.com/2006/how-to-make-the-simplest-electric-motor/

Инструкции по созданию более совершенного двигателя, который не требует толчка для начала работы, можно найти в «Учитель физики», журнал AAPT, «Разработка нового метода сборки биполярного двигателя постоянного тока в качестве учебного материала.”
https://aapt.scitation.org/doi/10.1119/1.4981037

Ссылки

  1. Р. П. Фейнман, Р. Б. Лейтон и Л. Л. Сэндс, Лекции Фейнмана, т. 1 (Addison-Wesley, 1963-1965), глава 16.
  2. Р. Д. Найт, Б. Джонс и С. Филд, Физика колледжа, 3-е изд. (Пирсон, Сан-Франциско, Калифорния, 2014 г.).

Электродвигатель | IOPSpark

Магнитная сила

Электричество и магнетизм

Электродвигатель

Практическая деятельность для 14-16

Практический класс

Мотор использует поле катапульты.

Аппаратура и материалы

На каждую студенческую группу

Примечания по охране труда и технике безопасности

Прочтите наше стандартное руководство по охране труда

Для изготовления подобных электродвигателей имеются наборы

.

Якорь изготовлен из деревянного или пластикового блока с алюминиевой трубкой, проходящей через отверстие в древесине. Основание также из дерева или пластика, с отверстиями для заклепок, удерживающих провода.

Этот эксперимент связан с экспериментом

Использование амперметров и измерителя с подвижной катушкой

Процедура

  1. Чтобы сделать коммутатор, сначала изолируйте один конец алюминиевой трубки скотчем. Затем отрежьте два отрезка от резиновой трубки клапана, чтобы получились две резинки, которые надеваются на конец трубки.
  2. Освободите один конец медного провода, покрытого ПВХ, закрепите его петлей, как показано на рисунке, и закрепите на месте с помощью резиновых лент. Обратите внимание, что оголенные провода находятся в той же плоскости, что и катушка, а не под прямым углом к ​​ней. Это очень важно.
  3. Намотайте якорь примерно на десять витков и обрежьте провод, оставив достаточно, чтобы закончить другую сторону коммутатора. Оголите этот конец и закрепите петлей.
  4. Сдвиньте этот конец к липкой ленте на стороне алюминиевой трубки, противоположной исходной петле, под резиновыми лентами, чтобы удерживать оба конца катушки на месте.
  5. Проденьте вязальную спицу через алюминиевую трубку в арматуре. Поддержите его над деревянным основанием с помощью двух шплинтов. Убедитесь, что вязальная спица надежно удерживается, а якорь может свободно вращаться. (Спицы можно вращать так, что спица застревает в ушке шплинта; это способствует жесткости.)
  6. Возьмите еще два отрезка изолированного провода с оголенными концами. Они сформируют кисти и приведут к питанию. Концы загните так, чтобы они упирались в коммутатор.
  7. Вставьте заклепки в отверстия в деревянной основе. Провода от щеток намотайте на заклепки, а свободные концы подключите к блоку питания. (Пока не включайте.) Убедитесь, что провода щетки мягко прижимаются к проводам коммутатора.
  8. Установите магниты плиты на ярмо так, чтобы противоположные полюса были обращены друг к другу. Это обеспечивает магнитное поле.
  9. Вставьте вилку на место под деревянным основанием.
  10. Включить электропитание. Слегка толкните якорь, чтобы он начал вращаться.

Учебные заметки

  • Это будет намного лучше, если вы уже построили модель, а затем предложите учащимся создать свою собственную. Это может быть немного неудобно, особенно для больших пальцев, но как только один ученик научится работать, вскоре последуют другие.
  • Двигатель будет очень легко работать на постоянном токе, но если он сначала вращается с синхронной скоростью, то он также будет работать на переменном токе. Коммутатор позволяет току в якоре реверсировать, так что, например, ток в правой части якоря всегда в одном и том же направлении, заставляя эту сторону подниматься или опускаться и, таким образом, продолжать вращательное движение.
  • Закрученные концы провода, образующего коммутатор, не являются строго обязательными - прямого конца было бы достаточно, - но петля позволяет поддерживать контакт со щетками на протяжении большей части оборота с последующим увеличением мощности.
  • Контакт со щетками, когда катушка находится в горизонтальной плоскости, особенно важен, так как это когда сила на катушке максимальна.
  • Когда двигатель проработал долгое время, щетки загрязняются и имеют высокое сопротивление искрообразованию.Перед повторной сборкой коммутатор необходимо зачистить, а провода обмотать наждачной бумагой и очистить.
  • Для людей с плохими способностями к манипуляциям есть более простой способ сделать коммутатор. Он не так хорош, как первая версия, так как момент трения больше с коммутатором большего диаметра. Вместо липкой ленты на алюминиевую трубку надевают резиновую трубку для обеспечения изоляции. Для закрепления оголенных проволочных петель требуются резинки большего размера, и сборка продолжается, как и раньше.
  • Успех с этим мотором действительно впечатляет, и учащиеся могут захотеть построить его дома со всякими трудностями. Единственная проблема может заключаться в приобретении магнитов. Многие научные центры сейчас продают магниты сами по себе или даже полные моторные комплекты.

Этот эксперимент был проверен на безопасность в июле 2007 г.

  • Видео, показывающее гораздо более простой электродвигатель:

Как работает электродвигатель?

Почти неизбежно вы придете к моменту в своей жизни, когда столкнетесь с несчастным маленьким ребенком и движущейся игрушкой, которая больше не двигается.Вы можете разобрать игрушку, полагаясь на свою удобство, чтобы спасти положение, но, оставшись с грудой компонентов, вы вполне можете задаться вопросом, как эти витки яркой проволоки создают движение. Помимо сломанных игрушек, электродвигатели используются во многих устройствах, которые заставляют наше современное общество двигаться, от автомобилей до часов и охлаждающих вентиляторов в вашем компьютере.

Части электродвигателя

Электродвигатель создает вращательное или круговое движение. Центральная часть двигателя - это цилиндр, называемый якорем или ротором. Якорь удерживает остальные компоненты, а также является частью двигателя, которая вращается. Вокруг якоря находится статор, в котором находятся изолированные катушки с проволокой, обычно медной. Когда к двигателю подается ток, статор создает магнитное поле, которое приводит в движение якорь. В зависимости от конструкции двигателя вы также можете найти щетки или тонкие металлические волокна, которые удерживают ток на противоположной стороне двигателя, когда он вращается.

Как заставить работать

Вы могли заметить, что когда у вас есть два магнита, противоположные полюса притягиваются, а аналогичные полюса отталкиваются.Электродвигатель использует этот принцип для создания крутящего момента или силы вращения. Не электрический ток сам по себе, а создаваемое им магнитное поле генерирует силу, когда электродвигатель находится в движении. Электричество, движущееся по проводу, создает круговое магнитное поле, в котором провод является источником и центром вращения. Когда вы добавляете ток, статор и якорь образуют стабильное магнитное поле и электромагнит, который толкается или вращается в этом поле соответственно.

Различные типы электродвигателей

Базовый двигатель работает от постоянного или постоянного тока, но другие двигатели могут работать от переменного или переменного тока.Батареи вырабатывают постоянный ток, а розетки в вашем доме - переменные. Для того, чтобы двигатель работал от сети переменного тока, необходимы два намотанных магнита, которые не соприкасаются. Они приводят в движение двигатель посредством явления, известного как индукция. Эти асинхронные двигатели являются бесщеточными, так как не требуют физического контакта, который обеспечивает щетка. Некоторые двигатели постоянного тока также являются бесщеточными и вместо этого используют переключатель, который изменяет полярность магнитного поля, чтобы двигатель работал. Универсальные двигатели - это асинхронные двигатели, которые могут использовать любой источник энергии.

Создание простого электродвигателя

Теперь, когда у вас есть основные части и принципы, вы можете играть с концепцией дома. Сделайте катушку из медного провода более низкого сечения и проденьте каждый конец в алюминиевую банку, чтобы подвесить ее. Поместите небольшой сильный магнит с обеих сторон подвешенной катушки, чтобы создать магнитное поле. Если вы прикрепите аккумулятор к обеим банкам с помощью зажимов из крокодиловой кожи, ваша катушка станет электромагнитом, а созданный вами ротор из медной проволоки должен начать вращаться.

ПРОСТОЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Самый простой тип постоянного тока мотор состоит из прямоугольной катушки из меди провод помещен в магнитное поле.
Концы катушки соединены с двумя полуцилиндрами (ну ладно, слегка менее половины), обычно из латунь.
Эти два «полуцилиндра» закреплены на оси. двигателя и вращаются вместе с катушкой.
Они образуют так называемый коммутатор (это другое слово для переключателя).
Две щетки (маленькие угольные блоки) прижимаются к двум половинкам коммутатора пружинами.
Должно быть понятно, что цель коммутатор / щетки должны проводить электрический ток к движущейся катушке провод.
Комбинация латуни и углерода выбрана, потому что они оба являются хорошими проводниками, но также обеспечивают контакт с низким коэффициентом трения .
Рассмотрим сторону a-b катушки.
Обычный ток течет в показанном смысле, и мы можем использовать левую часть Флеминга. правило руки, чтобы предсказать, что сторона a-b катушки будет испытывать силу вниз.
Это неизбежно означает, что сила на другой стороне катушки будет вверх.
Катушка начнет вращаться.
Максимальный крутящий момент на катушке происходит, когда он находится в показанном здесь положении.
После одной четверти оборота крутящий момент снизится до нуля , потому что расстояние по перпендикуляру между двумя силами будет равно нулю (при условии, что поле вокруг катушки во всех точках параллельно зеленой линии).
Вращающаяся катушка будет двигаться под собственным импульсом, и после этого на четверть оборота крутящий момент снова начнет увеличиваться.
Обратите внимание, что это расположение щеток / коллектора гарантирует, что крутящий момент всегда в одном и том же смысле.
В случае, показанном на схеме, сторона катушки слева, будь то сторона a-b или сторона c-d, всегда будет испытывать силу, направленную вниз, потому что всегда быть подключенным к левой щетке.
Простой постоянный ток двигатель может быть построен из легкодоступные биты и кусочки ... см. здесь.

23.3: Обратная ЭДС в электродвигателе

Электродвигатели и генераторы имеют много общего, и на самом деле их можно рассматривать как одно и то же устройство. В электродвигателе ток проходит через катушку в магнитном поле, так что на катушку действует крутящий момент, и она начинает вращаться.В генераторе прикладывают крутящий момент для вращения катушки, тем самым вызывая ток.

Рассмотрим электродвигатель. Когда мы подаем ток на двигатель, катушка начинает вращаться. Но вращающаяся катушка в магнитном поле вызывает индуцированный ток. По закону Ленца индуцированный ток в катушке двигателя должен быть в направлении, противоположном току, который мы вводим, иначе двигатель начал бы вращаться бесконечно быстро. Мы называем этот эффект «обратной ЭДС», поскольку двигатель эффективно действует как батарея, противодействующая току, как показано на Рисунке \ (\ PageIndex {1} \)

. Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Простая схема, иллюстрирующая, как двигатель с сопротивлением \ (R_ {motor} \) будет генерировать «обратную ЭДС», эквивалентную батарее, которая вырабатывает напряжение в направлении для противодействия току от фактической батареи, питающей двигатель, \ (∆V \).

Если вы подключаете электродвигатель к источнику напряжения, сначала электродвигатель находится в состоянии покоя, поэтому не будет обратной ЭДС и ток через цепь будет очень большим (электродвигатели имеют небольшое сопротивление, поэтому электрическая энергия преобразуется в работу а не на прогрев мотора). Когда двигатель начинает вращаться быстрее, обратная ЭДС двигателя растет, уменьшая ток в цепи. Если на двигатель нет нагрузки (т.е. двигатель может вращаться свободно без трения), то скорость вращения двигателя будет увеличиваться до тех пор, пока противоэдс не будет точно соответствовать напряжению, подаваемому на двигатель.Затем двигатель будет вращаться с постоянной скоростью при (почти) отсутствии тока в цепи (если двигатель замедляется, ЭДС уменьшится, а ток увеличится, чтобы ускорить двигатель). Если на двигатель есть нагрузка (потому что он заставляет что-то вращаться), то двигатель будет вращаться со скоростью, меньшей, чем та, которая привела бы к нулевому току, поскольку некоторая часть этого тока теперь используется двигателем для создания крутящий момент.

Вы можете заметить, что свет в вашем доме на короткое время приглушается, когда включается холодильник.Это связано с тем, что в вашем холодильнике используется электродвигатель, который сначала потребляет большой ток при включении, достаточно большой, чтобы вызвать падение напряжения в цепи вашего дома, чтобы наблюдать затемнение вашего света. Вы также можете заметить, что если вы подключите вход или выход фена, фен быстро выключится. В этом случае, перекрывая поток воздуха, вы предотвращаете вращение мотора фена; это приводит к сильному току через его катушку, так как нет обратной ЭДС.У большинства фенов есть автоматический выключатель, который обнаруживает этот большой ток и размыкает цепь, чтобы предотвратить перегрев и плавление катушки в двигателе. В общем, не следует препятствовать вращению электродвигателя, так как это приведет к пропусканию большого тока через электродвигатель, который может расплавить его внутренние компоненты.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *