Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πώς θα ήταν ο σύγχρονος κόσμος χωρίς έναν ηλεκτροκινητήρα συνεχούς ρεύματος (και AC, παρεμπιπτόντως). Οποιοσδήποτε σύγχρονος μηχανισμός είναι εξοπλισμένος με ηλεκτροκινητήρα. Μπορεί να έχει διαφορετικό σκοπό, αλλά η παρουσία του, κατά κανόνα, είναι κρίσιμη. Αναμένεται ότι στο εγγύς μέλλον ο ρόλος του κινητήρα συνεχούς ρεύματος θα αυξηθεί. Ήδη σήμερα, χωρίς αυτή τη συσκευή, είναι αδύνατο να δημιουργηθεί υψηλής ποιότητας, αξιόπιστος και αθόρυβος εξοπλισμός με ρυθμιζόμενες ταχύτητες. Αλλά αυτό είναι το κλειδί για την ανάπτυξη του κράτους και της παγκόσμιας οικονομίας στο σύνολό της.
Από την ιστορία του κινητήρα DC
Κατά τη διάρκεια πειραμάτων το 1821, ο διάσημος επιστήμονας Faraday ανακάλυψε κατά λάθος ότι ένας μαγνήτης και ένας αγωγός που μεταφέρει ρεύμα κατά κάποιο τρόποεπηρεάζουν ο ένας τον άλλον. Συγκεκριμένα, ένας μόνιμος μαγνήτης μπορεί να προκαλέσει την περιστροφή ενός απλού κυκλώματος αγωγού που μεταφέρει ρεύμα. Τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκαν για περαιτέρω έρευνα.
Ήδη το 1833, ο Thomas Davenport δημιούργησε ένα μοντέλο τρένου με έναν μικρό ηλεκτρικό κινητήρα ικανό να το οδηγεί.
Το 1838, ένα επιβατηγό σκάφος 12 θέσεων κατασκευάστηκε στη Ρωσική Αυτοκρατορία. Όταν αυτό το σκάφος που κινείται με ηλεκτρικό κινητήρα πήγε ενάντια στο ρεύμα κατά μήκος του Νέβα, προκάλεσε μια πραγματική έκρηξη συναισθημάτων στην επιστημονική κοινότητα και όχι μόνο.
Πώς λειτουργεί ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος
Αν δείτε την εργασία επιφανειακά, όπως κάνουν στο σχολείο στα μαθήματα φυσικής, μπορεί να φανεί ότι δεν υπάρχει απολύτως τίποτα περίπλοκο σε αυτό. Αλλά αυτό είναι μόνο με την πρώτη ματιά. Στην πραγματικότητα, η επιστήμη της ηλεκτροκίνησης είναι μια από τις πιο δύσκολες στον κύκλο των τεχνικών κλάδων. Κατά τη λειτουργία ενός ηλεκτροκινητήρα, εμφανίζεται μια σειρά από πολύπλοκα φυσικά φαινόμενα, τα οποία δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητά και εξηγούνται με διάφορες υποθέσεις και υποθέσεις.
Σε μια απλοποιημένη έκδοση, η αρχή λειτουργίας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος μπορεί να περιγραφεί ως εξής. Ένας αγωγός τοποθετείται σε ένα μαγνητικό πεδίο και ένα ρεύμα διέρχεται από αυτό. Επιπλέον, αν λάβουμε υπόψη τη διατομή του αγωγού, τότε εμφανίζονται γύρω του ομόκεντροι κύκλοι αόρατης δύναμης - αυτό είναι ένα μαγνητικό πεδίο που σχηματίζεται από το ρεύμα στον αγωγό. Όπως ήδη αναφέρθηκε, αυτά τα μαγνητικά πεδία είναι αόρατα στο ανθρώπινο μάτι. Υπάρχει όμως ένα απλό κόλπο που σας επιτρέπει να τα παρατηρήσετε οπτικά. Ο πιο εύκολος τρόπος είναι να κάνετε μια τρύπα σε κόντρα πλακέ ή ένα χοντρό φύλλο χαρτιού από το οποίο θα περάσετε το σύρμα. Σε αυτή την περίπτωση, η επιφάνεια κοντά στην τρύπα πρέπει να καλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα λεπτής διασποράς μαγνητικής σκόνης μετάλλου (μπορεί να χρησιμοποιηθεί και λεπτό πριονίδι). Όταν το κύκλωμα είναι κλειστό, τα σωματίδια της σκόνης ευθυγραμμίζονται με τη μορφή του μαγνητικού πεδίου.
Στην πραγματικότητα, η αρχή λειτουργίας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος βασίζεται σε αυτό το φαινόμενο. Ένας αγωγός που μεταφέρει ρεύμα τοποθετείται μεταξύ του βόρειου και του νότιου πόλου ενός μαγνήτη σε σχήμα U. Ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των μαγνητικών πεδίων, το σύρμα τίθεται σε κίνηση. Η κατεύθυνση της κίνησης εξαρτάται από το πώς είναι τοποθετημένα οι πόλοι και μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια από τον λεγόμενο κανόνα gimlet.
Δύναμη Αμπέρ
Η δύναμη που ωθεί έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα έξω από το πεδίο ενός μόνιμου μαγνήτη ονομάζεται δύναμη Ampère - από τον διάσημο ερευνητή ηλεκτρικών φαινομένων. Η μονάδα ρεύματος πήρε επίσης το όνομά του.
Για να βρείτε την αριθμητική τιμή αυτής της δύναμης, πρέπει να πολλαπλασιάσετε το ρεύμα στον υπό εξέταση αγωγό με το μήκος του και με το μέγεθος (διάνυσμα) του μαγνητικού πεδίου.
Ο τύπος θα μοιάζει με αυτό:
F=IBL.
Μοντέλο του απλούστερου κινητήρα
Χοντρικά, για να φτιάξετε τον πιο πρωτόγονο κινητήρα, πρέπει να τοποθετήσετε ένα πλαίσιο από αγώγιμο υλικό (σύρμα) σε ένα μαγνητικό πεδίο και να το τροφοδοτήσετε με ρεύμα. Το πλαίσιο θα περιστραφεί σε μια συγκεκριμένη γωνία και θα σταματήσει. Αυτή η θέση για την αργκό των ειδικών σεΗ περιοχή της ηλεκτρικής κίνησης ονομάζεται "νεκρή". Ο λόγος της διακοπής είναι ότι τα μαγνητικά πεδία αντισταθμίζονται, θα λέγαμε, αντισταθμίζονται. Με άλλα λόγια, αυτό συμβαίνει όταν η προκύπτουσα δύναμη γίνεται ίση με μηδέν. Επομένως, η συσκευή κινητήρα συνεχούς ρεύματος περιλαμβάνει όχι ένα, αλλά πολλά πλαίσια. Σε μια πραγματική βιομηχανική μονάδα (η οποία είναι εγκατεστημένη σε εξοπλισμό), μπορεί να υπάρχουν πάρα πολλά τέτοια στοιχειώδη κυκλώματα. Έτσι, όταν οι δυνάμεις εξισορροπούνται σε ένα πλαίσιο, το άλλο πλαίσιο το βγάζει από τη «βουτιά».
Χαρακτηριστικά της συσκευής κινητήρων διαφορετικής ισχύος
Ακόμα και ένα άτομο που απέχει πολύ από τον κόσμο της ηλεκτρολογίας θα συνειδητοποιήσει αμέσως ότι χωρίς πηγή σταθερού μαγνητικού πεδίου, απλά δεν τίθεται θέμα ηλεκτρικού κινητήρα συνεχούς ρεύματος. Ως πηγές χρησιμοποιούνται διάφορες συσκευές.
Για κινητήρες συνεχούς ρεύματος χαμηλής ισχύος (12 βολτ ή λιγότερο), ένας μόνιμος μαγνήτης είναι η ιδανική λύση. Αλλά αυτή η επιλογή δεν είναι κατάλληλη για μονάδες μεγάλης ισχύος και μεγέθους: οι μαγνήτες θα είναι πολύ ακριβοί και βαρείς. Επομένως, για κινητήρες συνεχούς ρεύματος 220 V ή περισσότερο, είναι πιο σκόπιμο να χρησιμοποιήσετε επαγωγέα (περιέλιξη πεδίου). Για να γίνει το πηνίο πηγή μαγνητικού πεδίου, πρέπει να τροφοδοτείται.
Σχέδιο ηλεκτρικού κινητήρα
Γενικά, η σχεδίαση οποιουδήποτε κινητήρα συνεχούς ρεύματος περιλαμβάνει τα ακόλουθα στοιχεία:συλλέκτης, στάτορας και οπλισμός.
Ο οπλισμός χρησιμεύει ως στοιχείο έδρασης για την περιέλιξη του κινητήρα. Αποτελείται από λεπτά φύλλα χάλυβα για ηλεκτρικές χρήσεις με αυλακώσεις περιμετρικά για την τοποθέτηση του σύρματος. Το υλικό κατασκευής σε αυτή την περίπτωση είναι πολύ σημαντικό. Όπως ήδη αναφέρθηκε, χρησιμοποιείται ηλεκτρικός χάλυβας. Αυτός ο βαθμός υλικού χαρακτηρίζεται από μεγάλο μέγεθος κόκκου που καλλιεργείται τεχνητά και απαλότητα (ως αποτέλεσμα της χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα). Επιπλέον, ολόκληρη η δομή αποτελείται από λεπτά, μονωμένα φύλλα. Όλα αυτά δεν επιτρέπουν την εμφάνιση παρασιτικών ρευμάτων και αποτρέπουν την υπερθέρμανση του οπλισμού.
Ο στάτορας είναι ένα σταθερό μέρος. Εκτελεί το ρόλο του μαγνήτη που συζητήθηκε προηγουμένως. Για την επίδειξη της λειτουργίας ενός μοντέλου κινητήρα στο εργαστήριο, για λόγους σαφήνειας και καλύτερης κατανόησης των αρχών, χρησιμοποιείται ένας στάτορας με δύο πόλους. Οι πραγματικοί βιομηχανικοί κινητήρες χρησιμοποιούν συσκευές με μεγάλο αριθμό ζευγών πόλων.
Ο συλλέκτης είναι ένας διακόπτης (βύσμα σύνδεσης) που παρέχει ρεύμα στα κυκλώματα περιέλιξης ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος. Η παρουσία του είναι απολύτως απαραίτητη. Χωρίς αυτό, ο κινητήρας θα λειτουργεί σπασμωδικά, όχι ομαλά.
Ποικιλίες κινητήρων
Δεν υπάρχει κανένας κινητήρας γενικής χρήσης που να χρησιμοποιείται σε όλους απολύτως τους κλάδους της τεχνολογίας και της εθνικής οικονομίας και να πληροί όλες τις απαιτήσεις στον τομέα της ασφάλειας και αξιοπιστίας κατά τη λειτουργία.
Πρέπει να είστε πολύ προσεκτικοί όταν επιλέγετε κινητήρα DC. Η επισκευή είναι εξαιρετικά δύσκολη και δαπανηρήμια διαδικασία που μπορεί να εκτελεστεί μόνο από κατάλληλα καταρτισμένο προσωπικό. Και αν η σχεδίαση και οι δυνατότητες του κινητήρα δεν πληρούν τις απαιτήσεις, τότε σημαντικά κεφάλαια θα δαπανηθούν για επισκευές.
Υπάρχουν τέσσερις κύριοι τύποι κινητήρων συνεχούς ρεύματος: κινητήρες συνεχούς ρεύματος με βούρτσα, μετατροπέα, μονοπολικοί και γενικής χρήσης κινητήρες συνεχούς ρεύματος. Κάθε ένα από αυτά τα είδη έχει τις δικές του θετικές και αρνητικές ιδιότητες. Θα πρέπει να δοθεί μια σύντομη περιγραφή καθενός από αυτά.
Μοτέρ με βούρτσα DC
Υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός πιθανών τρόπων εγκατάστασης κινητήρων αυτού του τύπου: ένας συλλέκτης και ένας ζυγός αριθμός κυκλωμάτων, πολλοί συλλέκτες και πολλά κυκλώματα περιέλιξης, τρεις συλλέκτες και ο ίδιος αριθμός στροφών περιέλιξης, τέσσερις συλλέκτες και δύο στροφές περιέλιξης, τέσσερις συλλέκτες και τέσσερα κυκλώματα στην άγκυρα, και τέλος - οκτώ συλλέκτες με άγκυρα χωρίς πλαίσιο.
Αυτός ο τύπος κινητήρα χαρακτηρίζεται από συγκριτική απλότητα εκτέλεσης και παραγωγής. Γι' αυτό το λόγο έχει γίνει γνωστός ως γενικός κινητήρας, η εφαρμογή του οποίου είναι πολύ εκτεταμένη: από παιχνίδια τηλεκατευθυνόμενα αυτοκίνητα έως πολύ περίπλοκες και υψηλής τεχνολογίας εργαλειομηχανές CNC κατασκευασμένες στη Γερμανία ή την Ιαπωνία.
Σχετικά με τους κινητήρες μετατροπέα
Γενικά, αυτός ο τύπος κινητήρα μοιάζει πολύ με τον συλλέκτη και έχει τα ίδια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Η μόνη διαφορά είναι στον μηχανισμό εκτόξευσης: είναι περισσότεροτέλειο, το οποίο σας επιτρέπει να αντιστρέψετε εύκολα την ταχύτητα και να προσαρμόσετε την ταχύτητα του ρότορα. Έτσι, η απόδοση αυτού του τύπου κινητήρα συνεχούς ρεύματος είναι ανώτερη από τους κινητήρες συλλέκτη σε πολλές παραμέτρους.
Αλλά αν υπάρχει κέρδος σε κάτι, τότε σε μερικά πράγματα θα υπάρξει απώλεια. Αυτός είναι ένας αναμφισβήτητος νόμος του σύμπαντος. Έτσι σε αυτή την περίπτωση: η ανωτερότητα παρέχεται από μια αρκετά περίπλοκη και ιδιότροπη τεχνική, η οποία συχνά αποτυγχάνει. Σύμφωνα με έμπειρους ειδικούς, η επισκευή κινητήρων DC τύπου inverter είναι αρκετά δύσκολη. Μερικές φορές ακόμη και έμπειροι ηλεκτρολόγοι δεν μπορούν να διαγνώσουν μια δυσλειτουργία στο σύστημα.
Χαρακτηριστικά μονοπολικών κινητήρων συνεχούς ρεύματος
Η αρχή λειτουργίας παραμένει η ίδια και βασίζεται στην αλληλεπίδραση των μαγνητικών πεδίων του αγωγού με το ρεύμα και τον μαγνήτη. Αλλά ο αγωγός ρεύματος δεν είναι ένα καλώδιο, αλλά ένας δίσκος που περιστρέφεται σε έναν άξονα. Το ρεύμα παρέχεται ως εξής: η μία επαφή κλείνει στον μεταλλικό άξονα και η άλλη, μέσω της λεγόμενης βούρτσας, συνδέει την άκρη του μεταλλικού κύκλου. Ένας τέτοιος κινητήρας, όπως φαίνεται, έχει μάλλον περίπλοκο σχεδιασμό και επομένως συχνά αποτυγχάνει. Η κύρια εφαρμογή είναι η επιστημονική έρευνα στον τομέα της φυσικής του ηλεκτρισμού και της ηλεκτρικής κίνησης.
Χαρακτηριστικά των γενικών κινητήρων μεταγωγέα
Καταρχήν, αυτός ο τύπος κινητήρα δεν φέρει τίποτα νέο. Αλλά έχει ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό - την ικανότητα να λειτουργεί ωςαπό το δίκτυο DC και από το δίκτυο AC. Μερικές φορές αυτή η ιδιότητά του μπορεί να εξοικονομήσει σημαντικά χρήματα για την επισκευή και τον εκσυγχρονισμό του εξοπλισμού.
Η συχνότητα εναλλασσόμενου ρεύματος είναι αυστηρά ρυθμισμένη και είναι 50 Hertz. Με άλλα λόγια, η κατεύθυνση κίνησης των αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων αλλάζει 50 φορές το δευτερόλεπτο. Κάποιοι πιστεύουν λανθασμένα ότι ο ρότορας ενός ηλεκτροκινητήρα πρέπει επίσης να αλλάζει φορά περιστροφής (δεξιόστροφα - αριστερόστροφα) 50 φορές το δευτερόλεπτο. Εάν αυτό ίσχυε, τότε οποιαδήποτε χρήσιμη εφαρμογή ηλεκτρικών κινητήρων AC θα ήταν εκτός συζήτησης. Τι συμβαίνει στην πραγματικότητα: το ρεύμα των περιελίξεων του οπλισμού και του στάτη συγχρονίζεται χρησιμοποιώντας τους απλούστερους πυκνωτές. Και επομένως, όταν αλλάζει η κατεύθυνση του ρεύματος στο πλαίσιο του οπλισμού, αλλάζει και η κατεύθυνσή του στον στάτορα. Έτσι, ο ρότορας περιστρέφεται συνεχώς προς μία κατεύθυνση.
Δυστυχώς, η απόδοση αυτού του τύπου κινητήρα DC είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή των κινητήρων μετατροπέα και μονοπολικών. Ως εκ τούτου, η χρήση του περιορίζεται σε σχετικά στενές περιοχές - όπου είναι απαραίτητο να επιτευχθεί η μέγιστη αξιοπιστία με οποιοδήποτε κόστος, χωρίς να λαμβάνεται υπόψη το λειτουργικό κόστος (για παράδειγμα, η στρατιωτική μηχανική).
Τελικές ρήτρες
Η τεχνολογία δεν μένει ακίνητη, και σήμερα πολλές επιστημονικές σχολές σε όλο τον κόσμο ανταγωνίζονται μεταξύ τους και προσπαθούν να δημιουργήσουν έναν φθηνό και οικονομικό κινητήρα με υψηλή απόδοση και απόδοση. Η ισχύς των ηλεκτροκινητήρων συνεχούς ρεύματος αυξάνεται από χρόνο σε χρόνο, ενώ τουςκατανάλωση ενέργειας.
Οι επιστήμονες προβλέπουν ότι το μέλλον θα καθοριστεί από τον ηλεκτρικό εξοπλισμό και η εποχή του πετρελαίου θα τελειώσει πολύ σύντομα.
