webdonsk.ruКолесо барлоу своими руками
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 08.09.2024
Асинхронный двигатель – принцип работы и устройство
8 марта 1889 года величайший русский учёный и инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Современные трёхфазные асинхронные двигатели являются преобразователями электрической энергии в механическую. Благодаря своей простоте, низкой стоимости и высокой надёжности асинхронные двигатели получили широкое применение.
Они присутствуют повсюду, это самый распространённый тип двигателей, их выпускается 90% от общего числа двигателей в мире. Асинхронный электродвигатель поистине совершил технический переворот во всей мировой промышленности.
Огромная популярность асинхронных двигателей связана с простотой их эксплуатации, дешивизной и надежностью.
Асинхронный двигатель – это асинхронная машина, предназначенная для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию. Само слово “асинхронный” означает не одновременный.
При этом имеется ввиду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели, как понятно из определения, от сети переменного тока.
Устройство
На рисунке: 1 – вал, 2,6 – подшипники, 3,8 – подшипниковые щиты, 4 – лапы, 5 – кожух вентилятора, 7 – крыльчатка вентилятора, 9 – короткозамкнутый ротор, 10 – статор, 11 – коробка выводов.
Основными частями асинхронного двигателя являются статор (10) и ротор (9).
Статор имеет цилиндрическую форму, и собирается из листов стали. В пазах сердечника статора уложены обмотки статора, которые выполнены из обмоточного провода. Оси обмоток сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. В зависимости от подаваемого напряжения концы обмоток соединяются треугольником или звездой.
Роторы асинхронного двигателя бывают двух видов: короткозамкнутый и фазный ротор.
Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, набранный из листов стали.
В пазы этого сердечника заливается расплавленный алюминий, в результате чего образуются стержни, которые замыкаются накоротко торцевыми кольцами. Эта конструкция называется “беличьей клеткой“.
В двигателях большой мощности вместо алюминия может применяться медь. Беличья клетка представляет собой короткозамкнутую обмотку ротора, откуда собственно название.
Фазный ротор имеет трёхфазную обмотку, которая практически не отличается от обмотки статора. В большинстве случаев концы обмоток фазного ротора соединяются в звезду, а свободные концы подводятся к контактным кольцам.
С помощью щёток, которые подключены к кольцам, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочный резистор. Это нужно для того, чтобы можно было изменять активное сопротивление в цепи ротора, потому что это способствует уменьшению больших пусковых токов.
Подробнее о фазном роторе можно прочитать в статье – асинхронный двигатель с фазным ротором.
Принцип работы
При подаче к обмотке статора напряжения, в каждой фазе создаётся магнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти магнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120°, как во времени, так и в пространстве. Результирующий магнитный поток оказывается при этом вращающимся.
Результирующий магнитный поток статора вращается и тем самым создаёт в проводниках ротора ЭДС.
Так как обмотка ротора, имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который в свою очередь взаимодействуя с магнитным потоком статора, создаёт пусковой момент двигателя, стремящийся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Когда он достигает значения, тормозного момента ротора, а затем превышает его, ротор начинает вращаться. При этом возникает так называемое скольжение.
Скольжение s – это величина, которая показывает, насколько синхронная частота n1 магнитного поля статора больше, чем частота вращения ротора n2, в процентном соотношении.
Скольжение это крайне важная величина.
В начальный момент времени она равна единице, но по мере возрастания частоты вращения n2 ротора относительная разность частот n1-n2 становится меньше, вследствие чего уменьшаются ЭДС и ток в проводниках ротора, что влечёт за собой уменьшение вращающего момента.
В режиме холостого хода, когда двигатель работает без нагрузки на валу, скольжение минимально, но с увеличением статического момента, оно возрастает до величины sкр – критического скольжения.
Если двигатель превысит это значение, то может произойти так называемое опрокидывание двигателя, и привести в последствии к его нестабильной работе. Значения скольжения лежит в диапазоне от 0 до 1, для асинхронных двигателей общего назначения оно составляет в номинальном режиме – 1 – 8 %.
Как только наступит равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора и тормозным моментом создаваемым нагрузкой на валу двигателя процессы изменения величин прекратятся.
Выходит, что принцип работы асинхронного двигателя заключается во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. Причём вращающий момент может возникнуть только в том случае, если существует разность частот вращения магнитных полей.
Рекомендуем к прочтению – однофазный асинхронный двигатель.
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4.74 (430 Голоса)
Первые конструкции электродвигателей постоянного тока. Часть 1
Электрическая машина прошла длинный и сложный путь от физических игрушек и лабораторных приборов до завершенных промышленных конструкций. Однако вначале развитие электрических генераторов и электрических двигателей шло совершенно различными путями, что вполне соответствовало состоянию науки об электричестве и магнетизме того периода: принцип обратимости электрической машины был открыт в 30-х годах
, но его использование в широких масштабах начинается лишь
с 70-х годов ХIХ века
.
Так как в период до 1870 г. все первые потребители электрической энергии питались исключительно постоянным током и этот род тока был наиболее изучен, то и первые электрические машины были машинами постоянного тока.
В развитии электродвигателя постоянного тока можно наметить три основных этапа, которые ниже будут последовательно рассмотрены. Следует заметить, что это разделение на этапы является условным, так как конструкции и принципы действия электродвигателей, характерные для одного этапа, в отдельных случаях появлялись вновь спустя много лет; с другой стороны, более поздние и более прогрессивные конструкции в их зародышевой форме нередко можно найти в первоначальном периоде развития электродвигателя.
Первый этап развития электрических двигателей постоянного тока
Начальный период развития электродвигателя (1821 — 1834 гг.) характеризуется созданием физических приборов, демонстрирующих непрерывное преобразование электрической энергии в механическую. Первым таким прибором была установка Фарадея для демонстрации взаимного вращения магнитов и проводников с током.
Исследуя взаимодействие проводников с током и магнитов, Фарадей в 1821 г. установил, что электрический ток, проходящий по проводнику, может заставить этот проводник совершать вращение вокруг магнита или вызывать вращение магнита вокруг проводника. Следовательно, опыт Фарадея являлся наглядной иллюстрацией принципиальной возможности построения электродвигателя
Возможность превращения электрической энергии в механическую была показана и во многих других экспериментах. Так, в книге П. Барлоу
Колесо Барлоу по принципу действия представляет собой униполярную электрическую машину, работающую в двигательном режиме: в результате взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов и тока, проходящего через оба медных зубчатых колеса, сидящих на одной оси, колеса начинают быстро вращаться. Легко определить (пользуясь, например, правилом левой руки), что оба колеса будут вращаться в одном и том же направлении.
Барлоу установил, что перемена контактов или перемена положения полюсов магнитов немедленно вызывает перемену направления вращения колес. Колесо Барлоу не имело практического значения и остается до сих пор лабораторным демонстрационным прибором.
Электродвигатель Генри
Это устройство, как и колесо Барлоу, не пошло дальше лабораторных демонстраций, и сам изобретатель не придавал ему серьезного значения.
В историческом аспекте электродвигатель Генри интересен тем, что в этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноименных и отталкивание одноименных магнитных полюсов для получения непрерывного движения (в данном случае — качательного). Изменение полярности электромагнита за счет перемены направления протекающего по его обмотке тока приводило электромагнит в равномерное качательное движение.
В модели, построенной самим Генри, электромагнит совершал 75 качаний в минуту. Мощность двигателей подобного типа была очень небольшой: один из таких двигателей, построенный в 1831 г., имел мощность 0,044 вт (по современным подсчетам).
Как на первом этапе, так и позднее было предложено много конструкций двигателей с качательным движением якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки построить электродвигатель с вращательным движением якоря.
Принцип работы и устройство асинхронного двигателя
Асинхронный (индукционный) двигатель – механизм, превращающий силу переменного тока в механическую. Под асинхронным подразумевают, что скорость движения магнитной силы статора выше аналогичной величины оборотов ротора.
Для того, чтобы получше представлять, что такое асинхронный двигатель и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя, где он используется и как работает, необходимо разобраться в его составных частях и деталях, исследовать технические характеристики. Кроме того, не лишним будет понять, как происходит преобразование силы во время пуска и где используется асинхронный двигатель на практике.
В сегодняшней статье мы попробуем ответить на самые интересные вопросы, связанные с асинхронными двигателями, разобраться в том, что такое устройство однофазного асинхронного двигателя, рассмотрим принципы работы, а также плюсы и минусы данного типа устройств.
Немного истории
Первый подобный механизм электродвигателей появился еще в 1888 году и представил его американский инженер Никола Тесла. Однако, его опытный образец устройства и был не самым удачным, так как был двух фазным или много фазным и рабочие характеристики асинхронного двигателя не удовлетворяли потребителей. Поэтому широкого распространения не получил.
А вот благодаря российскому ученому Михаилу Доливо-Доброволь скому в изобретение удалось вдохнуть новую жизнь. Именно ему принадлежит первенство в деле создания первого в мире трехфазного асинхронного мотора.
Такое усовершенствование конструкции стало революционным, так как принцип работы трехфазного асинхронного двигателя позволял использовать для работы всего три провода, а не четыре.
Так что для плавного пуска устройства в массовое производство препятствий больше не оставалось.
Сегодня, благодаря своей простоте эти машины получили широкое распространение, а механическая характеристика асинхронного двигателя устраивает всех водителей.
Каждый год доля асинхронных двигателей, среди всех двигателей мира, составляет 90%.
Простота в использовании, принцип действия асинхронного двигателя, легкий пуск, надежность и дешевизна, помогли этим моторам распространиться по всему миру и буквально совершить технический переворот в промышленности.
Принцип работы трехфазного двигателя основан на питании от трех фаз переменного тока в стандартной сети. Для работы ему требуется именно такое электричество и поэтому он назван трех фазным.
Устройство трехфазного двигателя
Любой мотор асинхронного типа, независимо от его мощности и размеров, состоит из одних и тех же частей, механическая характеристика асинхронного двигателя также одна и та же. Главными среди составляющих являются:
- статор (неподвижная часть машины)
- ротор (вращающаяся часть)
Помимо этого, в современных трех фазных двигателях можно найти следующие детали:
- вал
- подшипники
- обмотку
- заземление
- корпус (в который монтируются все детали)
Как уже указывалось выше, базовые элементы двигателя — это статор (неподвижная часть) и ротор (подвижная деталь).
Статор выполнен в виде цилиндра, составлен данный элемент из множества металлических, форменных листов. Внутренняя часть создана таким образом, чтобы расположить обмотку. Центры обмоток расположены под углом в 120 градусов, а подключение происходит, исходя из доступного напряжения и двух возможных вариантов: на три или пять контактов.
Разновидности двигателей переменного тока
Так как ток у нас переменный синусоидальный, то следует и ожидать, что ротор двигателя на нем будет вращаться с его частотой синхронно или не совсем. Поэтому и двигатели переменного тока бывают синхронные и асинхронные.
Кроме того, переменный ток бывает однофазный и многофазный. Соответственно, и двигатели переменного тока могут быть рассчитаны на определенное количество фаз.
Синхронный двигатель переменного тока
У синхронного двигателя ротор вращается синхронно с изменением электромагнитного поля в статоре. То есть пропорционально частоте напряжения в сети. Пропорция зависит от количества полюсов обмоток на статоре. Если полюсных обмоток всего две — одна сверху и одна снизу — то движение ротора будет строго синхронно частоте напряжения питания. Если количество катушек (обмоток) увеличить вдвое, то и скорость вращения увеличится вдвое, так как магнитное поле в обмотках будет бежать по ним вдвое быстрее.
В роторе могут быть установлены постоянные магниты, но при этом большой мощности двигателя добиться трудно. Поэтому и в роторе используются электромагниты, на обмотки которых подается отдельное напряжение возбуждения. Для этого используют коллектор и щетки, почти такие же, как у двигателя постоянного тока. А для создания напряжения возбуждения может быть использован отдельный генератор постоянного тока, насаженный на ту же ось. В этом случае можно обойтись и без коллектора, а подавать напряжение возбуждения с одного вращающегося ротора (генератора) на другой (двигателя).
Как видим, система получается довольно замысловатой.
Самое главное преимущество таких двигателей — синхронность.
После обнаружения Эрстедом магнитного действия тока начались эксперименты по преобразованию электрической энергии в механическое движение, а их результат продемонстрировали Фарадей, Барлоу, Ричи, Генри и другие ученые в своих приборах вращательного и качательного движения
Предыдущие статьи данного цикла [1 –4] были посвящены зарождению теории и практики автоматического регулирования в XIX веке, который начинался как век пара. Однако в конце этого века на смену пару приходит электричество, поэтому многие объекты регулируют уже с помощью электромеханических систем на базе двигателей постоянного и переменного тока. Это приводит к появлению различных видов электродвигателей, генераторов, датчиков, усилителей и других элементов систем автоматики. В настоящей статье будут рассмотрены первые опыты по использованию электричества в механических системах, выполненные в начале XIX века.
Необычное явление, несомненно свидетельствующее о магнитном действии тока, вызвало огромный интерес ученых и сразу же породило вопрос о возможности непрерывного электромагнитного вращения. Ответить на этот вопрос смог только гений экспериментального искусства Майкл Фарадей (Michael Faraday) [5, 7].
Великий английский физик Майкл Фарадей (рис. 1) происходил из простой семьи, дед его был кузнецом. Никакой школы, кроме начальной, он не закончил, и во всех его многочисленных работах вы не встретите ни одной математической формулы. Свои разносторонние знания Фарадей приобрел самостоятельно. Сначала работал учеником переплетчика в книжном магазине, внимательно изучая все попавшиеся ему книжки, особенно естественнонаучные, а потом ему посчастливилось посетить несколько лекций знаменитого химика Гемфри Дэви (Humphry Davy), президента Лондонского королевского общества (английский аналог Академии наук), читавшего лекции для широкой публики в Королевском институте. Заметив пытливого слушателя, Дэви пригласил его в Королевский институт сначала лаборантом, а затем и ассистентом, в обязанности которого входили подготовка и проведение всех опытов профессоров. В свободное время Фарадей стал заниматься собственными экспериментами и в 1821 г. добился непрерывного электромагнитного вращения с помощью прибора, состоявшего из двух последовательно включенных устройств (рис. 2), которые уже можно назвать электрическими двигателями [5].
Оба двигателя содержали серебряные чаши (1) и (2) с ртутью, постоянные магниты (3) и (4), проводники (5) и (6) на стойке (7), погруженные в ртуть. Двигатели отличались друг от друга тем, что в правом магнит (4) был неподвижен и проводник (6) свободно вращался вокруг магнита, а в левом двигателе наоборот: проводник (5) был неподвижным, а магнит (3) вращался.
Рассмотрим подробнее принцип действия правого двигателя, показанный на рис. 3, с предположением, что магнит имеет северный полюс N наверху. Поскольку магнитный поток магнита Ф направлен на рисунке вправо, то, по правилу левой руки, сила Ампера f, действующая на проводник с током в магнитном поле, направлена вниз и проводник начинает вращаться по часовой стрелке. Аналогично действует и левый двигатель на рис. 2, только в этом случае проводник (5) неподвижен, а вокруг него вращается магнит (3).
Публикация Фарадеем этого опыта неожиданно вызвала обвинения в плагиате, в том числе и от его непосредственного патрона Дэви, препятствовавшего в 1823 г. его избранию в члены Королевского общества [7]. Дело заключалось в следующем. Непосредственным поводом к проведению эксперимента послужила заказанная научным журналом статья по развитию науки об электричестве и магнетизме, для которой молодой ассистент решил самостоятельно проверить все известные критические опыты, а затем попробовать получить электромагнитное вращение.
Оригинальность своих идей и научную проницательность Фарадей впоследствии неоднократно подтвердил многочисленными открытиями в электрохимии, оптике, изучении диэлектриков, электрического разряда в газах и электромагнетизме, вершиной которых было открытие в 1831 г. электромагнитной индукции. В честь него названы единицы емкости конденсатора (1 фарад) и величина заряда в электрохимии (1 фарадей).
Вслед за открытием Фарадея сразу же появились и другие электродвигатели, описанные, например, в работах [5, 8, 9]. Среди первых был прибор, созданный в 1824 г. английским физиком и математиком Питером Барлоу (Peter Barlow), показанный на рис. 4. Медное зубчатое колесо (1), частично погруженное в ванну с ртутью (2), помещено между полюсами подковообразного магнита (3). При прохождении тока от оси колеса вниз через ванну возникает сила Ампера, вызывающая вращение колеса, направление которого определяется полюсами магнита. Отметим попутно, что, как доказал коллега Барлоу, физик и изобретатель Уильям Стёрджен (William Sturgeon), зубчатость диска здесь не имеет принципиального значения. Точно так же вращается и круглый диск, погруженный в ртуть.
Здравствуйте! Недавно мне на глаза попалась статья "Линза Барлоу своими руками". Решил попробовать ее сделать. У меня был советский театральный бинокль 1953 г. с хорошей просветленной оптикой. Я извлек из него рассеивающую линзу и ее оправу. В итоге получилась линза Барлоу 2х.
Посмотрел на Юпитер. С линзой Барлоу заметны потемнения у полюсов. Нормально работает. Ясного неба!
Рисунок 2. Схема установки Фарадея для демонстрации электромагнитного вращения.
С помощью данного устройства Фарадей наглядно продемонстрировал, что ток, проходящий по проводнику, заставляет проводник вращаться вокруг магнита, либо магнит вращаться вокруг проводника.
Рисунок 3. Колесо Барлоу.
Колесо Барлоу представляло собой пару зубчатых колес из меди, расположенных на одной оси, соприкасавшихся со ртутью в желобах, и находящихся между полюсами постоянных магнитов.При прохождении тока через зубчатые колеса в результате взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов и магнитного поля проводника оба колеса начинали синхронно вращаться вокруг своей оси. Экспериментируя с данной установкой, Барлоу установил, что при изменении полярности контактов или расположении полюсов магнита направление вращения колес немедленно изменялось. Хотя практического применения колесо Барлоу не нашло, оно до сих пор выполняет роль демонстрационного лабораторного прибора и подтолкнуло развитие исследований и проведение новых экспериментов, тем самым приблизив возможность построения практически пригодного электродвигателя.[3]
В качестве примера альтернативной конструкции электродвигателя можно привести прибор, разработанный английским ученым У. Риччи, показанным на рис. 4. [2], [3]
Рисунок 4. Электродвигатель Риччи.
В этом двигателе магнитное поле создавалось неподвижно закрепленным постоянным магнитом подковообразной формы, между полюсов которого находился электромагнит, закрепленный на вертикальной оси. Направление тока в электромагните периодически изменялось посредством своеобразно коммутатора, представлявшего собой желоб со ртутью, которой касались концы обмотки электромагнита. Этот коммутатор стал прообразом такой важнейшей детали современных двигателей постоянного тока, как коллектор.
Как и колесо Барлоу, устройство У. Риччи не нашло практического применения вследствие малой мощности и примитивности конструкции.
Рисунок 5. Конструктивная схема двигателя Генри
В модели устройства электромагнит совершал 75 качений в минуту, мощность по-прежнему была небольшой: один из двигателей, построенный по этому принципу выдавал мощность порядка 0.044 Вт. [2]
Наиболее характерной особенностью подавляющего большинства предложенных конструкций двигателя на первом этапе развития было использование качательного движения якоря. И лишь с предложением использовать вращательное движение произошел переход ко второму этапу развития электродвигателей постоянного тока. Однако попытки использования качательного движения предпринимались и позднее.
Читайте также: