Электрический двигатель
презентация к уроку по физике (8 класс) на тему
Сила Ампера 1820г. опыт Ампера: одинаково направленные токи – притягиваются, а противоположно направленные – отталкиваются. Сила Ампера – это сила, действующая на проводник с током со стороны внешнего магнитного поля.
Направление силы Ампера Направление I , и связаны правилом левой руки: Вектор внешнего МП – входит в ладонь. Направление I в проводнике – 4 вместе сложенных пальца. Направление , действующей на проводник со стороны внешнего МП – большой отогнутый палец.
Прямой проводник во внешнем МП Прямой проводник, подвешенный на нитях, в зависимости от направления тока в нем, либо втягивается внутрь дугового магнита, либо выталкивается наружу. (проводник расположен перпендикулярно магнита)
Проводящая рамка во внешнем МП Рамка, по которой протекает электрический ток, развернется таким образом, чтобы ее МП совпадало с внешним МП.
Устройство электрического двигателя 1834 г. – Б.С. Якоби создал первый электродвигатель мощностью 15 Вт. 1. Индуктор – создает внешнее МП. 2. Якорь – вращается по действием силы Ампера. 3. Коллектор – обеспечивает непрерывное вращение рамки. 4. Щетки – создают скользящий контакт между электрической цепью и коллектором.
Принцип действия электрического двигателя Статор создает МП. Ток от источника через щетки и коллектор протекает через рамку. Ток в вертикальных частях рамки течет в противоположных направлениях, поэтому силы Ампера, действующие на вертикальные части рамки, направлены в противоположные стороны и поворачивают рамку на Из-за поворота части коллектора поменялись местами, поэтому направление тока в рамке поменялось на противоположное. За счет изменения направления тока в рамке достигается непрерывное вращение ротора. В электродвигателе электрическая энергия превращается в механическую энергию.
Электродвигатели выгоднее тепловых двигателей: КПД > 80% . Регулирование мощности двигателя в широком диапазоне. Не загрязняют окружающую среду. Компактные размеры.
По теме: методические разработки, презентации и конспекты
Л.Р. №9 «Изучение электрического двигателя постоянного тока (на модели)»
Поурочный план, ЛР, интерактивный рисунок устройство, работа электродвигателя.
Методическая разработка урока физики 8 класс. Лабораторная работа № 11 «Изучение электрического двигателя постоянного тока» (к учебнику А.В.Перышкина)
Методическая разработка содержит : презентацию к уроку Лабораторная работа № 11 «Изучение электрического двигателя постоянного тока» и бланк выполнения и отчета лабораторной работы .
Методическая разработка занятия «Тепловые двигатели и КПД тепловых двигателей»
Методическая разработка может быть использования на уроках физики в СПО (10 класс) с базовым уровнем подготовки по физике.
ТВОРЧЕСКИЙ ПРОЕКТ Разработка урока по теме: «Тепловые двигатели. КПД теплового двигателя. За и против…» по дисциплине «Физика»
Подробный план-конспект открытого урока физики по Шадрикову, проведенный в группе по профессии «Повар, кондитер».
Технологическая карта урока физики 8 класса на тему: «Тепловые двигатели. КПД теплового двигателя. Пути совершенствования тепловых двигателей. Холодильник»
Технологическая карта урока физики 8 класса на тему: «Тепловые двигатели. КПД теплового двигателя. Пути совершенствования тепловых двигателей. Холодильник".
конспект урока»Действие магнитного поля на проводник с током. Электрический двигатель»
изучить действие силы магнитного поля на проводник с током; изменение направления этой силы ; устройство электрического двигателя.
Изучение электрического двигателя постоянного тока (на модели).
Лабораторная работаИзучение электрического двигателя постоянного тока (на модели).Цель работы: познакомиться на модели электродвигателя постоянного тока с его .
Электрический двигатель
Электрический двигатель Электрический двигатель — электрическая машина, с помощью которой электрическая энергия преобразуется в механическую, для приведения в движение различных механизмов. Электродвигатель является основным элементом электропривода.
Строение электрического двигателя
Электродвигатели
Электродвигатели постоянного тока
Двигатель постоянного тока состоит из шести основных частей: ротора, статора, коллектора, оси, магнитного поля и щеток. Его основная функция — производить механическую энергию с помощью подаваемого тока. Магнитное поле создается при поддержке двух могущественных агентов, присутствующих на обоих концах. Стационарная часть двигателя известна как статор, который имеет магнитное поле и два магнита вместе с корпусом. Ось и коммутатор помогают ротору вращаться в соответствии с магнитным полем статора. Коммутатор прикреплен к статору с помощью обмотки, по которой течет электричество. При подаче тока из-за разницы крайних значений обмотки и магнитов ротор движется вместе со статором, заставляя двигатель выполнять свои функции. Различные типы двигателей постоянного тока работают по-разному в зависимости от требований, но основной принцип остается неизменным. Наличие пружин и других компонентов в некоторой степени увеличивает стоимость и размеры.
Электродвигатели переменного тока
Есть две основные части двигателя переменного тока, известные как статор и ротор. Статор — это неподвижная часть, вокруг которой есть катушки, которые создают магнитное поле с помощью этого, ротор перемещается при приложении крутящего момента. Есть и другие компоненты двигателя переменного тока, включая подшипник, раму и обмотку, которые помогают в работе. Оба типа двигателей работают по своим принципам. Асинхронный двигатель использует ротор и магнитное поле, которое создается с помощью индуцированного тока, этот тип двигателя также известен как асинхронный двигатель. Второй тип двигателя, синхронный, не зависит от индукции и использует частоту ротора и магнитное поле, которое в этом случае создается с помощью постоянного магнита и имеет более высокую скорость по сравнению с асинхронным двигателем.
Двигатель постоянного тока
Двигатель переменного тока
Используется для крупномасштабных приложений
Используется для небольших приложений
Переменная в большом диапазоне
Коэффициент продуктивности
Двигатели постоянного тока дешевле, но по сравнению с ними тяжелее и больше по размеру.
Двигатели переменного тока более дорогие, но имеют более легкую конструкцию.
Принцип работы электродвигателя
1. Согласно закону Ампера на проводник с током I в магнитном поле будет действовать сила F.
2. Если проводник с током I согнуть в рамку и поместить в магнитное поле, то две стороны рамки, находящиеся под прямым углом к магнитному полю, будут испытывать противоположно направленные силы F.
Принцип работы электродвигателя
3. Силы, действующие на рамку, создают крутящий момент или момент силы, вращающий ее.
4. Производимые электродвигатели имеют несколько витков на якоре, чтобы обеспечить больший постоянный момент.
Принцип работы электродвигателя
5. Магнитное поле может создаваться как магнитами, так и электромагнитами. Электромагнит обычно представляет из себя провод намотанный на сердечник. Таким образом, по закону электромагнитной индукции ток протекающий в рамки будет индуцировать ток в обмотки электромагнита, который в свою очередь будет создавать магнитное поле.
Применение электрических двигателей
Двигатели постоянного тока нашли особенно широкое применение на транспорте (трамваи, троллейбусы, электровозы), в промышленности (для выкачивания нефти из скважины) в быту (в электробритвах). Электродвигатели имеют меньшие размеры по сравнению с тепловыми, а также гораздо более высокий КПД, кроме того они не выделяют газов, дыма и пара, то есть более экологически чистые.
История создания электродвигателя
Первый реальный электрический двигатель представил русско-прусский ученый Борис Якоби в 1834г. Двигатель состоял из двух частей – неподвижной и вращающейся. Его мощность составляла около 15 Вт, а источником тока были гальванические батареи. Опять же из-за маленькой мощности данный двигатель не имел практического применения.
Физика. 10 класс
После того как в 1821 г. М. Фарадеем был впервые продемонстрирован принцип преобразования электромагнитным полем электрической энергии в механическую, учёные и инженеры стали пытаться создать электрический двигатель, который можно было бы использовать на производстве. В 1834 г. русский учёный Б.С. Якоби создал практически пригодный электрический двигатель и опубликовал теоретическую работу «О применении электромагнетизма для приведения в движение машины». 13 сентября 1838 г. лодка, снабжённая колёсами с лопастями, приводимыми во вращение электрическим двигателем, с двенадцатью пассажирами на борту проплыла по реке Неве против течения со скоростью около 3. Это было одно из первых применений электрического двигателя. Трудно представить, но ещё 100 лет назад в очень немногих домах можно было увидеть какое-либо устройство с электрическим двигателем: пыль и сор с пола убирали с помощью веника, кофе мололи и бельё стирали вручную. Даже автомобильные двигатели запускали с помощью специальной рукоятки.
Существует много различных типов электрических двигателей. Мы рассмотрим простейший электрический двигатель постоянного тока, для работы которого использованы основные законы электромагнетизма.
Электрический двигатель постоянного тока — электрическая машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию ( рис. 188.4 ).
Основными частями, необходимыми для работы любой электрической машины постоянного тока, являются ( рис. 188.5 ):
– индуктор — постоянный магнит или электромагнит, создающий магнитное поле (в технических электрических машинах в качестве индуктора, создающего магнитное поле, почти всегда применяют электромагниты);
– якорь — обмотка, в которой при изменении магнитного потока возникает ЭДС индукции. Для того чтобы получать большие магнитные поля там, где находятся обмотки якоря, его снабжают железным сердечником. Концы этого сердечника имеют такую форму, чтобы между полюсами магнита и сердечником оставался лишь небольшой зазор, необходимый для вращения;
– коллектор и скользящие по нему контактные пластинки — электрические щётки, при помощи которых осуществляется соединение обмотки якоря с источником тока.
Вращающуюся часть электрической машины (якорь) называют ротором, а её неподвижную часть (индуктор) — статором.
Если подключить к зажимам электрической машины источник тока и пропустить ток от этого источника через статор и ротор, то взаимодействие их магнитных полей создаст вращающий момент, приводящий в движение ротор. Таким образом, электрическая энергия, подаваемая на зажимы электрической машины, превращается в механическую энергию вращения. Электрическая машина в этом случае работает как электрический двигатель. Соединив вал ротора с нагрузкой, например, с грузоподъёмником, мы можем привести этот грузоподъёмник в движение.
Выясним происхождение сил, которые создают действующий на якорь электродвигателя вращающий момент. При подключении щёток к источнику постоянного напряжения по обмотке якоря проходит электрический ток. На проводники обмотки со стороны магнитного поля индуктора действуют силы Ампера, перпендикулярные к направлениям тока и индукции магнитного поля.
На рисунке 188.6 показаны силы Ампера, действующие на отдельные проводники обмотки, плоскость которой расположена под некоторым углом к направлению индукции магнитного поля. Применяя правило левой руки, можно убедиться, что силы Ампера и , действующие на проводники АK, ED и ВС, параллельны оси вращения . Следовательно, они не создают вращающего момента якоря. Силы Ампера и , действующие на проводники АВ и СD, перпендикулярны оси и создают вращающий момент. Якорь начинает вращаться и тем самым приводит во вращение соответствующие детали технических устройств (троллейбусов, трамваев, электрических бытовых приборов и др.).
Основной рабочей характеристикой электродвигателя постоянного тока является вращающий момент Мвр = 2FrN , создаваемый силами Ампера. Здесь r — радиус ротора, N — число витков в обмотке. Поскольку максимальное значение силы Ампера Fmaх = BIl , то вращающий момент, действующий на рамку с током,
где I — сила тока в обмотке, B — индукция магнитного поля, l — длина проводника. Так как площадь рамки S = 2lr , а ВS = Фmaх — максимальный магнитный поток через рамку, то вращающий момент на валу двигателя можно определить по формуле
Таким образом, вращающий момент электродвигателя постоянного тока прямо пропорционален максимальному магнитному потоку через виток обмотки, силе тока в обмотке якоря и числу витков в обмотке.
Якорь любого электродвигателя состоит из нескольких обмоток ( рис. 188.7 ). Вращающий момент принимает максимальное значение, когда соответствующая обмотка находится в плоскости, параллельной направлению индукции магнитного поля, и равен нулю, когда обмотка находится в плоскости, перпендикулярной направлению индукции. Для того чтобы обеспечить длительное вращение якоря при неизменном направлении вращающего момента, электрический ток в обмотке должен изменять направление через каждые пол-оборота. Это может быть осуществлено следующим образом. При вращении якоря коллектор отключает электрические щётки от одной обмотки и подключает к другой, так что в каждый момент времени ток проходит через обмотку якоря, находящуюся в плоскости, параллельной направлению индукции магнитного поля. Таким образом, вращающий момент сохраняет своё направление, и якорь вращается в одном направлении.
Изменяя силу тока в обмотках якоря, можно регулировать модуль скорости его вращения. Направление вращения можно изменять, изменяя направление тока в обмотке якоря или индуктора.
Простота устройства электродвигателей и управления ими, возможность легко регулировать частоту вращения и хорошие пусковые свойства определили широкое применение их в качестве приводных двигателей для прокатных станов, гребных винтов кораблей, шахтных подъёмных машин, в электрифицированном магистральном, городском и заводском транспорте, дорожно-строительных, ремонтно-отделочных машинах. Электродвигатели часто являются исполнительными звеньями систем автоматического управления и регулирования и т. д.
1. Как устроен электродвигатель постоянного тока?
2. Каково назначение индуктора? якоря? коллектора и щёток?
3. На каком явлении основано действие электродвигателя постоянного тока?
4. От чего зависит вращающий момент электродвигателя постоянного тока?
5. Как можно изменять модуль скорости и направление вращения якоря электродвигателя?
6. Где применяют электродвигатели постоянного тока?
Устройство и принцип работы электродвигателя
Электродвигатель – устройство для преобразования электроэнергии во вращательное движение вращающейся части электрической машины. Преобразование энергии в двигателях происходит за счет взаимодействия магнитных полей обмоток статора и ротора. Эти электрические машины широко используются во всех отраслях промышленности, в качестве привода электротранспорта и инструментов, в системах автоматизации, бытовой техники и так далее.
Существует множество видов электродвигателей, различающихся по принципу действия, конструкции, исполнению и другим признакам. Рассмотрим основные типы этих электрических машин.
По принципу действия различают магнитоэлектрические и гистерезисные электрические машины. Несмотря на простоту конструкции, высокий пусковой момент, последние не получили широкого распространения. Эти электродвигатели имеют высокую цену, низкий коэффициент мощности, ограничивающие их применение. Подавляющее большинство выпускаемых электродвигателей – магнитоэлектрические.
По типу напряжения питания различают:
- Электродвигатели постоянного тока.
- Двигатели переменного тока.
- Универсальные электрические машины.
По конструкции различают электродвигатели с горизонтально и вертикально расположенным валом. Кроме того, электрические машины классифицируют по назначению, климатическому исполнению, степени защиты от попадания влаги и посторонних предметов, мощности и другим параметрам.
Классы электродвигателей:
- Постоянного тока
- Бесщеточные ЕС (электронно-коммутируемые)
- Со щетками
- С последовательным возбуждением
- С параллельным возбуждением
- Со смешанным возбуждением
- С постоянными магнитами
- Переменного тока
- Универсальные
- Синхронные
- Индукционные
- Однофазные
- Трехфазные
Таблица классификации электронных двигателей:
Электродвигатели постоянного тока
Двигатели постоянного тока широко применяются в качестве привода электротранспорта, промышленного оборудования, а также микропривода исполнительных механизмов. Такие электрические машины обладают следующими преимуществами:
- Возможность регулировки частоты вращения путем изменения напряжения в обмотке возбуждения. При этом крутящий момент на валу ДПТ (двигатели постоянного тока) остается неизменным.
- Высокий к.п.д. (коэффициент полезного действия) у машин постоянного тока несколько выше, чем у самых распространенных асинхронных двигателей переменного тока. При неполной нагрузке на валу к.п.д. ДПТ выше на 10-15%.
- Возможность изготовления ДПТ небольших габаритов. Практически все используемые микроприводы рассчитаны на постоянный ток.
- Простота схем управления. Для пуска, реверса и регулирования скорости и момента не требуется сложного электронного оборудования и большого количества аппаратов для коммутации.
- Возможность работы в режиме генератора. Электродвигатели такого типа можно использовать в качестве источников постоянного тока.
- Высокий пусковой момент. ДПТ используют в составе электроприводов кранов, тяговых и грузоподъемных механизмов, где требуется запуск под значительной нагрузкой.
ДПТ различают по способу возбуждения, они бывают:
- С постоянными магнитами. Такие двигатели отличаются малыми габаритами. Основная область их применения – микроприводы.
- С электромагнитным возбуждением.
Электрические машины с электромагнитами такого типа получили самое широкое распространение. Их классифицируют по способу подключения обмотки статора:
- Двигатели с параллельным возбуждением. Обмотки якоря и статора в электрической машине такого типа соединены параллельно. Такие электрические машины не требуют дополнительного источника питания для обмотки возбуждения, скорость вращения ротора практически не зависит от нагрузки. Их используют для привода металлорежущих станков и другого оборудования.
- Электродвигатели с последовательно включенной обмоткой статора. ДПТ этого типа имеют значительный пусковой момент. Их применяют в качестве привода электротранспорта и промышленных установок с необходимостью пуска под нагрузкой.
- Двигатели с независимым возбуждением. Для питания обмотки статора таких электромашин используется независимый источник постоянного тока. ДПТ такого типа отличаются широким диапазоном регулирования скоростей.
- Электрические машины со смешанным возбуждением. Электромагнит возбуждения в таких двигателях поделен на 2 части. Одна из них включена параллельно, вторая последовательно обмотке якоря. Электрические машины такого типа используются в механизмах и оборудовании, где необходим высокий пусковой момент, а также переменная и постоянная скорость при переменном моменте.
Электродвигатели переменного тока
Электрические машины такого типа широко используют для приводов всех типов технологического оборудования, электроинструментов, автоматических регуляторов. По наличию разности между скоростью вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора различают синхронные и асинхронные двигатели.
Асинхронные электродвигатели
Благодаря дешевизне и простоте конструкции электрические машины такого типа получили самое широкое распространение. Их принципиальное отличие – наличие так называемого скольжения. Это разность между частотой вращения магнитного поля неподвижной части электрической машины и скоростью вращение ротора. Напряжение на вращающейся части индуцируется за счет переменного магнитного поля обмоток статора двигателя. Вращение вызывает взаимодействие поля электромагнитов неподвижной части и магнитного поля ротора, возникающего под влиянием наведенных в нем вихревых токов. По особенностям обмоток статора выделяют:
- Однофазные двигатели переменного тока. Двигатели такого типа требуют для пуска наличия внешнего фазосдвигающего элемента. Это может быть пусковой конденсатор или индуктивное устройство. Область применения однофазных двигателей – маломощные приводы.
- Двухфазные электрические машины. Такие двигатели имеют 2 обмотки со смещенными относительно друг друга фазами. Их также используют для бытовых устройств и оборудования, имеющего небольшую мощность.
- Трех- и многофазные электродвигатели. Наиболее распространенный тип асинхронных машин. Электрические двигатели такого типа имеют от 3-х и более обмоток статора, сдвинутых по фазе на определенный угол.
По конструкции ротора асинхронные электрические машины делят на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.
Обмотка ротора электрических машин первого типа представляет собой несколько неизолированных стержней, выполненных из сплавов меди или алюминия, замкнутых с двух сторон кольцами (конструкция “беличья клетка”). Асинхронные двигатели такого типа обладают следующими преимуществами:
- Достаточно простая схема пуска. Такие электрические машины можно подключать непосредственно к электрической сети через аппараты коммутации.
- Допустимость кратковременных перегрузок.
- Возможность изготавливать электрические машины высокой мощности. Двигатель такого типа не содержит скользящих контактов, препятствующих наращиванию мощности.
- Относительно простое ТО и ремонт. Асинхронные электромашины имеют несложную конструкцию.
- Невысокая цена. Двигатели асинхронного типа стоят дешевле синхронных машин и ДПТ.
Электрические машины с короткозамкнутым ротором имеют свои недостатки:
- Предельная скорость вращения составляет не более 3000 об/мин при входе в синхронный режим.
- Технически сложная реализация регулирования частоты вращения.
- Высокие пусковые токи при прямом запуске.
Электродвигатели с фазным ротором частично лишены недостатков, присущих машинам с ротором конструкции “беличья клетка”. Вращающаяся часть электрической машины такого типа имеет обмотки, соединенные в схему “звезда”. Напряжение подводится к обмотке через 3 контактных кольца, закрепленных на роторе и изолированных от него.
Такие электродвигатели обладают следующими достоинствами:
- Возможность ограничивать пусковые токи при помощи резистора, включенного в цепь электромагнитов ротора.
- Больший, чем у электромашин с короткозамкнутым ротором, пусковой момент.
- Возможность регулировки скорости.
Недостатками таких двигателей являются относительно большие габариты и масса, высокая цена, более сложный ремонт и сервисное обслуживание.
Синхронные двигатели переменного тока
Как и в асинхронных электродвигателях, вращение ротора в синхронных машинах достигается взаимодействием полей ротора и статора. Скорость вращения ротора таких электрических машин равна частоте магнитного поля, создаваемого обмотками статора.
Обмотка неподвижной части двигателя рассчитана на питание от трехфазного напряжения. К электромагнитам ротора подключается постоянное напряжение. Различают явнополюсные и неявнополюсные обмотки. В синхронных двигателях малой мощности используют постоянные магниты.
Запуск и разгон синхронной машины осуществляется в асинхронном режиме. Для этого на роторе двигателя имеется обмотка конструкции “беличья клетка”. Постоянное напряжение подается на электромагниты только после разгона до номинальной частоты асинхронного режима. Синхронные двигатели имеют следующие особенности:
- Постоянная скорость вращения при переменной нагрузке.
- Высокий к.п.д. и коэффициент мощности.
- Небольшая реактивная составляющая.
- Допустимость перегрузки.
К недостаткам синхронных электродвигателей относятся:
- Высокая цена, относительно сложная конструкция.
- Сложный пуск.
- Необходимость в источнике постоянного напряжения.
- Сложность регулировки скорости вращения и момента на валу.
Все недостатки электрических машин переменного тока можно исправить установкой устройства плавного пуска или частотного преобразователя. Обоснование выбора того или иного устройства обусловлено экономической целесообразностью и требуемыми характеристиками электропривода.
Универсальные двигатели
В отдельную группу выделяют универсальные электродвигатели, которые могут работать от сети переменного тока и от источников постоянного напряжения. Они используются в электроинструментах, бытовой технике, а также других маломощных устройствах. Конструкция такой электрической машины принципиально не отличатся от двигателя постоянного тока. Главное отличие – конструкция магнитной системы и обмоток ротора. Магнитная система состоит из изолированных друг от друга секций для снижения магнитных потерь. Обмотка ротора такой машины поделена на 2 части. При питании от переменного тока напряжение подается только на ее половину. Это делается в целях снижения радиопомех, улучшения условий коммутации.
К преимуществам таких машин относятся:
- Высокая скорость вращения. Универсальные электродвигатели развивают скорость до 10 000 об/мин и более.
- Питание от переменного и постоянного напряжения. Двигатели такого типа широко применяют для электроинструментов, имеющих дополнительные аккумуляторные батареи.
- Возможность регулирования скорости без использования дополнительных устройств.
Однако, такие электромашины имеют свои недостатки:
- Ограниченная мощность.
- Необходимость обслуживания коллекторного узла.
- Тяжелые условия коммутации при питании от переменного напряжения из-за наличия трансформаторной связи между обмотками.
- Электромагнитные помехи при подключении к сети переменного тока.
Каждый тип двигателя имеет свои достоинства и недостатки. Выбор электрической машины для привода любого оборудования делается исходя из условий эксплуатации, требуемой частоты вращения, экономической целесообразности, типа нагрузки и других параметров.