Как работают электродвигатели

Электродвигатели повсюду! В вашем доме почти каждое механическое движение, которое вы видите вокруг себя, вызвано электродвигателем переменного или постоянного тока. В этой статье мы рассмотрим оба типа.

Понимая, как работает двигатель, вы можете многое узнать о магнитах, электромагнитах и электричестве в целом. Электродвигатель использует магниты для создания движения. Если вы когда-либо играли с магнитами, вы знаете об основном законе всех магнитов: противоположности притягиваются, а симпатии отталкиваются.

Итак, если у вас есть два стержневых магнита с концами, помеченными "север" и "юг", тогда северный конец одного магнита будет притягивать южный конец другого. С другой стороны, северный конец одного магнита будет отталкивать северный конец другого (а южный будет отталкивать юг). Внутри электродвигателя эти силы притяжения и отталкивания создают вращательное движение.

Содержание
Внутри электродвигателя фото наверху, нажмите для большего размера
Как работает двигатель постоянного тока
Игрушечный мотор
Ротор, коллектор и щетки
Собираем все это вместе
Как работает двигатель переменного тока
Ротор и статор переменного тока
Двигатели повсюду!
Внутри электродвигателя
Схема электромагнита, расположенного в подковообразном магните
Вы можете быть удивлены, узнав, сколько работы выполняют электродвигатели.

КАК РАБОТАЮТ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
Чтобы понять, как работает электродвигатель, главное - понять, как работает электромагнит. (Для получения более подробной информации см. Как работают электромагниты.)

Электромагнит является основой электродвигателя. Допустим, вы создали простой электромагнит, обмотав 100 проволочных петель вокруг гвоздя и подключив его к батарее. Гвоздь станет магнитом и будет иметь северный и южный полюса, пока батарея подключена.

Теперь предположим, что вы берете электромагнит для гвоздей, пропускаете ось через его середину и подвешиваете его в середине подковообразного магнита, как показано на рисунке. Если вы присоедините батарею к электромагниту так, чтобы северный конец гвоздя выглядел так, как показано на рисунке, основной закон магнетизма говорит вам, что произойдет: северный конец электромагнита будет отталкиваться от северного конца подковообразного магнита и притягиваться к южному концу подковообразного магнита. Южный конец электромагнита будет отталкиваться аналогичным образом. Гвоздь будет двигаться на пол-оборота, а затем остановится в показанном положении.

КАК РАБОТАЮТ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
Ключ к электродвигателю - сделать еще один шаг вперед, чтобы в момент завершения этого полуоборота движения поле электромагнита перевернулось. Вы меняете магнитное поле, изменяя направление электронов, протекающих по проводу, что означает переворачивание батареи. Переворот заставляет электромагнит совершить еще половину оборота. Если бы поле электромагнита переключалось точно в нужный момент в конце каждого полуоборота движения, электродвигатель вращался бы свободно.

Как мы уже упоминали, вы столкнетесь с двумя типами электродвигателей: постоянного тока и переменного тока. Последние, двигатели постоянного тока или постоянного тока, были впервые разработаны в середине 1800-х годов, и они все еще используются сегодня.

Простой двигатель состоит из шести частей:

Статор
Ротор
Коммутатор
Кисти
Ось
Источник питания постоянного тока

Снаружи двигателя постоянного тока находится статор: постоянный магнит, который не движется. Внутренняя часть - это ротор, который действительно движется. Ротор здесь похож на гвоздь в нашем предыдущем примере, а статор похож на подковообразный магнит.

Когда энергия постоянного тока передается через ротор, это создает временное электромагнитное поле, которое взаимодействует с постоянным магнитным полем статора. Работа коммутатора заключается в поддержании полярности переключения поля, что обеспечивает вращение ротора. Это создает крутящий момент, необходимый для получения механической мощности.

Нейлоновая торцевая крышка удерживается на месте двумя язычками. Внутри торцевой крышки щетки двигателя передают питание от аккумулятора к коммутатору во время вращения двигателя. (Поскольку щетки могут изнашиваться и нуждаются в замене, современные двигатели постоянного тока часто являются бесщеточными.)

Ось удерживает ротор и коллектор. Ротор представляет собой набор электромагнитов, в данном случае трех. Якорь в этом двигателе представляет собой набор тонких металлических пластин, сложенных вместе, с тонкой медной проволокой, намотанной вокруг каждого из трех полюсов ротора. Два конца каждого провода (по одному на каждый полюс) подключаются к клемме, а затем каждая из трех клемм подключается к одной пластине коммутатора.

Последним элементом любого электродвигателя постоянного тока является статор. В этом двигателе он состоит из самой банки и двух изогнутых постоянных магнитов. В двигателях постоянного тока якорем является ротор, а полем - статор.

Ротор, коллектор и щетки
Контакты коммутатора прикреплены к оси электромагнита, поэтому они вращаются вместе с магнитом.

Как мы отмечали ранее, ротор похож на гвоздь на нашей схеме электромагнита. Коммутатор также прикреплен к оси. Коллектор - это просто пара пластин, прикрепленных к оси. Эти пластины обеспечивают два соединения для катушки электромагнита.

Часть электрического двигателя, "переключающая электрическое поле", состоит из двух частей: коллектора и щеток.

На схеме показано, как коммутатор (зеленым цветом) и щетки (красным) работают вместе, чтобы пропускать ток к электромагниту, а также изменять направление движения электронов в нужный момент. Контакты коммутатора прикреплены к оси электромагнита, поэтому они вращаются вместе с магнитом. Щетки представляют собой всего лишь два куска упругого металла или углерода, которые соприкасаются с контактами коллектора.

Собираем все это вместе
Когда вы соединяете все эти части вместе, получается полноценный электродвигатель.

Ключ в том, что, когда ротор переходит в горизонтальное положение, полюса электромагнита переворачиваются. Из-за переворота северный полюс электромагнита всегда находится над осью, поэтому он может отталкивать северный полюс статора и притягивать южный полюс статора.

Обычно ротор имеет три полюса, а не два полюса, как показано в этой статье. Есть две веские причины, по которым двигатель должен иметь три полюса:

Это приводит к лучшей динамике двигателя. В двухполюсном двигателе, если электромагнит находится в точке равновесия, идеально горизонтально между двумя полюсами статора, когда двигатель запускается, вы можете представить, что ротор "застрял" там. Этого никогда не происходит в трехполюсном двигателе.
Каждый раз, когда коммутатор достигает точки, в которой он переключает поле в двухполюсном двигателе, коммутатор на мгновение замыкает батарею. Это короткое замыкание тратит энергию и без необходимости разряжает аккумулятор. Трехполюсный двигатель решает и эту проблему.
Возможно любое количество полюсов, в зависимости от размера двигателя и того, что он должен делать.

Как работает двигатель переменного тока
Теперь мы рассмотрим двигатель переменного тока. Двигатели переменного тока используют переменный ток вместо постоянного. У него много общих деталей с двигателем постоянного тока, и он по-прежнему использует электромагнетизм и вращающиеся магнитные поля для выработки механической энергии.

Детали внутри двигателя переменного тока:

Статор
Ротор
Цельная ось
Катушки
Короткозамкнутая клетка
Обмотка статора в двигателе переменного тока выполняет работу ротора двигателя постоянного тока. В данном случае это кольцо электромагнитов, которые соединены и последовательно включены, что создает вращающееся магнитное поле.

Вы помните, что ротор в двигателе постоянного тока подключен к аккумулятору. Но ротор в двигателе переменного тока не имеет прямого подключения к источнику питания. У него также нет щеток. Вместо этого он часто использует нечто, называемое короткозамкнутой цепью. Вы правильно прочитали.

Короткозамкнутая обмотка в двигателе переменного тока представляет собой набор стержней ротора, соединенных с двумя кольцами, по одному на каждом конце. Это похоже на то, что мышь (или белка) в клетке будет бегать внутри. Короткозамкнутый ротор находится внутри статора. Когда переменный ток подается через статор, он создает электромагнитное поле. Стержни в короткозамкнутом роторе являются проводниками, поэтому они реагируют на смещение полюсов статора. Так вращается ротор, который создает собственное магнитное поле.

Ротор и статор переменного тока
Ключом к асинхронному двигателю переменного тока, где поле ротора индуцируется полем статора, является то, что ротор всегда пытается догнать. Он всегда ищет застоя, поэтому он вращается, чтобы найти это устойчивое состояние. Но электромагнитное поле, создаваемое статором с использованием переменного тока, всегда будет немного быстрее, чем поле ротора. Вращение ротора создает крутящий момент, необходимый для создания механической мощности для вращения колес автомобиля или жужжания вентилятора.

В некоторых двигателях переменного тока используется обмотанный ротор, который обмотан проволокой вместо того, чтобы быть короткозамкнутым. Однако чаще встречается тип с короткозамкнутым ротором. В любом случае, в двигателе переменного тока есть только одна движущаяся часть, что означает, что меньше вещей, требующих замены или обслуживания.

Двигатели повсюду!
Осмотрите свой дом, и вы обнаружите, что он заполнен электродвигателями. Поскольку в наших домах используется переменный ток, большинство этих устройств имеют двигатели переменного тока. Двигатели постоянного тока чаще встречаются в устройствах, использующих батареи.

Начиная с кухни, в:

Вентилятор над плитой и в микроволновой печи
Блендер
Холодильник - на самом деле два или три: один для компрессора, один для вентилятора внутри холодильника, а также один в льдогенераторе
Стационарный миксер

В подсобном помещении есть электродвигатель в:

Сушилка
Электрическая отвертка
Пылесос
Электрическая дрель
Воздуходувка печи

Даже в ванной комнате есть двигатель в:

Вентилятор
Электрическая зубная щетка
Фен для волос
Электрическая бритва

Ваш автомобиль оснащен электродвигателями:

Электрические стеклоподъемники
Сиденья с электроприводом
Вентиляторы для отопителя и радиатора
Стеклоочистители
Стартерный двигатель
Двигатель переменного тока может привести ваш автомобиль в действие вместо бензинового двигателя

Кроме того, есть двигатели во всех других местах:

Компьютеры
Смартфоны
Игрушки
Устройство для открывания гаражных ворот
Аквариумные насосы

Почти все, что движется, использует электродвигатель для осуществления своего движения.

Теперь это мощно
Возможно, вам интересно узнать об электромобилях, которые используют двигатели переменного тока, но работают от батарей, которые обеспечивают питание постоянным током. Ответ прост: в электромобилях есть дополнительная деталь, называемая преобразователем, которая преобразует постоянный ток от батарей в переменный ток, который может использовать двигатель.

Часто задаваемые вопросы об электродвигателях

Как работает игрушечный электродвигатель?
Очень маленький электродвигатель имеет два маленьких постоянных магнита, коммутатор, две щетки, три полюса и электромагнит, изготовленный путем намотки провода на кусок металла. Он работает так же, как и более крупная версия, но в гораздо меньших масштабах.

Что такое электродвигатель постоянного тока?
Электродвигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию, в отличие от версии переменного тока, которая использует переменный ток.

Из каких частей состоит простой двигатель?
Простой двигатель состоит из шести частей: якоря или ротора, коллектора, щеток, оси, магнита возбуждения и какого-либо источника питания постоянного тока.

Как долго может работать электродвигатель?
В условиях испытаний электродвигатель может прослужить от 15 до 20 лет, при условии, что он используется в нормальных условиях эксплуатации.

Электродвигатель постоянного или переменного тока лучше?
Двигатели переменного тока, как правило, более мощные и требуют меньшего обслуживания, однако двигатели постоянного тока, как правило, очень эффективны. Применение электродвигателя, как правило, влияет на выбор переменного или постоянного тока.