Pereosnastka.ru
Электродвигатели, электромагниты и электромагнитные муфты
К атегория:
Шлифовальные станки
Электродвигатели, электромагниты и электромагнитные муфты
Электродвигатели переменного тока. Самым распространенным электродвигателем в шлифовальных станках является асинхронный замкнутый трехфазный электродвигатель, обладающий по сравнению с электродвигателями постоянного тока меньшей стоимостью простотой и удобством в эксплуатации. Эти двигатели применяют в качестве привода шлифовального круга, вращения изделия, механизма подачи (в станках высокой точности).
Электродвигатели переменного тока, у которых статор, такой же, как у асинхронных двигателей, а ротор представляет собой вместо беличьей клетки магнит постоянного тока или просто магнитопривод, который намагничивается в поле статора, называются синхронно-реактивными. Разновидностью этих двигателей являются шаговые двигатели, представляющие собой машину с реактивным ротором с сосредоточенными обмотками.
Электродвигатели постоянного тока. Применяют в шлифовальных станках в качестве привода шлифовального круга в тех случаях, когда требуется обеспечить постоянство скорости круга.
Отличительной особенностью электродвигателей постоянного тока является их способность изменять частоту вращения при изменении величины тока возбуждения магнитного поля или величины напряжения питания якоря. Скорость вращения электродвигателя постоянного тока можно регулировать в пределах 1/10, 1/100 и даже 1/1000 с помощью специального питающего устройства. Применением соответствующей схемы управления электродвигателем постоянного тока можно обеспечить требуемую зависимость частоты вращения шпинделя от величины нагрузки или частоты вращения вала электродвигателя.
Электрошпиндель. Для обеспечения (при внутреннем шлифовании) скорости круга 50—60 м/с, а также при шлифовании отверстий малых диаметров применяют электрошпиндель, представляющий собой асинхронный электродвигатель, работающий на повышенной частоте переменного тока (более 100 периодов в секунду), получаемой от специального генератора.
В отличие от асинхронных электродвигателей у электрошпинделя шлифовальный круг с оправкой крепится непосредственно на шпинделе. Шарикоподшипники, служащие опорой шпинделя, смазываются «масляным туманом», подаваемым через отверстие к подшипникам, установленным на обоих концах шпинделя, к статору через канал подается для охлаждения антикоррозионная жидкость. Особое внимание уделяется обеспечению жесткости шпинделя и оправки и снижению вибраций ротора шпинделя.
Рис. 1. Электрошпиндель
Долговечность и точность работы шпинделей определяются качеством подшипниковых опор, которые подбирают по специальным техническим условиям и качеством смазки.
Электромагниты. Для управления гидравлическими и пневматическими механизмами (золотниками, распределителями, гидропанелями, кранами и т. д.) используют однофазные электромагниты с втяжным якорем (соленоиды).
Однофазные электромагниты получили также большое распространение для торможения приводов станков. Обмотка электромагнита ЭМ включачается параллельно электродвигателю. Поэтому, когда контактор 1К включает электродвигатель, электромагнит втягивает якорь и, растягивая пружину, приподнимает колодку над поверхностью тормозного шкива, который посажен на вал электродвигателя. При отключении двигателя отключается электромагнит ЗМ, якорь отпадает и пружина прижимает колодку к поверхности тормозного шкива, обеспечивая механическое торможение привода станка. При включении тормозного двигателя через контактор нажатием кнопки с одновременным отключением электродвигателя замыкается цепь контактора 2К электромагнита ЭМ, вызывающего прижатие колодки к поверхности тормозного шкива. После того как кнопка отпущена, система остается расторможенной.
Рис. 2. Схема включения тормозного электромагнита:
а — параллельно статору двигателя, б — через контактор
Электромагнитные муфты. Для размыкания и замыкания кинематических цепей без перерыва вращения применяют электромагнитные муфты.
На ведущем валу жестко закреплена левая половина муфты, в кольцевую выточку которой закладывается катушка, питаемая постоянным током через контактные кольца и щетки. На ведомом валу расположена вторая полумуфта, которая перемещается на валу в осевом направлении. При включении катушки вокруг нее возникает магнитный поток, который будет замыкаться через воздушный зазор так, как показано пунктирной линией. Вследствие этого правая полумуфта, преодолевая усилие пружины, сдвинется влево и прижмется к левой полумуфте. На поверхностях соприкосновения полумуфт возникает сила трения, благодаря которой вращательное движение и крутящий момент вала будут передаваться через муфту валу. Для увеличения силы трения между полумуфтами на одной из них (левой) закрепляется кольцо трения, изготовленное из фрикционных материалов (ферродо, фибры и т. п.).
Рис. 3. Электромагнитная муфта
При отключении катушки правая полумуфта пружиной б отводится в исходное положение и передача вращающего момента через муфту прекращается.
Катушка электромагнитной муфты питается постоянным током, так как при переменном токе во время перехода магнитного потока через ноль силы трения будут уменьшаться также до нуля, что вызывает периодическое проскальзывание дисков и быстрый износ фрикционных поверхностей.
Для передачи реверсивного вращения ведомого вала при неизменном направлении вращения ведущего вала применяют реверсивные устройства, состоящие из двух муфт.
Электродвигатель
Величайшим техническим достижением конца XIX века стало изобретение промышленного электродвигателя. Этот компактный, экономичный, удобный мотор вскоре сделался одним их важнейших элементов производства, вытеснив другие виды двигателей отовсюду, куда только можно было доставить электрический ток. Большими недостатками прежней паровой машины всегда оставались низкий КПД, а также трудность передачи и «дробления» полученной от нее энергии. Обычно одна большая машина обслуживала несколько десятков станков. Движение от нее подводилось к каждому рабочему месту механическим путем с помощью шкивов и бесконечных ремней. При этом происходили огромные неоправданные потери энергии. Электрический привод не имел этих изъянов: он обладал высоким КПД, поскольку с его вала можно было прямо получать вращательное движение (тогда как в паровом двигателе его преобразовывали из возвратно-поступательного), да и «дробить» электрическую энергию было намного проще. Потери при этом оказывались минимальными, а производительность труда возрастала. Кроме того, с внедрением электромоторов впервые появилась возможность не только снабдить любой станок своим собственным двигателем, но и поставить отдельный привод на каждый его узел.
Электрические двигатели появились еще во второй четверти XIX столетия, но прошло несколько десятилетий, прежде чем создались благоприятные условия для их повсеместного внедрения в производство.
Один из первых совершенных электродвигателей, работавших от батареи постоянного тока, создал в 1834 году русский электротехник Якоби. Этот двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна группа (четыре П-образных электромагнита) располагались на неподвижной раме. Их полюсные наконечники были устроены асимметрично – удлинены в одну сторону. Вал двигателя представлял собой два параллельных латунных диска, соединенных четырьмя электромагнитами, поставленными на равном расстоянии один от другого. При вращении вала подвижные электромагниты проходили против полюсов неподвижных. У последних полярности шли попеременно: то положительная, то отрицательная. К электромагнитам вращающегося диска отходили проводники, укрепленные на валу машины. На вал двигателя был насажен коммутатор, который менял направление тока в движущихся электромагнитах в течение каждой четверти оборота вала. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно и обтекались током батареи в одном направлении. Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них изменялось восемь раз за один оборот вала. Следовательно, полярность этих электромагнитов также менялась восемь раз за один оборот вала, и эти электромагниты поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы. Принцип работы этого двигателя поясняет приведенная ниже схема. (Для простоты количество полюсов – подвижных и неподвижных – здесь уменьшено вдвое. Суть от этого не меняется.)
Положим, что в данный момент подвижные электромагниты занимают положение, указанное на рисунке, то есть против каждого полюса неподвижных магнитов стоит одноименный полюс подвижного; при этом каждый неподвижный электромагнит будет отталкивать противоположный магнит барабана и притягивать близлежащий с противоположным полюсом. Если бы полюса неподвижных магнитов не были асимметричны, такое устройство не могло бы работать, так как действие различных магнитов уравновешивало бы друг друга. Но благодаря выступу полюсных наконечников неподвижных магнитов каждый из них притягивает ближайший по направлению вращения часовой стрелки слабее, чем другой, из-за этого первый приближается к нему, а последний удаляется. Через четверть оборота (в двигателе Якоби – через одну восьмую) один против другого будут находиться разноименные полюса, но в этот момент коммутатор меняет направление тока в подвижных магнитах, и один против другого будут опять одноименные полюса, как и в начале движения. Вследствие этого подвижные магниты опять получают толчок к тому же направлению, и так без конца, пока остается замкнутым ток.
Коммутатор представлял собой очень важную и глубоко продуманную часть двигателя. Он состоял их четырех металлических колец, установленных на валу и изолированных от него; каждое кольцо имело четыре выреза, которые соответствовали 1/8 части окружности. Вырезы были заполнены изолирующими деревянными вкладышами; каждое кольцо было смещено на 45 градусов по отношению к предыдущему. По окружности кольца скользил рычаг, представлявший собой своеобразную щетку; второй конец рычага был погружен в соответствующий сосуд с ртутью, к которому подводились проводники от батареи (соединения с ртутью были наиболее распространенными в то время контактными устройсвами).
Диски, насаженные на вал двигателя, вращались вместе с ним. По ободу диска скользили металлические рычаги, которые, попадая на непроводящую часть диска, прерывали электрическую цепь, а при соприкосновении с металлом – замыкали ее. Расположение дисков было такое, что в тот момент, когда встречались разноименные полюса, контактные рычажки переходили через грань дерево-металл и этим меняли направление в обмотке электромагнитов. Таким образом, при каждом повороте кольца четыре раза разрывалась электрическая цепь.
Как уже отмечалось, двигатель Якоби для своего времени был самым совершенным электротехническим устройством. В том же 1834 году подробное сообщение о принципах его работы было представлен Парижской Академии наук. В 1838 году Якоби усовершенствовал свой электромотор и, установив его на гребном боте, с десятью спутниками совершил небольшое плавание по Неве со скоростью 4,5 км/ч. Источником тока ему служила мощная батарея гальванических элементов. Понятно, впрочем, что все эти опыты имели чисто демонстрационный характер – до тех пор, пока не был изобретен и внедрен в производство совершенный электрический генератор, электродвигатели не могли найти широкого применения, так как питать их от батареи было слишком дорого и невыгодно. Кроме того, в силу разных причин, о которых мы будем говорить в следующих главах, двигатели постоянного тока получили лишь ограниченное применение. Гораздо более важную роль играют в производстве электромоторы, работающие на переменном токе, к рассмотрению которых мы теперь переходим.
Сила и направление переменного тока, как мы помним, не являются постоянными. Сила его сначала возрастает от нуля до какой-то максимальной величины и вновь убывает до нуля, затем ток меняет свое направление, возрастает до какого-то отрицательного максимума и вновь убывает до нуля. (Время, за которое величина тока меняется от одного положительного максимума до другого, называют периодом колебания тока.) Этот процесс повторяется с большой частотой. (Например, в осветительной сети ток в 1 секунду течет пятьдесят раз в одну сторону и пятьдесят раз в противоположную.) Как такое поведение тока будет отражаться на работе электродвигателя? Прежде всего надо отметить, что направление вращения электродвигателя не зависит от направления тока, потому что при перемене тока изменится полярность не только в якоре, но одновременно в обмотках, отчего притяжение и отталкивание продолжают действовать в ту же сторону, что и раньше. Из этого как будто бы должно следовать, что для двигателя совершенно безразлично, каким током – постоянным или переменным – он питается. Однако это не так. При частом перемагничивании электромагнитов (несколько десятков раз в секунду) в них возникают вихревые токи, которые замедляют вращение якоря и сильно разогревают его. Мощность электромотора резко снижается, и в конце концов он выходит из строя. Для переменного тока необходима особая конструкция двигателя. Изобретатели не сразу смогли найти ее. Прежде всего была разработана модель так называемого синхронного двигателя переменного тока. Один из первых таких двигателей построил в 1841 году Чарльз Уитстон.
Устройство синхронного двигателя можно пояснить рисунком. Предположим, что неподвижная часть двигателя (статор) выполнена в виде восьмиполюсного венецеобразного электромагнита, расположенные попеременно полюса которого обозначаются по их полярности буквами N и S. Между ними вращается якорь (или ротор) в виде звездообразного колеса, восемь спиц которого представляют собой постоянные магниты. Их неизменные полюса обозначим буквами n и s. Положим себе, что в какой-то момент против каждого полюса электромагнита статора расположен одноименный полюс ротора. Толкнем колесо и сообщим ему такую скорость, при которой каждая спица n пройдет расстояние между двумя сердечниками N и S в промежуток времени, равный тому, в течение которого эти сердечники сохраняют свою полярность неизменной, то есть в период времени, равный половине периода переменного тока, питающего электромагниты. При таких условиях во все время движения спицы от сердечника N до сердечника S все сердечники перемагнитятся, отчего при дальнейшем своем движении спица опять будет испытывать отталкивание со стороны сердечника, оставшегося позади, и притяжение со стороны сердечника, к которому она приближается.
Работавший по этому принципу синхронный двигатель состоял из кольцеобразного многополюсного магнита, полярность которого менялась под действием переменного тока, и из звездообразного постоянного электромагнита, который был насажен на вал и вращался описанным выше образом. Для возбуждения этого постоянного электромагнита требовался постоянный ток, который преобразовывался посредством коммутатора из рабочего переменного. У коммутатора было и другое назначение: он использовался для пуска двигателя, ведь для поддержания вращения ротора синхронного двигателя ему требовалось сообщить определенную начальную скорость. При включении через цепь сначала пускался постоянный ток, благодаря чему двигатель начинал работать как двигатель постоянного тока и приходил в движение. До тех пор, пока двигатель не набрал требуемой скорости, коммутатор переменял направление в движущихся электромагнитах. При достижении скорости, соответствовавшей синхронному ходу, у подвижного магнита полюса уже не менялись, и двигатель начинал работать как синхронный двигатель переменного тока.
Описанная система обладала большими недостатками: кроме того, что синхронный двигатель требовал для своего запуска дополнительный разгонный двигатель, он имел и другой изъян – при перегрузке синхронность его хода нарушалась, магниты начинали тормозить вращение вала, и двигатель останавливался. Поэтому синхронные двигатели не получили широкого распространения. Подлинная революция в электротехнике произошла только после изобретения асинхронного (или индукционного) двигателя.
Действие асинхронного двигателя будет понятно из следующей демонстрации, которую провел в 1824 году известный французский физик Араго.
Пусть подковообразный магнит NS приводится рукой в быстрое вращение вокруг вертикальной оси. Над полюсами установлена стеклянная пластина, поддерживающая острие, на которое насажен медный кружок. При вращении магнита индукционные токи, наводимые в кружке, и образованное ими магнитное поле будут взаимодействовать с нижним магнитом, и кружок начнет вращаться в ту же сторону, что и нижний магнит.
Именно это явление используется в асинхронном двигателе. Только вместо вращающегося постоянного магнита в нем применяются несколько неподвижных электромагнитов, которые включаются, выключаются и меняют свою полярность в определенной последовательности. Поясним сказанное следующим примером.
Предположим, что I, II, III и IV – это четыре полюса двух электромагнитов, между которыми помещена металлическая стрелка. Под действием магнитного поля она намагничивается и становится вдоль линий магнитного поля электромагнитов, выходящих, как известно, из их северного полюса и входящих в южный. Все четыре полюса расположены по окружности на одном расстоянии друг от друга. Сперва ток подводится к II и III. Стрелка остается неподвижной по средней оси магнитных силовых линий. Затем подводится ток ко второму электромагниту. При этом одноименные полюса будут находиться рядом. Теперь средняя направляющая силовых линий магнитов пройдет от середины расстояния между I и II к середине между III и IV, и стрелка повернется на 45 градусов. Отключим первый электромагнит и оставим активными только полюса II и IV. Силовые линии будут направлены от III к IV, вследствие чего стрелка повернется еще на 45 градусов. Снова включим первый электромагнит, но поменяем при этом движение тока, так что полярность первого магнита изменится – стрелка повернется еще на 45 градусов. После отключения второго электромагнита, как это видно на самом верхнем, последнем рисунке, стрелка переместиться еще на 45 градусов, то есть совершит полуоборот. Легко понять, как заставить ее совершить вторую половину круга.
Описанное нами устройство в основных чертах соответствует двигателю Бейли, изобретенному в 1879 году Бейли устроил два электромагнита с четырьмя крестообразно расположенными полюсами, которые он мог намагничивать с помощью выключателя. Над полюсами он установил медный кружок, подвешенный на острие. Изменяя полярности магнита, включая и выключая их, он заставил кружок вращаться точно так же, как это происходило в опыте Араго. Идея подобного двигателя чрезвычайно интересна, так как в отличие от двигателей постоянного тока или синхронных электромоторов, здесь не надо подводить ток к ротору. Однако в той форме, в которой его создал Бейли, асинхронный двигатель еще не мог иметь применения: переключение электромагнитов в нем происходило под действием сложного коллектора, и, кроме того, он имел очень низкий КПД. Но до того, чтобы этот тип электромотора получил право на жизнь, оставался только один шаг, и он был сделан после появления техники многофазных токов. Собственно, многофазные токи и получили применение, прежде всего благодаря электродвигателям. Чтобы понять, что такое, к примеру, двухфазный ток, представим себе два независимых друг от друга проводника, в которых протекают два совершенно одинаковых переменных тока. Единственная разница между ними заключается в том, что они не одновременно достигают своих максимумов ( на рисунке, который приведен ниже, второй ток отстает от первого на четверть периода: то есть в тот момент, когда сила первого тока максимальна, сила второго тока ровна нулю, а когда сила первого тока равна нулю, сила второго – максимальна). Про такие токи говорят, что они сдвинуты друг относительно друга по фазе, а если эти токи подводятся к одному электроприбору, говорят, что тот питается двухфазным током. Соответственно, может быть и трехфазный ток (если питание прибора происходит от трех одинаковых токов, сдвинутых друг относительно друга по фазе), четырехфазный ток и т.д. Долгое время в технике использовался только обычный переменный ток (который по аналогии с многофазными токами стали называть однофазным). Но потом оказалось, что многофазные токи в некоторых случаях гораздо удобнее однофазного.
В 1888 г. Итальянский физик Феррарис и югославский изобретатель Тесла (работавший в США) открыли явление вращающегося электромагнитного поля.
Сущность его заключалась в следующем. Возьмем две катушки, состоящие из одинакового числа витков изолированного провода, и разместим их взаимно перпендикулярно так, чтобы одна катушка входила в другую. Теперь представим, что катушку 1 обтекает ток i1, а катушку 2 – ток i2, причем i1 опережает i2 по фазе на четверть периода. Это, как мы уже говорили, означает, что ток i1 достигает положительного максимума в тот момент, когда сила тока i2 равна нулю. Если мы мысленно разрежем катушки пополам горизонтальной плоскостью и будем смотреть на них сверху, то увидим сечения четырех сторон обеих катушек. Поместим между ними магнитную стрелку и будем наблюдать за ее движением. Катушки, через которые протекает переменный ток, как известно, являются электромагнитами. Их магнитное поле будет взаимодействовать со стрелкой, поворачивая ее. Рассмотрим теперь положение магнитной стрелки, ось которой совпадает с вертикальной осью катушек в различные моменты времени. В начальный момент времени (t=0) ток в первой катушке равен нулю, а во второй проходит через отрицательный максимум (направление тока на рисунке будем обозначать так, как это делается в электротехнике – точкой и крестиком; крестик означает, что ток направляется от наблюдателя за плоскость чертежа, а точка – что ток направляется к наблюдателю). При этом магнитная стрелка займет положение, указанное на первой схеме. В момент t1 токи i1 и i2 равны друг другу, но один имеет положительное направление, а другой отрицательное. Магнитная стрелка займет положение, указанное на второй схеме. В момент t2 величина тока i2 нисходит до нуля, а ток i1 достигает максимума. Стрелка при этом повернется еще на 1/8 оборота. Прослеживаемая подобным образом развитие процесса, мы заметим, что по окончании периода изменений одного из токов магнитная стрелка завершит полный оборот вокруг оси. Дальше процесс повторяется. Следовательно, при помощи двух катушек, питаемых двумя токами, сдвинутыми друг относительно друга по фазе на четверть периода, можно получить тот же эффект перемены магнитных полюсов, которого добился в своем двигателе Бейли, но здесь это получается намного проще, без всякого коммутатора и без использования скользящих контактов, поскольку перемагничиванием управляет сам ток. Описанный эффект получил в электротехнике название равномерно вращающегося магнитного поля. На его основе Тесла сконструировал первый в истории двухфазный асинхронный двигатель. Он вообще был первым, кто стал экспериментировать с многофазными токами и успешно разрешил проблему генерирования таких токов.
Поскольку получить двухфазный ток из однофазного было непросто, Тесла построил специальный генератор, который сразу давал два тока с разностью фаз в 90 градусов (то есть с отставанием на четверть периода). В этом генераторе между полюсами магнита вращались две взаимно перпендикулярные катушки. В то время, когда витки одной катушки находились под полюсами и индуцирующийся в них ток был максимальным, витки другой катушки находились между полюсами (на нейтральной линии) и электродвижущая сила в них была равна нулю. Следовательно, два тока, генерируемые в этих катушках, были тоже сдвинуты по фазе относительно друг друга на четверть периода. Аналогичным способом можно было получить трехфазный ток (используя три катушки под углом 60 градусов друг к другу), но Тесла считал наиболее экономичной двухфазную систему. В самом деле, как это видно из рисунка, многофазные системы тока требуют большого количества проводов. Если двигатель, работающий на обычном переменном (однофазном) токе, требует всего двух подводящих проводов, то работающий на двухфазном – уже четырех, на трехфазном – шести и т.д. Концы каждой катушки были выведены на кольца, расположенные на валу генератора. Ротор двигателя тоже имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом друг к другу замкнутых на себя (то есть не имеющих никакой связи с внешней электрической цепью) катушек.
Изобретение Теслы знаменовало собой начало новой эры в электротехнике и вызвало к себе живейший интерес во всем мире. Уже в июне 1888 года фирма «Вестингауз Электрик Компании» купила у него за миллион долларов все патенты на двухфазную систему и предложила организовать на своих заводах выпуск асинхронных двигателей. Эти двигатели поступили в продажу в следующем году. Они были гораздо лучше и надежнее всех существовавших до этого моделей, но не получили широкого распространения, так как оказались весьма неудачно сконструированы. Обмотка статора в них выполнялась в виде катушек, насаженных на выступающие полюса. Неудачной была и конструкция ротора в виде барабана с двумя взаимно перпендикулярными, замкнутыми на себя катушками. Все это заметно снижало качество двигателя как в момент пуска, так и в рабочем режиме.
Вскоре индукционный двигатель Теслы был значительно переработан и усовершенствован русским электротехником Доливо-Добровольским. Исключенный в 1881 году по политическим мотивам из Рижского политехнического института, Доливо-Добровольский уехал в Германию. Здесь он закончил Дармштадское высшее техническое училище и с 1887 года начал работу в крупной электротехнической фирме АЭГ. Первым важным новшеством, которое внес Доливо-Добровольский в асинхронный двигатель, было создание ротора с обмоткой «в виде беличьей клетки». Во всех ранних моделях асинхронных двигателей роторы были очень неудачными, и поэтому КПД этих моторов был ниже, чем у других типов электрических двигателей. (Феррарис, о котором упоминалось выше, создал асинхронный двухфазный двигатель с КПД порядка 50% и считал это пределом.) Очень большое значение играл здесь материал, из которого изготавливался ротор, поскольку тот должен был удовлетворять сразу двум условиям.: иметь малое электрическое сопротивление (чтобы индуцируемые токи могли свободно протекать через его поверхность) и иметь хорошую магнитную проницаемость (чтобы энергия магнитного поля не растрачивалась понапрасну). С точки зрения уменьшения электрического сопротивления лучшим конструктивным решением мог бы стать ротор в виде медного цилиндра. Но медь плохой проводник для магнитного потока статора и, КПД такого двигателя был очень низким. Если медный цилиндр заменяли стальным, то магнитный поток резко возрастал, но , поскольку электрическая проводимость стали меньше, чем меди, КПД опять был невысоким. Доливо-Добровольский нашел выход из этого противоречия: он выполнил ротор в виде стального цилиндра (что уменьшало его магнитное сопротивление). На лобовых частях ротора эти стержни электрически соединялись друг с другом (замыкались сами на себя). Решение Доливо-Добровольского оказалось наилучшим. После того как он получил в 1889 году патент на свой ротор, его устройство принципиально не менялось вплоть до настоящего времени.
Вслед за тем Доливо-Добровольский стал думать над конструкцией статора – неподвижной части двигателя. Конструкция Теслы казалась ему нерациональной. Поскольку КПД электрического двигателя напрямую зависит от того, насколько полно магнитное поле статора используется ротором, то, следовательно, чем больше магнитных линий статора замыкаются на воздух (то есть не проходят через поверхность ротора), тем больше магнитных линий статора замыкаются на воздух (то есть не проходят через поверхность ротора), тем больше потери электрической энергии и тем меньше КПД. Чтобы этого не происходило, зазор между ротором и статором должен быть как можно меньше. Двигатель Теслы с этой точки зрения был далек от совершенства – выступающие полюса катушек на статоре создавали слишком большой зазор между статором и ротором. Кроме того, в двухфазном двигателе не получалось равномерное движение ротора. Исходя из этого, Доливо-Добровольский видел перед собой две задачи: повысить КПД двигателя и добиться большей равномерности его работы. Первая задача была несложной – достаточно было убрать выступающие полюса электромагнитов и равномерно распределить их обмотки по всей окружности статора, чтобы КПД двигателя сразу увеличилось. Но как разрешить вторую проблему? Неравномерность вращения можно было заметно уменьшить, лишь увеличив число фаз с двух до трех. Но был ли этот путь рациональным? Получить трехфазный ток, как уже говорилось, не представляло большого труда. Построить трехфазный двигатель тоже было нетрудно – для этого достаточно разместить на статоре три катушки вместо двух и каждую из них соединить двумя проводами с соответствующей катушкой генератора. Этот двигатель должен был по всем параметрам быть лучше двухфазного двигателя Теслы, кроме одного момента – он требовал для своего питания шести проводов вместо четырех. Таким образом; система становилась чрезмерно громоздкой и дорогой. Но, может быть, существовала возможность подключить двигатель к генератору как-нибудь по другому? Доливо-Добровольский проводил бессонные ночи над схемами многофазных цепей. На листах бумаги он набрасывал все новые и новые варианты. И, наконец, решение, совершенно неожиданное и гениальное по своей простоте, было найдено.
Действительно, если сделать ответвления от трех точек кольцевого якоря генератора так, как это показано на рисунке, и соединить их с тремя кольцами, по которым скользят щетки, но при вращении якоря между полюсами на каждой щетке будет индуцироваться один и тот же по величине ток, но со сдвигом во времени, которое необходимо для того, чтобы виток переместился по дуге, соответствующей углу 120 градусов. Иначе говоря, токи в цепи будут сдвинуты относительно друг друга по фазе также на 120 градусов. Но этой системе трехфазного тока оказалась присуще еще одно чрезвычайно любопытное свойство, какого не имела ни одна другая система многофазных токов – в любой произвольно взятый момент времени сумма токов, текущих в одну сторону, равна здесь величине третьего тока, который течет в противоположную сторону, а сумма всех трех токов в любой момент времени равна нулю.
Например, в момент времени t1 ток i2 проходит через положительный максимум, а значения токов i1 и i3, имеющих отрицательное значение, достигают половины максимума и сумма их равна току i2. Это означает, что в любой момент времени один из проводов системы передает в одном направлении такое же количество тока, какое два других вместе передают в противоположном направлении. Следовательно, предоставляется возможность пользоваться каждым из трех проводов в качестве отводящего проводника для двух других, соединенных параллельно, и вместо шести проводов обойтись всего тремя!
Чтобы пояснить этот чрезвычайно важный момент, обратимся к воображаемой схеме. Представим себе, что через круг, вращающийся вокруг своего центра, проходят три соединенных между собой проводника, в которых протекают три переменных тока, сдвинутых по фазе на 120 градусов. При своем вращении каждый проводник находится то на положительной, то на отрицательной части круга, причем при переходе из одной части в другую ток меняет свое направление. Из рисунка видно, что эта система вполне обеспечивает нормальное протекание (циркуляцию) токов. В самом деле, в некоторый момент времени проводники I и II оказываются соединенными параллельно, а III – отводит от них ток. Некоторое время спустя II переходит на ту же сторону, где находится III; теперь уже II и III работают параллельно, а I как общий отводящий ток провод. Далее III переходит на ту сторону, где еще находится I; теперь II отводит то количество, что III и I подводят вместе. Затем I переходит на ту сторону, где еще находится II, и т.д.
В приведенном примере ничего не говорилось об источниках тока. Как мы помним, этим источником является трехфазный генератор. Изобразим обмотки генератора в виде трех катушек. Для того чтобы протекание тока происходило описанным нами способом, эти катушки могут быть включены в цепь двояким образом. Мы можем, к примеру , разместить из на трех сторонах треугольника, допустим левого; таким образом, вместо трех его сторон мы получим три катушки I, II и III, в которых индуцируются токи со смещением фаз на 1/3 периода. Мы можем также переместить точки приложения электродвижущих сил и на концы параллельных проводников. Если мы поместим здесь наши катушки, то получим соединение, изображенное на том же рисунке слева. Треугольники, служащие теперь лишь проводящими соединениями для трех левых концов катушек, могут быть стянуты в одну точку. Эти соединения, из которых первое называется «треугольником», а второе – «звездой», широко применяются как в двигателях, так и в генераторах.
Свой первый трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Добровольский построил зимой 1889 года. В качестве статора в нем был использован кольцевой якорь машины постоянного тока с 24-мя полузакрытыми пазами. Учитывая ошибки Теслы, Доливо-Добровольский рассредоточил обмотки в пазах по всей окружности статора, что делало более благоприятным распределение магнитного поля. Ротор был цилиндрическим с обмотками «в виде беличьей клетки». Воздушный зазор между ротором и статором составлял всего 1 мм, что по тем временам было смелым решением, так как обычно зазор делали больше. Стержни «беличьей клетки» не имели никакой изоляции. В качестве источника трехфазного тока был использован стандартный генератор постоянного тока, перестроенный в трехфазный генератор так, как это было описано выше.
Впечатление, произведенное первым запуском двигателя на руководство АЭГ, было огромным. Для многих стало очевидно, что долгий тернистый путь создания промышленного электродвигателя наконец пройден до конца. По своим техническим показателям двигатели Доливо-Добровольского превосходили все существовавшие тогда электромоторы – обладая очень высоким КПД, они безотказно работали в любых режимах, были надежны и просты в обращении. Поэтому они сразу получили широкое распространение по всему миру. С этого времени началось быстрое внедрение электродвигателей во все сферы производства и повсеместная электрификация промышленности.
- Главная страница
- Статьи
- Новенькое:
- Трансформатор
- Электродвигатель
- Паровая турбина
- Гидравлический пресс
- Гидротурбина
- Телефон
- Пишущая машинка
- Линотип
- Электрическая лампочка
- Электрогенератор
Электромагнитный двигатель
Изобретение относится к энергомашиностроению и электротехнике, а именно к устройствам, использующим энергию постоянных и электромагнитов. Оно может быть использовано в качестве привода с широким диапазоном мощности для экологически чистых двигателей, электрогенераторов.
Задачей изобретения, является создание более простой конструкции электромагнитного двигателя, который обладает лучшими тяговыми характеристиками. Предлагаемая конструкция должна обеспечить более эффективное преобразование магнитного поля постоянных и электромагнитов в энергию движения. Еще одной задачей является расширение арсенала экологически чистых технических средств.
Поставленная задача достигается тем, что в электромагнитном двигателе, содержится по меньшей мере один подвижный и один неподвижный коаксиальные магнитные элементы, взаимодействующие их магнитными полями преимущественно вдоль их поверхностей с ускорением в направлении движения подвижного элемента на участке траектории.
Такой магнитный двигатель согласно изобретению отличается тем, что взаимодействующие магнитные элементы выполнены коаксиальными, что намного увеличивает площадь взаимодействия подвижных и неподвижных магнитных элементов. У коаксиальных магнитных элементов к тому же плотность взаимодействия магнитных полей больше чем у плоских пластинчатых магнитов, которые рассеяны в отличии от коаксиальных.
Магнитные элементы одной из групп установлены по окружности и связаны с осью вращения, совпадающей с осью окружности установки другой группы элементов, причем обе окружности совпадают, а одна группа магнитных элементов имеет продольные щели во внутреннем радиальном направлении, причем ширина щелей достаточна для прохождения элементов осевой связи другой группы магнитных элементов.
При этом элемент осевой связи одной из групп магнитных элементов может быть выполнен в виде диска.
Альтернативно элементы осевой связи одной из групп магнитных элементов выполнены в виде спиц или пластин.
В варианте конкретной реализации магнитный двигатель содержит подвижный элемент, например, в виде поверхности, имеющей возможность вращаться по окружности, на которой закреплено n-магнитных элементов, которые установлены с возможностью взаимодействия с m — магнитными элементами, установленными неподвижно. Если каждый из магнитных элементов, входящих в группу m, выполнен в виде постоянного магнита, то магнитные элементы группы n выполнены в виде электромагнита. Одна из групп магнитных элементов (m или n) состоит из магнитных элементов, каждый из которых выполнен со сквозным каналом, соединяющим торцы этого магнитного элемента и плоской щелью, соединяющей внешнюю поверхность магнитного элемента со сквозным каналом по всей длине. Другая группа магнитных элементов включает магнитные элементы, каждый из которых установлен таким образом, что он имеет возможность проходить через сквозной канал магнитного элемента из другой группы. Магнитные элементы одной из групп представляют собой электромагниты, витки которой(го) уложены таким образом, чтобы не перекрывать плоскую щель, соединяющую по всей длине сквозной канал с внешней поверхностью магнитного элемента.
В случае когда магнитные элементы одной из групп являются внешними элементами взаимодействующих коаксиальных магнитных элементов и являются электромагнитом, то их витки уложены таки образом, чтобы не перекрывать плоскую щель, соединяющую по всей длине сквозной канал с внешней поверхностью магнитного элемента. А внутренними элементами являются постоянные магниты из другой группы , взаимодействующих коаксиальных элементов и представляют собой слегка изогнутый стержень, форму которого лучше всего описывается как часть тела, имеющую тороидальную поверхность.
В другом случае когда магнитные элементы одной из групп являются внешними элементами взаимодействующих коаксиальных магнитных элементов и являются постоянными магнитами, то каждый из них имеют сквозной канал соединяющий торцы этого магнитного элемента и плоскую цель, соединяющий внешнюю поверхность магнитного элемента со сквозным каналом по всей длине. А внутренними магнитными элементами являются электромагниты, из другой группы взаимодействующих коаксиальных магнитных элементов и представляют собой слегка изогнутый стержень, форму которого лучше всего описывается как часть тела, имеющую тороидальную поверхность.
Принцип работы предлагаемого двигателя покажем в двух вариантах. В одном варианте одна из групп магнитных элементов, которые являются неподвижными электромагнитами, жестко закреплены на корпусе электродвигателя. Другая группа магнитных элементов закреплены на роторе электродвигателя с помощью держателей. Подвижные магнитные элементы представляющие собой постоянные магниты, которые могут свободно проходить через сквозные каналы неподвижных электромагнитов. В начальной стадии работы электродвигателя электрический ток подается на неподвижные электромагниты. В электромагнитах появляется электромагнитное поле которое втягивает подвижные постоянные магниты в свою полость. Подвижные постоянные магниты которым придано ускорение за счет взаимодействия магнитных полей на входе в каналы электромагнитов, продолжает движение по каналу и приближается к выходному отверстию электромагнита. Полярность этой части электромагнита совпадает с полярностью с приближающейся частью подвижного постоянного магнита. Однако резкого торможения подвижного постоянного магнита не происходит так как в это время автоматически с помощью электронного или механического коммутатора в электромагниты подается электрический ток противоположной полярности. В следствии чего подвижный постоянный магнит продолжает движение получив дополнительное ускорение и выходит из полости электромагнита и приближается к следующему неподвижному электромагниту расположенному на окружности. По мере приближения к следующему электромагниту приближаются и их взаимодействующие магнитные поля одинаковой полярности и в это время происходит последующая смена полярности неподвижного электромагнита. И подвижный постоянный магнит продолжает свое движение. Описанный процесс может непрерывно повторяться не только для одного постоянного магнита и электромагнита но для нескольких других подвижных и неподвижных магнитов.
Магнитные элементы могут быть выполнены, как в виде постоянных магнитов, так и в виде электромагнитов или их комбинаций, закрепленных на кольце или на ином роторе.
Другой вариант конструктивного выполнения электродвигателя приводится ниже.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется прилагаемыми графическими материалами:
На фиг. 1 изображен электромагнитный двигатель в варианте когда неподвижные магниты – электромагниты, а подвижные магниты – постоянные магниты.
На фиг. 2 –продольный разрез А-А электромагнитного двигателя с четырех роторной конструкцией.
На фиг. 3 – поперечный разрез В-В электромагнитного двигателя.
На фиг. 4 и фиг. 5 варианты электромагнитного двигателя с более большой площадью взаимодействия между магнитными элементами (взаимодействующие магнитные элементы вытянутой формы).
На фиг. 6 электромагнитный двигатель в варианте когда неподвижные магниты – постоянные магниты, а подвижные магниты – электромагниты.
Еще в одном варианте предлагаемый магнитный двигатель относится к одному из примеров предпочтительного осуществления изобретении. Он состоит из корпуса 1 (фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 6) и крышки корпуса 9 неподвижных постоянных магнитов 2 с плоской щелью, жестко закрепленные на корпусе 1. Подвижные электромагниты 3 жестко закрепленные на роторе 5 с помощью держателей 4. Ротор 5 жестко закреплен на вале 6 с возможностью вращения вместе с валом 6. Корпус 1, крышка корпуса 9, держатель 4 и вал 6 выполнены из материала, который не взаимодействует с магнитами. Неподвижный постоянный магнит 2 представляет собой часть тела тороидальной формы со сквозным каналом соединяющим торцы этого тела и полой щелью, соединяющей внешнюю поверхность со сквозным каналом по всей длине этого тела.
Подвижный электромагнит 3 представляет собой слегка изогнутый стержень, форма которого лучше всего описывается как часть тела, имеющего тороидальную поверхность. Концы катушек 7 электромагнитов 3 закреплены на элементах токосъема 8 и запитываются электрически током посредством скользящих пластин коммутатора (коммутатор-распределитель не показан). Коммутатор-распределитель меняет полярность подаваемого электрического тока в зависимости от места расположения электромагнита 3 относительно неподвижного постоянного магнита 2.
Предлагаемый двигатель работает следующим образом. Как показано на фиг. 6 электромагниты 3 закрепленные в держателях 4 на вращающем роторе 5 могут проходить через каналы неподвижных постоянных магнитов 2. При подаче электрического тока на элементы токосъема 8 через коммутатор в электромагнитах 3, концы катушек 7, которые закреплены на токосъемах 8, возбуждается электромагнитное поле. Электромагнит 3 втягивается в сквозной канал постоянного магнита 2, так как полярность полюсов электромагнита 3 и постоянного магнита 2 в момент их приближения к друг другу противоположна. Электромагнит 3, которому придано ускорение взаимодействием магнитных полей на входе в канал, продолжает движение и приближается к другой части выходному отверстию канала постоянного магнита. Однако резкого торможения электромагнита 3 не происходит. Конструктивно обеспечено выполнение условия, при котором автоматически с помощью электронного или механического коммутатора в электромагниты 3 подается электрический ток противоположной полярности. В следствии чего постоянный магнит 2 выталкивает из своей полости электромагнит 3 так как меняется полярность электромагнита 3 на противоположную, взаимодействующие магнитные поля электромагнита 3 и постоянного магнита 2 в данном участке одноименные. Последующие перемещение электромагнита 3 вместе с ротором 5 и валом 6 обеспечивает приближение электромагнита 3 к следующему постоянному магниту 2, расположенному по окружности. По мере приближения взаимодействующих одноименных полюсов электромагнита 3 и постоянного магнита 2 происходит следующая смена полярности электромагнита 3. И электромагнит 3 продолжает свое движение. Описанный процесс непрерывно повторяется не только для описанного электромагнита 3, но и для каждого электромагнита из числа закрепленных таким же образом на роторе 5.
Так возможно исполнение предлагаемого двигателя с продолговатыми формами взаимодействующих магнитных элементов (фиг. 4), что увеличивает их площадь взаимодействия. Из чего следует увеличение мощности электродвигателя.
Следует иметь в виду, что для специалиста в данной области техники становится очевидным возможные изменения и модификации предлагаемого изобретения.
Еще одним направлением использования предлагаемого изобретения является возможность использования его в виде конструкций, каждая секция которых включает свой ротор с закрепленными магнитными элементами, взаимодействующими с неподвижными магнитными элементами.
В чем разница между двигателями переменного и постоянного тока?
В чем разница между двигателями переменного и постоянного тока?
переменный ток и двигатели постоянного тока Оба типа электродвигателей преобразуют электрическую энергию в механическую.. Однако, есть некоторые ключевые различия между двумя типами двигателей, которые отличают их друг от друга..
Первый, давайте определим, что такое двигатели переменного и постоянного тока. AC означает переменный ток, это тип электрического тока, который обычно используется в домашних хозяйствах и на предприятиях.. Он называется переменным током, потому что направление тока периодически меняется на противоположное., обычно со скоростью 60 раз в секунду (В Соединенных Штатах). DC означает постоянный ток, тип электрического тока, который течет только в одном направлении.
Различия между типом тока, который они используют.
Одним из основных различий между двигателями постоянного тока и двигателями переменного тока является тип тока, который они используют.. Как подсказывает название, двигатель постоянного тока использует постоянный ток, в то время как двигатель переменного тока использует переменный ток. Это означает, что двигатели постоянного тока обычно питаются от батарей или других источников постоянного тока., в то время как двигатели переменного тока питаются от электричества, которое подается в дома и на предприятия..
Различия между генерируемыми магнитными полями.
Один из основных различия между двигателями переменного и постоянного тока способ, которым они генерируют магнитные поля. В двигателе переменного тока, магнитное поле создается током, протекающим через статор, что является неподвижной частью двигателя. Статор состоит из нескольких электромагнитов, расположенных по кругу вокруг ротора., это вращающаяся часть двигателя. Когда ток течет через статор, создает магнитное поле, которое меняет направление, заставляя ротор вращаться.
В двигателе постоянного тока, магнитное поле создается постоянными магнитами, а не по течению. Статор двигателя постоянного тока содержит постоянные магниты., которые создают постоянное магнитное поле. Ротор, который обычно изготавливается из ферромагнитного материала, притягивается магнитным полем и начинает вращаться.
Различия между контролем скорости.
Еще одно ключевое различие между двигателями переменного и постоянного тока заключается в способе управления ими.. Двигатели переменного тока обычно легче контролировать, чем двигатели постоянного тока, потому что частоту переменного тока можно легко изменить, чтобы отрегулировать скорость двигателя.. Это известно как управление скоростью двигателя переменного тока.. Наоборот, Скорость двигателя постоянного тока регулируется путем регулировки напряжения тока, протекающего через него.. Это известно как управление скоростью двигателя постоянного тока., и это может быть сложнее, чем управление скоростью двигателя переменного тока..
Различия между ними с точки зрения стоимости.
С точки зрения стоимости, Двигатели постоянного тока, как правило, дороже, чем двигатели переменного тока.. Это связано с тем, что двигатели постоянного тока обычно более сложны и требуют более специализированных деталей., такие как коллектор и щетки, что может добавить к общей стоимости двигателя. Двигатели переменного тока проще и легче запускаются. Двигатели переменного тока можно запустить с помощью выключателя или конденсатора., в то время как двигатели постоянного тока требуют более сложного пускового механизма, например, стартер или соленоид стартера. Это делает двигатели переменного тока более простыми и экономичными в использовании..
Другая причина заключается в том, что двигатели переменного тока более эффективны.. Это связано с тем, что двигатели переменного тока используют изменяющееся направление тока для создания вращающегося магнитного поля., в то время как двигатели постоянного тока используют статическое магнитное поле. Это означает, что двигатели переменного тока способны преобразовывать больше электрической энергии в механическую., делая их более эффективными.
Кроме того, Двигатели переменного тока чаще используются в бытовой технике и электроинструментах., что приводит к экономии за счет масштаба и снижению себестоимости производства. двигатели постоянного тока, с другой стороны, обычно используются в приложениях, требующих точного контроля скорости, которые имеют тенденцию быть более специализированными и менее распространенными, приводит к более высоким издержкам производства.
Различия между типами приложений.
Существуют также некоторые различия в типах приложений, для которых используются двигатели переменного и постоянного тока.. Двигатели переменного тока широко используются в бытовой технике., такие как вентиляторы и кондиционеры, а также в промышленных применениях, такие как насосы и конвейерные ленты. двигатели постоянного тока, с другой стороны, часто используются в приложениях, требующих точного контроля скорости, например, в электромобилях и робототехнике.
В итоге, Двигатели переменного и постоянного тока — это типы электродвигателей, которые преобразуют электрическую энергию в механическую.. Однако, есть некоторые ключевые различия между двумя типами двигателей, включая то, как они генерируют магнитные поля, и то, как они контролируются.. Двигатели переменного тока обычно используются в бытовых и промышленных целях., в то время как двигатели постоянного тока часто используются в приложениях, требующих точного управления скоростью.
ПОДЕЛИТЬСЯ ЭТОЙ ЗАПИСЬЮ