Физика. Простейший электродвигатель из батарейки
 Скачать 460.34 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий» Уфимский авиационный техникум Проектная работа Тема: «Простейший электродвигатель из батарейки » Выполнил: Шлегель Руслан Вячеславович, Рт-1222 Проверил: Абдуллина Г.Р. Уфа, 2023 г. Содержание: Введение...........................................................................3 Основная часть..................................................................4 История создания электродвигателя...............................5 Виды электродвигателей. Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателя..................7 Электродвигатели в быту и технике.............................10 Заключение......................................................................12 Список литературы.........................................................13 Введение Электродвигатель — это устройство, используемое для преобразования электроэнергии в механическую энергию, противоположную электрическому генератору. Они работают, используя принципы электромагнетизма, который показывает, что сила прилагается, когда в магнитном поле присутствует электрический ток. Эта сила создает крутящий момент на проволочной петле, находящейся в магнитном поле, что заставляет двигатель вращаться и выполнять полезную работу. Сейчас электродвигатели применяются в самых разных областях науки и техники. Они являются самыми экономными и экологичными, обладают самым высоким КПД среди всех видов двигателей. Актуальность моей работы заключается в том, что электродвигатель является простейшим устройством, которое помогает нам в решении бытовых и производственных задач и без которого нельзя обойтись в нашей жизни. Цель исследования : определить принцип действия электрического двигателя. Задачи: Определить что такое электродвигатель? Какие принципы действия лежат в основе электрического двигателя? Где мы используем электродвигатель? 3 Основная часть Электродвигатели обладают целым рядом преимуществ по сравнению с тепловыми двигателями, которые работают за счёт энергии сжигаемого топлива. Прежде всего, электродвигатели экологически целесообразны: они не загрязняют атмосферу, им не нужен запас топлива и т. д. Последние годы ведутся работы по замене в автомобилях двигателей внутреннего сгорания на электрические. Есть надежда, что города нашей планеты скоро избавятся от выхлопных газов. Кроме того, современные электродвигатели можно изготовить любой мощности: от нескольких ватт, как, например, в бытовых домашних приборах, до сотен и тысяч киловатт в промышленном производстве. При одинаковой мощности электрические двигатели имеют существенно меньшие размеры, чем тепловые. И наконец, коэффициент полезного действия электрических двигателей гораздо выше, чем тепловых. КПД мощных электродвигателей достигает 98%, что невозможно ни для какого другого двигателя. Электродвигатели, используемые сегодня в промышленности, работают в основном на переменном токе. Но и двигатели постоянного тока достаточно широко используются, особенно на транспорте. Электропоезда, трамваи, троллейбусы работают на постоянном токе. Микроэлектродвигатели постоянного тока широко применяют в системах автоматического регулирования, в бытовых приборах — электробритвах, кофемолках и т. д. Мощные электродвигатели используются главным образом для приведения в действие прокатных станов, подъёмных кранов и пр. 4 История создания электродвигателя Один из первых совершенных электродвигателей, работавших от батареи постоянного тока, создал в 1834 году русский электротехник Борис Семенович Якоби. Этот двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна группа (четыре П-образных электромагнита) располагалась 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. Положим, что подвижные электромагниты занимают положение, в котором 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. 5 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 из 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 устройствами). 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 представлено 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. 6 Виды электродвигателей. Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателяСегодня существуют довольно много электродвигателей разных конструкций и типов. Их можно разделить по типу электропитания: Переменного тока, работающие напрямую от электросети. Постоянного тока, которые работают от батареек, АКБ, блоков питания или других источников постоянного тока По принципу работы: Синхронные, в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока. Асинхронные, самый простой и распространенный вид мотора. В них нет щеток и обмоток на роторе. Синхронный мотор вращается синхронно с магнитным полем, которое его вращает, а у асинхронного ротор вращается медленнее вращающегося магнитного поля в статоре . Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателя  7 В корпусе асинхронного двигателя укладываются обмотки статора (для 380 Вольт их будет 3), которые создают вращающееся магнитное поле. Концы их для подключения выводятся на специальную клеммную колодку. Охлаждаются обмотки, благодаря вентилятору, установленному на вале в торце электродвигателя. Ротор, являющиеся одним целым с валом, изготавливается из металлических стержней, которые замыкаются между собой с обоих сторон, поэтому он и называется короткозамкнутым. Благодаря такой конструкции отпадает необходимость в частом периодическом обслуживании и замене токоподающих щеток, многократно увеличивается надежность, долговечность и безотказность. Как правило, основной причиной поломки асинхронного мотора является износ подшипников, в которых вращается вал.  8 Принцип работы. Для того что бы работал асинхронный двигатель необходимо, что бы ротор вращался медленнее электромагнитного поля статора, в результате чего наводится ЭДС (возникает электроток) в роторе. Здесь важное условие, если бы ротор вращался с такой же скоростью как и магнитное поле, то в нем по закону электромагнитной индукции не наводилось бы ЭДС и, следовательно не было бы вращения. Но в реальности, из-за трения подшипников или нагрузки на вал, ротор всегда будет вращаться медленнее. Магнитные полюса постоянно вращаются в обмотках мотора, и постоянно меняется направление тока в роторе. В один момент времени, например направление токов в обмотках статора и ротора изображено схематично в виде крестиков (ток течет от нас) и точек (ток на нас). Вращающееся магнитное поле изображено изображено пунктиром. Например, как работает циркулярная пила. Наибольшие обороты у нее без нагрузки. Но как только мы начинаем резать доску, скорость вращения уменьшается и одновременно с этим ротор начинает медленнее вращаться относительно электромагнитного поля и в нем по законам электротехники начинает наводится еще большей величины ЭДС. Вырастает потребляемый ток мотором и он начинает работать на полной мощности. Если же нагрузка на вал будет столь велика, что его застопорит, то может возникнуть повреждение короткозамкнутого ротора из-за максимальной величины наводимой в нем ЭДС. Вот почему важно подбирать двигатель, подходящей мощности. Если же взять большей, то неоправданными будут энергозатраты. Скорость вращения ротора зависит от количества полюсов. При 2 полюсах скорость вращения будет равна скорости вращения магнитного поля, равного максимум 3000 оборотов в секунду при частоте сети 50 Гц. Что бы понизить скорость вдвое, необходимо увеличить количество полюсов в статоре до четырех 9 Электродвигатели в быту и технике Бытовые электродвигатели сегодня заслуженно считаются практически базовым компонентом бытовых электроприборов. Так как бытовые электромашины и приборы отличаются по своим функциональным и мощностным возможностям, то и конструкции электродвигателей обладают существенными различиями. Бытовые электродвигатели, согласно основной классификации, делятся на электродвигатели для бытовой техники постоянного и переменного тока. Электродвигатель посудомоечной машины. Рециркуляционный насос посудомоечной машины, призванный закачать воду в моющие души машины, имеет в качестве привода небольшой однофазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Частота вращения ротора составляет примерно 2800 оборотов в минуту, а мощность его может быть разной - от 60 до 180 ватт обычно, в зависимости от вместительности посудомоечной машины. Обмотка двигателя оснащена параллельно рабочим конденсатором, типичная емкость которого составляет 3 мкф. Данный двигатель прекрасно справляется со своей задачей — вращает крыльчатку насоса, нагнетает воду. Коллекторный двигатель кофемолки. В кофемолках применяют однофазные коллекторные моторы. Такие моторы имеют обмотки как на статоре, так и на роторе. Через коллекторно-щеточный узел питание подается на обмотки ротора, и скорость вращения лезвий кофемолки получается огромной. Моторы типичных домашних кофемолок питаются переменным током, и обладают мощностью до 180 ватт. Они развивают обороты значительно превышающие 3000 в минуту, и могут достигать 20000 и более оборотов в минуту, это особенность коллекторных моторов. Однофазный коллекторный двигатель кухонного комбайна. Кухонный комбайн также оснащен однофазным коллекторным двигателем, однако более мощным, чем в кофемолках. Мощность двигателя кухонного комбайна может достигать киловатта, а обороты здесь регулируются посредством тиристорных схем управления, по принципу наподобие светорегуляторов - диммеров. Преимущество коллекторного двигателя, применительно к кухонному комбайну, — высокий крутящий момент и высокие максимальные обороты, поскольку двигатель не является ни синхронным, ни обычным асинхронным, его скорость мало зависит от частоты, больше — от среднего тока. 10 Мотор прямого привода стиральной машины. В более современных стиральных машинах применяются моторы прямого привода, бесщеточные асинхронные моторы. В качестве ротора — внешний ротор с 12 постоянными магнитами, а в качестве статора — внутренний 36 катушечный статор. Катушки объединены в три группы по 12 штук, и позволяют реализовать трехфазное частотное управление скоростью вращения барабана (частота до 300 герц) посредством электронного BLDC – контроллера, и мощностью (моментом вращения) посредством ШИМ — регулирования. Данные моторы относятся к асинхронным, и управляются при помощи BLDC – инвертора, где постоянное напряжение в районе 325 вольт подается импульсами последовательно на три группы катушек статора. Скорость достигает 1500 оборотов в минуту, а мощность в районе 1300 ватт. Устройство современного пылесоса. Наиболее передовые пылесосы с импульсными магнитными моторами, где на роторе расположены постоянные неодимовые магниты, достигают 100000 оборотов в минуту за счет опять же BLDC – импульсной технологии управления. Такие моторы являются настоящим чудом инженерной мысли. Мотор интегрирован в систему всасывания и фильтрации, мощность при работе достигает 1300 ватт, то есть такой мотор в пылесосе работает более эффективно, чем коллекторный. 11 Заключение В основе физических процессов, возникающих при работе такого моторчика, лежит сила Лоренца. При правильной сборке магнит и медная проволока образуют контур, который рядом с батареей начинает генерировать магнитное поле, направленное перпендикулярно вектору скорости, что и заставляет проволоку вращаться. Данный опыт также позволяет наблюдать побочный эффект в работе любого электродвигателя — выделение тепла. Уже спустя минуту батарея станет горячей. Опыт демонстрирует, как с помощью медной проволоки, батарейки и магнита можно сделать электромотор. За счет источника электричества (батарейки) заряженные частицы в проводнике (проволоке) упорядоченно движутся. При воздействии на него магнитным полем траектория частиц отклоняется согласно правилу «левой руки».  12 Список литературы : Физика 8 класс Пурушева https://sekretmira.ru/raznoe/elektrodvigatel-kto-pridumal.html http://elektro-enot.ru/ustrojstvo-i-princip-raboty-elektrodvigatelya/ Архипцев, Ю.Ф. Асинхронные электродвигатели / Ю.Ф. Архипцев. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 108 c. https://obrazovanie-gid.ru/soobscheniya/elektrodvigateli-v-bytu-i-tehnike-soobschenie.html Типовая инструкция по эксплуатации электродвигателей в установках собственных нужд электростанций. СО 34.45.509-2005. - М.: Энергия, 2014. 13 Список литературы : Физика 8 класс Пурушева https://sekretmira.ru/raznoe/elektrodvigatel-kto-pridumal.html http://elektro-enot.ru/ustrojstvo-i-princip-raboty-elektrodvigatelya/ Архипцев, Ю.Ф. Асинхронные электродвигатели / Ю.Ф. Архипцев. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 108 c. https://obrazovanie-gid.ru/soobscheniya/elektrodvigateli-v-bytu-i-tehnike-soobschenie.html Типовая инструкция по эксплуатации электродвигателей в установках собственных нужд электростанций. СО 34.45.509-2005. - М.: Энергия, 2014. |