головна сторінка головна сторінка головна сторінка головна сторінка

Електричні машини

Наука и техника
 
ru - ua - en - fr - by - de - es

Виробництво електроенергії є досить легким процесом, а електродвигуни можуть служити для різних цілей - від буравлення шпар до забезпечення руху поїздів

Матерія складається з атомів, які, у свою чергу, складаються з электрически заряджених часток - протонів і електронів. Ще стародавні греки знали, що якщо потерти бурштин шматочком тканини, він буде притягати легкі предмети, але не розуміли причину, що відбувається. Насправді в результаті тертя виникала електрика

Звичайно в будь-якій речовині перебуває рівна кількість негативна й позитивно заряджених часток. Тому їх електричні заряди врівноважені, а речовина нейтральна. Однак у результаті тертя деякі електрони переміщаються з одного матеріалу на іншій. Як наслідок, порушується рівновага зарядів: матеріал, що притяг електрони, стає негативно зарядженим, а матеріал, що віддав їх - позитивно зарядженим


Заряджені предмети

Терміни "електрон" і "електрика" відбулися від грецького слова elektron, що означає "бурштин". Хоча греки зробили важливий крок у напрямку великого відкриття, перша машина, здатна виробляти електрика, була винайдена лише ок. 1650 г. у Німеччині. Отто фон Герике створив просту машину, що включала велика куля із сірки. При торканні рукою кулі, насадженого на вал, що й обертається за допомогою ручки, той заряджався в результаті тертя. ДО XIX в. були винайдено багато подібні фрикційні генератори

В основі роботи іншого типу генератора лежав принцип електростатичної індукції - процесу, при якім предмет заряджається від, що перебуває поблизу іншого зарядженого предмета. Такі асинхронні генератори накопичують індуковані заряди для одержання високої напруги. Подібна машина, винайдена Джеймсом Уимсхерстом в 1883 г., як і раніше використовується в лабораторних дослідах для одержання напруги до 50 000 вольтів, а іноді й вище.


Потужні електромашини

В 1931 р. ВанрДерГрааф винайшов електростатичний генератор широкого практичного застосування. стрічка, що рухається, з діелектрика передає на металеву кулю заряд, що поступово збільшується до декількох мільйонів вольтів. Генератор ВанаДеаГраафа використовується при випробуваннях ізоляторів і іншого встаткування, розрахованого на високі напруги, а також у ядерних дослідженнях, при цьому висока напруга служить для розгону заряджених субатомних часток

Хоча фрикційні й асинхронні машини могли створювати висока напруга, вони не годилися для вироблення сильного постійного струму. Дана проблема була вирішена наприкінці 17907х рр., коли італійський учений Алессандро Вольта винайшов першу батарею. Згодом вона була вдосконалена, що дозволило, починаючи з кінця XIX в., використовувати електрику для висвітлення. Хоча батареї є зручним і багатоцільовим джерелом електроенергії, вони поступово розряджаються й потребують заміни або підзарядки. Експерименти, проведені на початку XIX в., привели до створення сучасних генераторів


Ерстед і Амперів

В 1819 г. датський професор Ханс Ерстед зробив відкриття: поточний по проведенню електричний струм змушував відхилятися стрілку магнітного компаса. Так Ерстед відкрив явище електромагнетизму - магнетизму, створюваного електрикою. В 1821 г. французький учений Андре Ампер продемонстрував пов'язане із цим механічну взаємодію струмів: при пропущенні електричного струму через проведення, що перебуває поруч із потужним магнітом, спостерігалося переміщення проведення, - і встановив закон цієї взаємодії. Цей принцип лежить в основі електричного двигуна: перетворення електричної енергії вмеханическую.

Досвіди Ампера були надзвичайно цікаві, але не мали практичного застосування. Проведення просто небагато зрушувалося з появою струму. Але в тому ж році англійський учений Майкл Фарадей створив машину, яка за допомогою електрики забезпечувала тривалий рух. Нижній кінець підвішеного проведення містився в посудину із ртуттю, у центрі якого перебував стрижневий магніт. При підключенні батареї між верхнім кінцем проведення й ртуттю проведення починало обертатися навколо магніту


Електромагнітна індукція

Електромагнітна індукціяВідкрите Фарадеєм явище електромагнітної індукції, назване їм "електричним обертанням", лягло в основу принципу роботи сучасних електродвигунів. Перший електродвигун, нашедший практичне застосування, був винайдений в 1837 г. американським інженером Томасом Давенпортом. Він використовував два такі двигуни: для роботи свердлильного й деревообробного верстатів

Вивчивши електрику як рушійну силу, Фарадей почав шукати шляхи перетворення механічної енергії в електричну. В 1831 г. він показав, що переміщення стрижневого магніту біля дротової котушки викликало проходження електроструму через підключений до неї вимірювальний прилад. При цьому сила струму була набагато вище, чим у випадку одинарного проведення


Електропостачання

Фарадей першим використовував електромагнітний ефект для виробництва електрики. До кінця 18708х рр. з'явилися потужні генератори, а в 1881 г. заробила перша електростанція в Годалминге (Англія). Вона ж стала й першої у світі гідроелектростанцією, тому що генератор приводився в рух водяник млином

В електричних двигунів і генераторів багато загального, і деякі машини можуть виконувати функції обох. У простому електродвигуні дротова котушка кріпиться на валу, що дозволяє їй вільно обертатися між полюсами подковообразного постійного магніту. Котушка відіграє роль електромагніту, намагнічуючись при проходженні через неї електричного струму. залізний сердечник, Що перебуває усередині котушки, підсилює створюваний магнітний ефект


Двигуни постійного струму

Електричний струм від батареї або іншого джерела, що рухається тільки в одному напрямку, називається постійним струмом. Якщо батарея підключена до котушки простого електродвигуна, котушка намагнічується, при цьому на протилежних її кінцях виникають два полюси - негативний і позитивний. Оскільки протилежні полюсы взаємно притягаються, північний і південний полюсы котушки прагнуть, відповідно, до південного й північного полюсів постійного магніту. Ці сили притягання змушують котушку обертатися навколо своєї осі, і незабаром її полюсы розташовуються в протилежних полюсів постійного магніту

Однак у цей момент автоматичне перемикаюче обладнання (колектор) направляє струм у протилежну сторону. Колектор простого електродвигуна постійного струму складається з мідного кільця, розрізаного, що навпіл і кріпиться (із прокладкою з діелектрика) на осі ротора. Кінці котушки підключаються до двом половинкам кільця. Струм проходить через котушку й попадає на парі вугільних контактів - щіток, що стосуються протилежних сторін колектора. При обертанні ротора кожна щітка по черзі взаємодіє з обома сторонами котушки


Автоматична комутація

Завдяки автоматичній комутації магнітні полюсы котушки змінюються на протилежні при досягненні полюсів постійного магніту. Тепер вони вже не різнойменні, а однойменні полюсы стосовно найближчих полюсів магніту. Тому що однойменні полюсы взаємно відштовхуються, котушка продовжує обертатися, а її полюсы притягаються до відповідних до полюсів на іншій стороні магніту

Обертова частина електричної машини називається ротором (або якорем), а нерухлива - статором. У простому електродвигуні постійного струму блок котушки служить ротором, а постійний магніт - статором

У деяких двигунах для створення магнітного поля замість постійного магніту служить електромагніт. Витки дроту такого електромагніту називаються обмоткою порушення


Двигуни змінного струму

Змінний струм періодично міняє напрямок, звичайно 50 або 60 раз у секунду. Деякі двигуни змінного струму мають ротор, на який струм подається через колектор, як у двигунах постійного струму. Але в багатьох двигунів цього типу взагалі немає з'єднань із ротором. Їхня дія заснована на принципі індукції. Минаючий через статор змінний струм створює обертове магнітне поле, як було б у випадку обертання постійного магніту. Це поле, що рухається, змушує струм текти в напрямку обмоток ротора, намагнічуючи його. У результаті ротор обертається, тому що його полюсы змушує рухатися по колу обертове навколо ротора магнітне поле. Часто ротор складається з мідних або алюмінієвих стрижнів, кінці яких з'єднують два металеві кільця. Ротор у зборі схожий на клітку, і такі машини називають двигунами з " білячою кліткою", або короткозамкненими двигунами


Синхронні двигуни

В індукційні (асинхронних) двигунах ротор обертається повільніше, чим магнітне поле, що рухається довкола нього. У синхронних двигунах ротор повертається одночасно з полем. У простих синхронних двигунах ротор складається з одного або декількох постійних магнітів. Їх полюсы притягаються до різнойменних полюсів обертового магнітного поля, тому вони обертаються з однаковою швидкістю. Іноді замість постійних магнітів у роторах використовуються електромагніти, але принцип роботи залишається незмінним. В іншому типі синхронних двигунів використовуються перегони змінного струму для створення магнітного поля, яке пошагово обертає ротор із зубчастим колесом

Більшість електродвигунів створюють обертовий рух. Але в деяких з них обмотки статора відкриті й розташовані на одній лінії, завдяки чому створюється магнітне поле, що рухається лінійно разом із провідниковим матеріалом. Такі двигуни називаються лінійними асинхронними. Вони використовуються для відкривання розсувних дверей, транспортування багажу в аеропортах, у швидкісних поїздах


Генератори

Якщо ротор простого електродвигуна постійного струму обертати вручну, двигун буде працювати як генератор. У котушці виникає змінна напруга, що досягає пікових величин, коли її полюсы проходять полюсы постійного магніту. Потім напруга падає до нуля й міняє свій напрямок, досягаючи максимуму, коли полюсы котушки проходять протилежні полюсы постійного магніту. Можна підключитися до котушки, з'єднавши кінці двох суцільні мідні кілець (називаних контактними кільцями), що перебувають на осі ротора. Вугільні щітки труться про ці кільця й знімають змінна напруга, у результаті чого при підключенні до електричного кола виникає змінний струм. Такий генератор ставиться до генераторів змінного струму, тобто електричним машинам, що виробляють змінний струм


Динамо-машини

Якщо ж використовується колектор ( як в електродвигуні постійного струму), він постійно буде змінювати з'єднання між котушкою й щітками, що перешкоджає змінам напруги в котушці. У результаті, замість змінного струму по щітках буде протікати пульсуючий постійний струм. Генератори, що виробляють постійний струм таким чином, називаються динамо-машинами

У більшості динамо-машин для створення необхідного магнітного поля використовується не постійний, а електромагніт. Однак сердечник електромагніту небагато намагнічений, і сили його поля досить, щоб машина почала виробляти електрика при включенні. Потім частина виробленого струму проходить через обмотку електромагніту для посилення його магнітного поля й збільшення обсягу електроенергії

Деякі генератори змінного струму (наприклад, автомобільні) виробляють постійний струм завдяки вбудованим випрямлячам - обладнанням, що допускають плин струму тільки в одному напрямку

У більшості генераторів змінного струму - від службовців для підзарядки акумуляторів автомобілів до гігантських машин, що виробляють електрику для живильної мережі - котушки є й на роторі, і на статорі, причому саме ротор створює магнітне поле. Відносно слабкий струм проходить через обмотки збудження на роторі по щітках і контактним кільцям, а більш сильний вироблюваний струм відбирається безпосередньо зі статора. Це дозволяє уникнути втрат потужності й іскріння, можливих при відборі сильного вироблюваного струму з ротора за допомогою кілець і щіток

Rambler's Top100