Η αρχή της λειτουργίας και η συσκευή του ηλεκτροκινητήρα

Οποιοσδήποτε ηλεκτροκινητήρας έχει σχεδιαστεί για να εκτελεί μηχανική εργασία λόγω της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας που εφαρμόζεται σε αυτόν, η οποία συνήθως μετατρέπεται σε περιστροφική κίνηση. Αν και στην τεχνολογία υπάρχουν μοντέλα που δημιουργούν αμέσως μια μεταφραστική κίνηση του σώματος εργασίας. Αυτοί ονομάζονται γραμμικοί κινητήρες.

Σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις, οι ηλεκτροκινητήρες κινούν διάφορες μηχανές κοπής μετάλλων και μηχανικές συσκευές που εμπλέκονται στην τεχνολογική διαδικασία παραγωγής.

Μέσα στις οικιακές συσκευές, οι ηλεκτροκινητήρες λειτουργούν πλυντήρια ρούχων, ηλεκτρικές σκούπες, υπολογιστές, πιστολάκια μαλλιών, παιδικά παιχνίδια, ρολόγια και πολλές άλλες συσκευές.

Βασικές φυσικές διεργασίες και αρχή δράσης

Όταν κινείστε μέσα μαγνητικό πεδίο Τα ηλεκτρικά φορτία, τα οποία ονομάζονται ηλεκτρικά ρεύματα, έχουν πάντα μια μηχανική δύναμη που τείνει να εκτρέψει την κατεύθυνσή τους σε ένα επίπεδο κάθετο στον προσανατολισμό των γραμμών του μαγνητικού πεδίου.Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από ένα μεταλλικό σύρμα ή ένα πηνίο κατασκευασμένο από αυτό, αυτή η δύναμη τείνει να μετακινεί/περιστρέφει κάθε καλώδιο που μεταφέρει ρεύμα και ολόκληρο το πηνίο ως σύνολο.

Η παρακάτω φωτογραφία δείχνει ένα μεταλλικό σκελετό με ρεύμα να το διαρρέει. Ένα μαγνητικό πεδίο που εφαρμόζεται σε αυτό δημιουργεί μια δύναμη F για κάθε κλάδο του πλαισίου, η οποία δημιουργεί μια περιστροφική κίνηση.

Αυτή η ιδιότητα της αλληλεπίδρασης ηλεκτρικής και μαγνητικής ενέργειας, που βασίζεται στη δημιουργία ηλεκτροκινητικής δύναμης σε έναν κλειστό αγώγιμο βρόχο, τίθεται σε λειτουργία σε κάθε ηλεκτροκινητήρα. Ο σχεδιασμός του περιλαμβάνει:

• ένα πηνίο μέσα από το οποίο ρέει ηλεκτρικό ρεύμα. Τοποθετείται σε ειδικό πυρήνα αγκύρωσης και στερεώνεται σε περιστροφικά ρουλεμάν για μείωση της αντίστασης στις δυνάμεις τριβής. Αυτό το σχέδιο ονομάζεται ρότορας.

• στάτορας, ο οποίος δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο με τις γραμμές δύναμης του διαπερνά τα ηλεκτρικά φορτία που περνούν κατά μήκος των στροφών της περιέλιξης του ρότορα.

• περίβλημα για τοποθέτηση στάτορα. Στο εσωτερικό του αμαξώματος κατασκευάζονται ειδικά καθίσματα, μέσα στα οποία τοποθετούνται οι εξωτερικοί κλωβοί των ρουλεμάν του ρότορα.

Ο απλοποιημένος σχεδιασμός του απλούστερου ηλεκτροκινητήρα μπορεί να αναπαρασταθεί με μια εικόνα της παρακάτω φόρμας.

Όταν ο ρότορας περιστρέφεται, δημιουργείται μια ροπή, η ισχύς της οποίας εξαρτάται από το γενικό σχεδιασμό της συσκευής, την ποσότητα της εφαρμοζόμενης ηλεκτρικής ενέργειας και τις απώλειές της κατά τις μετατροπές.

Το μέγεθος της μέγιστης δυνατής ισχύος ροπής του κινητήρα είναι πάντα μικρότερο από την ηλεκτρική ενέργεια που εφαρμόζεται σε αυτόν. Χαρακτηρίζεται από την τιμή απόδοσης.

Τύποι ηλεκτροκινητήρων

Ανάλογα με τον τύπο του ρεύματος που διαρρέει τα πηνία, χωρίζονται σε κινητήρες DC ή AC.Κάθε μία από αυτές τις δύο ομάδες έχει μεγάλο αριθμό τροποποιήσεων χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνολογικές διαδικασίες.

κινητήρες συνεχούς ρεύματος

Έχουν ένα μαγνητικό πεδίο στάτορα που δημιουργείται από ένα ακίνητο σταθερό μόνιμοι μαγνήτες ή ειδικοί ηλεκτρομαγνήτες με πηνία διέγερσης. Το πηνίο οπλισμού είναι σταθερά στερεωμένο στον άξονα, ο οποίος είναι στερεωμένος σε ρουλεμάν και μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα γύρω από τον δικό του άξονα.

Η βασική δομή ενός τέτοιου κινητήρα φαίνεται στο σχήμα.

Στον πυρήνα του οπλισμού, από σιδηρομαγνητικά υλικά, υπάρχει ένα πηνίο που αποτελείται από δύο συνδεδεμένα σε σειρά μέρη, τα οποία συνδέονται με τις αγώγιμες πλάκες συλλέκτη στο ένα άκρο και συνδέονται μεταξύ τους στο άλλο. Δύο βούρτσες γραφίτη βρίσκονται σε διαμετρικά αντίθετα άκρα του οπλισμού και πιέζονται στα μαξιλαράκια επαφής των πλακών συλλέκτη.

Ένα θετικό δυναμικό πηγής DC εφαρμόζεται στην κάτω βούρτσα σχεδίου και ένα αρνητικό δυναμικό στην επάνω. Η κατεύθυνση του ρεύματος που διαρρέει το πηνίο φαίνεται με ένα διακεκομμένο κόκκινο βέλος.

Το ρεύμα αναγκάζει το μαγνητικό πεδίο να έχει έναν βόρειο πόλο στο κάτω αριστερό μέρος του οπλισμού και έναν νότιο πόλο στο πάνω δεξιά μέρος του οπλισμού (κανόνας αντίζυγου). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απώθηση των πόλων του ρότορα από τους ακίνητους με το ίδιο όνομα και την έλξη στους απέναντι πόλους του στάτορα. Ως αποτέλεσμα της ασκούμενης δύναμης, εμφανίζεται μια περιστροφική κίνηση, η κατεύθυνση της οποίας υποδεικνύεται με ένα καφέ βέλος.

Με περαιτέρω περιστροφή του οπλισμού με αδράνεια, οι πόλοι μεταφέρονται σε άλλες πλάκες συλλέκτη. Η κατεύθυνση του ρεύματος σε αυτά αντιστρέφεται. Ο ρότορας συνεχίζει να περιστρέφεται περαιτέρω.

Ο απλός σχεδιασμός μιας τέτοιας συσκευής συλλέκτη οδηγεί σε μεγάλες απώλειες ηλεκτρικής ενέργειας.Τέτοιοι κινητήρες λειτουργούν σε συσκευές απλού σχεδιασμού ή παιχνίδια για παιδιά.

Οι ηλεκτροκινητήρες συνεχούς ρεύματος που εμπλέκονται στη διαδικασία παραγωγής έχουν πιο περίπλοκο σχεδιασμό:

• το πηνίο χωρίζεται όχι σε δύο, αλλά σε πολλά μέρη.

• κάθε τμήμα του πηνίου είναι τοποθετημένο στον δικό του πόλο.

• η συσκευή συλλέκτη είναι κατασκευασμένη με ορισμένο αριθμό μαξιλαριών επαφής ανάλογα με τον αριθμό των περιελίξεων.

Ως αποτέλεσμα, δημιουργείται ομαλή σύνδεση κάθε πόλου μέσω των πλακών επαφής του με τις βούρτσες και την πηγή ρεύματος και μειώνονται οι απώλειες ενέργειας.

Η συσκευή μιας τέτοιας άγκυρας φαίνεται στη φωτογραφία.

Στους κινητήρες συνεχούς ρεύματος, η φορά περιστροφής του ρότορα μπορεί να αντιστραφεί. Για να γίνει αυτό, αρκεί να αλλάξετε την κίνηση του ρεύματος στο πηνίο στο αντίθετο αλλάζοντας την πολικότητα στην πηγή.

κινητήρες AC

Διαφέρουν από τα προηγούμενα σχέδια στο ότι το ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει στο πηνίο τους περιγράφεται από ημιτονοειδής αρμονικός νόμοςαλλάζοντας περιοδικά την κατεύθυνσή του (σημάδι). Για την τροφοδοσία τους, τροφοδοτείται τάση από γεννήτριες με εναλλασσόμενες πινακίδες.

Ο στάτορας τέτοιων κινητήρων εκτελείται από ένα μαγνητικό κύκλωμα. Είναι κατασκευασμένο από σιδηρομαγνητικές πλάκες με αυλακώσεις στις οποίες τοποθετούνται οι στροφές του πηνίου με διαμόρφωση πλαισίου (πηνίο).

Σύγχρονοι ηλεκτροκινητήρες

Η παρακάτω φωτογραφία δείχνει την αρχή λειτουργίας ενός μονοφασικού κινητήρα AC με σύγχρονη περιστροφή των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων του ρότορα και του στάτορα.

Στις αυλακώσεις του μαγνητικού κυκλώματος του στάτορα σε διαμετρικά αντίθετα άκρα, τοποθετούνται σύρματα περιέλιξης, που εμφανίζονται σχηματικά με τη μορφή πλαισίου μέσω του οποίου ρέει εναλλασσόμενο ρεύμα.

Ας εξετάσουμε την περίπτωση της χρονικής στιγμής που αντιστοιχεί στο πέρασμα του θετικού μέρους του ημικύματος της.

Στα ρουλεμάν περιστρέφεται ελεύθερα ένας ρότορας με ενσωματωμένο μόνιμο μαγνήτη, στον οποίο το βόρειο «στόμιο N» και το νότιο «στόμιο S» του πόλου είναι σαφώς καθορισμένο. Όταν ένα θετικό μισό κύμα ρεύματος διαρρέει την περιέλιξη του στάτη, δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο με πόλους «S st» και «N st».

Δυνάμεις αλληλεπίδρασης προκύπτουν μεταξύ των μαγνητικών πεδίων του ρότορα και του στάτορα (με τους πόλους να απωθούνται και σε αντίθεση με τους πόλους να έλκονται) οι οποίες τείνουν να στρέφουν τον οπλισμό του κινητήρα από οποιαδήποτε θέση στο άκρο όταν οι αντίθετοι πόλοι βρίσκονται όσο το δυνατόν πιο κοντά ο ένας στον άλλο. αλλο.

Εάν εξετάσουμε την ίδια περίπτωση, αλλά για τη στιγμή που το αντίθετο - ένα αρνητικό μισό κύμα ρεύματος διέρχεται από το σύρμα πλαισίου, τότε η περιστροφή του οπλισμού θα συμβεί προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Για να εξασφαλιστεί η συνεχής κίνηση του ρότορα στον στάτορα, δεν κατασκευάζεται ένα πλαίσιο περιέλιξης, αλλά ένας ορισμένος αριθμός από αυτούς, δεδομένου ότι καθένα από αυτά τροφοδοτείται από ξεχωριστή πηγή ρεύματος.

Αρχή λειτουργίας ενός τριφασικού κινητήρα AC με σύγχρονη περιστροφή, τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία του ρότορα και του στάτη φαίνονται στην παρακάτω εικόνα.

Σε αυτό το σχέδιο, τρία πηνία A, B και C είναι τοποθετημένα μέσα στο μαγνητικό κύκλωμα του στάτη, μετατοπισμένα κατά γωνίες 120 μοιρών μεταξύ τους. Το πηνίο Α σημειώνεται με κίτρινο χρώμα, το Β είναι πράσινο και το C είναι κόκκινο. Κάθε πηνίο είναι κατασκευασμένο με τα ίδια πλαίσια όπως στην προηγούμενη περίπτωση.

Στην εικόνα, σε κάθε περίπτωση, το ρεύμα ρέει μέσω ενός μόνο πηνίου προς την εμπρός ή την αντίστροφη κατεύθυνση, η οποία υποδεικνύεται με τα σημάδια «+» και «-».

Όταν το θετικό μισό κύμα διέρχεται από τη φάση Α προς τα εμπρός, ο άξονας του πεδίου του ρότορα παίρνει οριζόντια θέση, επειδή οι μαγνητικοί πόλοι του στάτορα σχηματίζονται σε αυτό το επίπεδο και έλκουν τον κινητό οπλισμό. Οι αντίθετοι πόλοι του ρότορα τείνουν να πλησιάζουν τους πόλους του στάτορα.

Όταν το θετικό μισό κύμα μεταβεί στη φάση C, ο οπλισμός θα περιστραφεί κατά 60 μοίρες δεξιόστροφα. Μόλις εφαρμοστεί ρεύμα στη φάση Β, θα συμβεί παρόμοια περιστροφή του οπλισμού. Κάθε επόμενη ροή ρεύματος στην επόμενη φάση της επόμενης περιέλιξης θα περιστρέφει τον ρότορα.

Εάν σε κάθε περιέλιξη εφαρμόζεται τριφασική τάση δικτύου μετατοπισμένη κατά γωνία 120 μοιρών, τότε θα κυκλοφορούν εναλλασσόμενα ρεύματα, τα οποία θα περιστρέψουν τον οπλισμό και θα δημιουργήσουν τη σύγχρονη περιστροφή του με το εφαρμοζόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.

Η ίδια μηχανική σχεδίαση χρησιμοποιείται με επιτυχία σε τριφασικό βηματικό κινητήρα… Μόνο σε κάθε τύλιγμα με έλεγχο ειδικός ελεγκτής (οδηγός βηματικού κινητήρα) Οι σταθεροί παλμοί εφαρμόζονται και αφαιρούνται σύμφωνα με τον αλγόριθμο που περιγράφεται παραπάνω.

Η εκκίνησή τους ξεκινά μια περιστροφική κίνηση και ο τερματισμός τους σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή παρέχει μια μετρημένη περιστροφή του άξονα και μια στάση σε μια προγραμματισμένη γωνία για την εκτέλεση ορισμένων τεχνολογικών λειτουργιών.

Και στα δύο τριφασικά συστήματα που περιγράφονται, είναι δυνατή η αλλαγή της φοράς περιστροφής του οπλισμού. Για να το κάνετε αυτό, απλά πρέπει να αλλάξετε τη σειρά των φάσεων «A» — «B» — «C» σε άλλη, για παράδειγμα «A» — «C» — «B».

Η ταχύτητα του ρότορα ρυθμίζεται από το μήκος της περιόδου Τ. Η μείωσή του οδηγεί σε επιτάχυνση της περιστροφής.Το μέγεθος του πλάτους του ρεύματος στη φάση εξαρτάται από την εσωτερική αντίσταση της περιέλιξης και την τιμή της τάσης που εφαρμόζεται σε αυτήν. Καθορίζει την ποσότητα της ροπής και της ισχύος του ηλεκτροκινητήρα.

Ασύγχρονοι κινητήρες

Αυτά τα σχέδια κινητήρα έχουν το ίδιο μαγνητικό κύκλωμα στάτη με περιελίξεις όπως στα μονοφασικά και τριφασικά μοντέλα που συζητήθηκαν προηγουμένως. Πήραν το όνομά τους από την ασύγχρονη περιστροφή των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων του οπλισμού και του στάτη. Αυτό γίνεται με τη βελτίωση της διαμόρφωσης του ρότορα.

Ο πυρήνας του είναι κατασκευασμένος από αυλακωτές ηλεκτρικές χαλύβδινες πλάκες. Είναι εξοπλισμένα με αγωγούς ρεύματος αλουμινίου ή χαλκού, οι οποίοι κλείνουν στα άκρα του οπλισμού με αγώγιμους δακτυλίους.

Όταν εφαρμόζεται τάση στις περιελίξεις του στάτη, προκαλείται ηλεκτρικό ρεύμα στην περιέλιξη του ρότορα με ηλεκτροκινητική δύναμη και δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο οπλισμού. Όταν αυτά τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία αλληλεπιδρούν, ο άξονας του κινητήρα αρχίζει να περιστρέφεται.

Με αυτόν τον σχεδιασμό, η κίνηση του ρότορα είναι δυνατή μόνο μετά την εμφάνιση ενός περιστρεφόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στον στάτορα και συνεχίζει σε ασύγχρονο τρόπο λειτουργίας μαζί του.

Οι ασύγχρονοι κινητήρες είναι απλούστεροι στο σχεδιασμό, επομένως είναι φθηνότεροι και χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις και οικιακές συσκευές.

Αντιεκρηκτικός ηλεκτροκινητήρας ABB

Γραμμικοί κινητήρες

Πολλά σώματα εργασίας βιομηχανικών μηχανισμών εκτελούν παλινδρομική ή μεταφορική κίνηση σε ένα επίπεδο, η οποία είναι απαραίτητη για τη λειτουργία μηχανών επεξεργασίας μετάλλων, οχημάτων, χτυπήματα σφυριού κατά την οδήγηση πασσάλων ...

Η μετακίνηση ενός τέτοιου σώματος εργασίας με κιβώτια ταχυτήτων, σφαιρικές βίδες, ιμάντα κίνησης και παρόμοιες μηχανικές συσκευές από έναν περιστροφικό ηλεκτροκινητήρα περιπλέκει τη σχεδίαση. Η σύγχρονη τεχνική λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι η λειτουργία ενός γραμμικού ηλεκτροκινητήρα.

Ο στάτορας και ο ρότορας του είναι επιμήκεις με τη μορφή λωρίδων, αντί να τυλίγονται σε δακτυλίους, όπως στους περιστροφικούς ηλεκτρικούς κινητήρες.

Η αρχή λειτουργίας είναι η μετάδοση παλινδρομικής γραμμικής κίνησης στον δρομέα δρομέα λόγω της μεταφοράς ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας από έναν ακίνητο στάτορα με ανοιχτό μαγνητικό κύκλωμα ορισμένου μήκους. Ένα λειτουργικό μαγνητικό πεδίο δημιουργείται μέσα σε αυτό με διαδοχική ενεργοποίηση του ρεύματος.

Δρα στην περιέλιξη του οπλισμού με συλλέκτη. Οι δυνάμεις που προκύπτουν σε έναν τέτοιο κινητήρα κινούν τον ρότορα μόνο σε γραμμική κατεύθυνση κατά μήκος των στοιχείων οδήγησης.

Οι γραμμικοί κινητήρες είναι σχεδιασμένοι να λειτουργούν είτε με συνεχές είτε με εναλλασσόμενο ρεύμα και μπορούν να λειτουργούν σε σύγχρονη ή ασύγχρονη λειτουργία.

Τα μειονεκτήματα των γραμμικών κινητήρων είναι:

• την πολυπλοκότητα της τεχνολογίας·

• υψηλή τιμή;

• χαμηλή ενεργειακή απόδοση.