Het werkingsprincipe en het apparaat van de elektromotor

Elke elektromotor is ontworpen om mechanisch werk uit te voeren vanwege het elektriciteitsverbruik dat erop wordt toegepast, wat meestal wordt omgezet in een roterende beweging. Hoewel er in de technologie modellen zijn die onmiddellijk een translatiebeweging van het werkende lichaam creëren. Dit worden lineaire motoren genoemd.

In industriële installaties drijven elektromotoren verschillende metaalsnijmachines en mechanische apparaten aan die betrokken zijn bij het technologische productieproces.

In huishoudelijke apparaten laten elektromotoren wasmachines, stofzuigers, computers, haardrogers, kinderspeelgoed, klokken en vele andere apparaten draaien.

Fundamentele fysieke processen en werkingsprincipe

Bij verhuizing naar binnen magnetisch veld elektrische ladingen, die elektrische stromen worden genoemd, hebben altijd een mechanische kracht die de neiging heeft hun richting af te buigen in een vlak loodrecht op de oriëntatie van de magnetische veldlijnen.Wanneer een elektrische stroom door een metalen draad of een daarvan gemaakte spoel gaat, heeft deze kracht de neiging om elke stroomvoerende draad en de hele spoel als geheel te bewegen/draaien.

De onderstaande foto toont een metalen frame waar stroom doorheen stroomt. Een magnetisch veld dat erop wordt uitgeoefend, creëert een kracht F voor elke tak van het frame, wat een roterende beweging veroorzaakt.

Deze eigenschap van de interactie van elektrische en magnetische energie, gebaseerd op het creëren van een elektromotorische kracht in een gesloten geleidende lus, wordt op elke elektromotor in werking gesteld. Het ontwerp omvat:

• een spoel waar een elektrische stroom doorheen gaat. Het wordt op een speciale ankerkern geplaatst en vastgezet in roterende lagers om de weerstand tegen wrijvingskrachten te verminderen. Dit ontwerp wordt een rotor genoemd;

• stator, die een magnetisch veld creëert, dat met zijn krachtlijnen elektrische ladingen doordringt die langs de windingen van de rotorwikkeling gaan;

• behuizing voor plaatsing stator. In de carrosserie zijn speciale stoelen gemaakt, waarbinnen de buitenste kooien van de rotorlagers zijn gemonteerd.

Het vereenvoudigde ontwerp van de eenvoudigste elektromotor kan worden weergegeven door een afbeelding van de volgende vorm.

Wanneer de rotor draait, wordt een koppel gegenereerd, waarvan het vermogen afhangt van het algemene ontwerp van het apparaat, de hoeveelheid toegepaste elektrische energie en de verliezen tijdens conversies.

De grootte van het maximaal mogelijke koppelvermogen van de motor is altijd kleiner dan de elektrische energie die erop wordt toegepast. Het wordt gekenmerkt door de efficiëntiewaarde.

Soorten elektromotoren

Afhankelijk van het type stroom dat door de spoelen vloeit, zijn ze onderverdeeld in gelijkstroom- of wisselstroommotoren.Elk van deze twee groepen heeft een groot aantal modificaties met behulp van verschillende technologische processen.

DC-motoren

Ze hebben een magnetisch statorveld dat wordt gecreëerd door een stationaire vaste permanente magneten of speciale elektromagneten met bekrachtigingsspoelen. De ankerspoel is stevig gemonteerd in de as, die gelagerd is en vrij rond zijn eigen as kan draaien.

De basisstructuur van een dergelijke motor wordt getoond in de figuur.

Op de kern van het anker, gemaakt van ferromagnetische materialen, bevindt zich een spoel bestaande uit twee in serie geschakelde delen, die aan het ene uiteinde zijn verbonden met de geleidende collectorplaten en aan het andere uiteinde met elkaar zijn verbonden. Twee grafietborstels bevinden zich aan diametraal tegenoverliggende uiteinden van het anker en worden tegen de contactvlakken van de collectorplaten gedrukt.

Op de onderste patroonborstel wordt een positieve DC-bronpotentiaal toegepast en op de bovenste een negatieve potentiaal. De richting van de stroom die door de spoel vloeit, wordt weergegeven door een gestippelde rode pijl.

De stroom zorgt ervoor dat het magnetische veld een noordpool heeft linksonder op het anker en een zuidpool rechtsboven op het anker (cardanische regel). Dit resulteert in afstoting van de rotorpolen van de stationaire polen met dezelfde naam en aantrekking tot de tegenovergestelde polen van de stator. Als gevolg van de uitgeoefende kracht ontstaat een roterende beweging, waarvan de richting wordt aangegeven door een bruine pijl.

Bij verdere rotatie van het anker door traagheid worden de polen overgebracht naar andere collectorplaten. De richting van de stroom erin is omgekeerd. De rotor blijft verder draaien.

Het eenvoudige ontwerp van een dergelijke collectorinrichting leidt tot grote verliezen aan elektrische energie.Dergelijke motoren werken in apparaten met een eenvoudig ontwerp of speelgoed voor kinderen.

De bij het productieproces betrokken gelijkstroom-elektromotoren hebben een complexer ontwerp:

• de spoel is niet in tweeën verdeeld, maar in verschillende delen;

• elk deel van de spoel is op zijn eigen paal gemonteerd;

• het collectorapparaat is gemaakt met een bepaald aantal contactvlakken volgens het aantal wikkelingen.

Hierdoor ontstaat een soepele verbinding van elke pool via zijn contactplaten met de borstels en de stroombron en worden energieverliezen beperkt.

Het apparaat van zo'n anker wordt op de foto getoond.

Bij gelijkstroommotoren kan de draairichting van de rotor worden omgekeerd. Om dit te doen, volstaat het om de beweging van de stroom in de spoel in de tegenovergestelde richting te veranderen door de polariteit bij de bron te veranderen.

AC-motoren

Ze verschillen van eerdere ontwerpen doordat de elektrische stroom die in hun spoel vloeit, wordt beschreven door sinusvormige harmonische wetperiodiek van richting veranderen (teken). Om ze van stroom te voorzien, wordt spanning geleverd door generatoren met wisselende tekens.

De stator van dergelijke motoren wordt uitgevoerd door een magnetisch circuit. Het is gemaakt van ferromagnetische platen met groeven waarin de windingen van de spoel zijn geplaatst met een frame (spoel) configuratie.

Synchrone elektromotoren

De onderstaande foto toont het werkingsprincipe van een enkelfasige wisselstroommotor met synchrone rotatie van de elektromagnetische velden van de rotor en stator.

In de groeven van het magnetische circuit van de stator aan diametraal tegenoverliggende uiteinden worden wikkeldraden geplaatst, schematisch weergegeven in de vorm van een frame waar een wisselstroom doorheen stroomt.

Laten we eens kijken naar het geval van het moment in de tijd dat overeenkomt met de passage van het positieve deel van zijn halve golf.

In de lagercellen draait een rotor met ingebouwde permanente magneet vrij rond, waarin de noordelijke «N-monding» en de zuidelijke «S-monding» van de pool duidelijk zijn gedefinieerd. Wanneer een positieve halve stroomgolf door de statorwikkeling vloeit, wordt daarin een magnetisch veld met polen «S st» en «N st» gecreëerd.

Interactiekrachten ontstaan ​​tussen de magnetische velden van de rotor en de stator (waarbij de polen elkaar afstoten en in tegenstelling tot de polen elkaar aantrekken) die de neiging hebben om het motoranker vanuit elke positie naar het uiterste te draaien wanneer de tegenoverliggende polen zo dicht mogelijk bij elkaar zijn geplaatst een andere.

Als we hetzelfde geval beschouwen, maar voor het moment waarop het tegenovergestelde - een negatieve halve stroomgolf door de framedraad gaat, dan zal de rotatie van het anker in de tegenovergestelde richting plaatsvinden.

Om een ​​continue beweging van de rotor in de stator te garanderen, wordt niet één opwindframe gemaakt, maar een bepaald aantal, aangezien elk van hen wordt aangedreven door een afzonderlijke stroombron.

Werkingsprincipe van een driefasige AC-motor met synchrone rotatie, de elektromagnetische velden van de rotor en stator worden weergegeven in de volgende afbeelding.

In dit ontwerp zijn drie spoelen A, B en C gemonteerd in het magnetische circuit van de stator, verschoven over hoeken van 120 graden ten opzichte van elkaar. Spoel A is geel gemarkeerd, B is groen en C is rood. Elke spoel is gemaakt met dezelfde frames als in het vorige geval.

In de afbeelding stroomt de stroom in ieder geval door slechts één spoel in voorwaartse of achterwaartse richting, wat wordt aangegeven door de tekens «+» en «-«.

Wanneer de positieve halve golf fase A in voorwaartse richting passeert, neemt de as van het rotorveld een horizontale positie in, omdat de magnetische polen van de stator in dit vlak worden gevormd en het beweegbare anker aantrekken. De tegenovergestelde polen van de rotor hebben de neiging om de polen van de stator te naderen.

Wanneer de positieve halve golf in fase C gaat, zal het anker 60 graden met de klok mee draaien. Zodra stroom wordt toegepast op fase B, zal een vergelijkbare ankerrotatie optreden. Elke volgende stroom in de volgende fase van de volgende wikkeling zal de rotor doen draaien.

Als op elke wikkeling een driefasige netspanning wordt toegepast die over een hoek van 120 graden is verschoven, zullen er wisselstromen in circuleren, die het anker zullen roteren en zijn synchrone rotatie met het aangelegde elektromagnetische veld zullen creëren.

Hetzelfde mechanische ontwerp wordt met succes gebruikt in een driefasige stappenmotor ... Alleen in elke wikkeling door besturing speciale controller (stappenmotor driver) Constante pulsen worden toegepast en verwijderd volgens het hierboven beschreven algoritme.

Hun opstarten zorgt voor een roterende beweging en hun beëindiging op een bepaald moment zorgt voor een gemeten rotatie van de as en een stop in een geprogrammeerde hoek om bepaalde technologische bewerkingen uit te voeren.

In beide beschreven driefasensystemen is het mogelijk om de draairichting van het anker te wijzigen. Om dit te doen, hoeft u alleen maar de volgorde van de fasen «A» — «B» — «C» te wijzigen in een andere, bijvoorbeeld «A» — «C» — «B».

De snelheid van de rotor wordt geregeld door de lengte van de periode T. De vermindering ervan leidt tot een versnelling van de rotatie.De grootte van de amplitude van de stroom in de fase hangt af van de interne weerstand van de wikkeling en de waarde van de spanning die erop wordt toegepast. Het bepaalt de hoeveelheid koppel en vermogen van de elektromotor.

Asynchrone motoren

Deze motorontwerpen hebben hetzelfde magnetische statorcircuit met wikkelingen als in de eerder besproken enkelfasige en driefasige modellen. Ze ontlenen hun naam aan de asynchrone rotatie van het anker en de elektromagnetische velden van de stator. Dit wordt gedaan door de configuratie van de rotor te verbeteren.

De kern is gemaakt van gegroefde elektrische staalplaten. Ze zijn voorzien van aluminium of koperen stroomgeleiders, die aan de uiteinden van het anker zijn afgesloten met geleidende ringen.

Wanneer spanning wordt aangelegd op de statorwikkelingen, wordt een elektrische stroom geïnduceerd in de rotorwikkeling door elektromotorische kracht en wordt een magnetisch ankerveld gecreëerd. Wanneer deze elektromagnetische velden op elkaar inwerken, begint de motoras te draaien.

Met dit ontwerp is de beweging van de rotor alleen mogelijk na het optreden van een roterend elektromagnetisch veld in de stator, en het gaat ermee door in een asynchrone modus.

Asynchrone motoren zijn eenvoudiger van ontwerp, daarom goedkoper en worden veel gebruikt in industriële installaties en huishoudelijke apparaten.

ABB explosieveilige elektromotor

Lineaire motoren

Veel werkende lichamen van industriële mechanismen voeren heen en weer gaande of translatiebewegingen uit in één vlak, wat nodig is voor de werking van metaalbewerkingsmachines, voertuigen, hamerslagen bij het heien van heipalen ...

Het verplaatsen van een dergelijk werklichaam door middel van versnellingsbakken, kogelomloopspindels, riemaandrijvingen en soortgelijke mechanische apparaten vanaf een roterende elektromotor bemoeilijkt het ontwerp. De moderne technische oplossing voor dit probleem is de werking van een lineaire elektromotor.

De stator en rotor zijn langwerpig in de vorm van stroken, in plaats van tot ringen gewikkeld, zoals bij roterende elektromotoren.

Het werkingsprincipe is om een ​​heen en weer gaande lineaire beweging te geven aan de runnerrotor als gevolg van de overdracht van elektromagnetische energie van een stationaire stator met een open magnetisch circuit van een bepaalde lengte. Binnenin wordt een werkend magnetisch veld gecreëerd door achtereenvolgens de stroom in te schakelen.

Het werkt op de ankerwikkeling met een collector. De in een dergelijke motor optredende krachten bewegen de rotor slechts in lineaire richting langs de geleidingselementen.

Lineaire motoren zijn ontworpen om op gelijkstroom of wisselstroom te werken en kunnen in synchrone of asynchrone modus werken.

De nadelen van lineaire motoren zijn:

• de complexiteit van de technologie;

• hoge prijs;

• lage energie-efficiëntie.