2015-08-12
3864
Электродвигатели
К электромашинным потребителям относятся устройства, имеющие электродвигатели. Это бытовые электроприборы (пылесосы, стиральные машины, холодильники, кухонные комбайны, швейные машины, кофемолки и др.) и промышленное оборудование, транспортные средства (станки, автомобили, электрокары, трамваи, троллейбусы и т. д.).
Существует несколько типов электродвигателей, которые отличаются некоторыми конструктивными особенностями, назначением. Но всех их объединяет одно — они превращают электрическую энергию в механическую посредством вращения вала электродвигателя после подачи электрического тока в его обмотку (катушку). Для того чтобы понять принцип действия электродвигателей, необходимо знать некоторые физические законы и явления. Прежде всего, это действие магнитного поля на проводник с током, а также явление электромагнитной индукции.
Принцип действия коллекторного электродвигателя (рис. 4) основан на следующем: если проводник с током — рамку прямоугольной формы, имеющую ось вращения, — поместить между полюсами постоянного магнита (или электромагнита), то эта рамка начнет вращаться. Направление вращения будет зависеть от направления тока в рамке. Ток в рамку от источника постоянного тока может подаваться через контакты-полукольца, прикрепленные к концам рамки, и через упругие скользящие контакты — щетки (рис. 4, а). Отметим, что вращающаяся часть электродвигателя называется якорем, а неподвижная — статором.
Контакты-полукольца обеспечивают переключение тока в рамке через каждые пол-оборота, т. е. непрерывное вращение рамки в одном направлении. У реальных коллекторных двигателей таких рамок много, поэтому вся контактная окружность делится уже не на две, а на большее количество контактов.
Рис. 4. Коллекторный электродвигатель: а — принцип действия; б — учебный коллекторный двигатель; в — якори учебных коллекторных двигателей; г — якорь реального электродвигателя
Эти контакты образуют коллектор — отсюда и название этого электродвигателя. Контакты коллектора изготовляют из меди, а щетки — из графита. Простейший ремонт электродвигателя заключается в замене щеток, запасной комплект которых часто прилагается при продаже устройств с такими двигателями.
Коллекторные электродвигатели имеют широкое применение. Выпускают коллекторные микродвигатели для игрушек, моделей, например двигатель типа ДП-10. Он работает при напряжении 4,5 В, имеет скорость вращения вала 2000 об/мин. Используя этот микродвигатель, а также источник питания постоянного тока, например батарею гальванических элементов типа 3336Л, можно разработать такие проекты: «Микровентилятор», «Микромиксер».
Важной характеристикой электродвигателей является потребляемая мощность, полезная мощность и коэффициент полезного действия (КПД). КПД электродвигателей достаточно высок — он может достигать 90 % и более.
Двигатель типа ДП-10 является маломощным. Для электроинструмента — электродрели, электролобзика, электрофуганка, электропилы, а также для бытовых приборов — пылесоса, кофемолки, кухонного комбайна — он непригоден. Здесь применяются более мощные двигатели. Например, для электродрели типа ИЭ-1013 используется коллекторный двигатель с потребляемой мощностью 420 Вт, для пылесосов — 1 кВт и более.
Как было отмечено, магнитное поле статора коллекторного электродвигателя может быть создано либо постоянными магнитами, либо электромагнитами. Если оно создано постоянным магнитом, то электродвигатель может работать только на постоянном токе. Чтобы изменить направление вращения якоря в таком двигателе, т. е. осуществить реверсирование, достаточно изменить полярность включения источника питания этого электродвигателя на противоположную. Если магнитное поле создано электромагнитом, то коллекторный двигатель может работать на переменном токе — в этом случае направление токов меняется одновременно как в обмотке статора, так и в обмотке якоря. При этом обмотки статора и якоря соединяются между собой либо последовательно, либо параллельно. Примерами таких электродвигателей являются электродвигатели пылесосов, кофемолок, швейных машин и других бытовых устройств, в которых напряжение 220 В меняется с частотой 50 Гц, т. е. 50 раз в секунду.
Иной тип двигателей используют для станков, в некоторых бытовых приборах, например в стиральных машинах. Такого же типа двигатели широко применяются в промышленности. Это асинхронные двигатели, работающие на переменном токе. Принцип их действия основан на явлении электромагнитной индукции: изменяющееся магнитное поле способно порождать в замкнутом проводнике электрический ток. Изменяющееся магнитное поле можно получить различными способами: двигать поступательно или вращать постоянный магнит или электромагнит (рис. 5, а), использовать переменный ток — вокруг проводника с таким током будет изменяющееся магнитное поле. В асинхронном двигателе используется последний способ. В таком двигателе есть три катушки, расположенные под углом 120° по отношению друг к другу (рис. 5, б). Если по этим катушкам пропустить переменный ток, изменяющийся по синусоидальному закону, то будет создаваться эффект вращающегося магнитного поля. В качестве вращающейся рамки, в которой возникает индукционный ток, здесь используется приспособление, именуемое «беличье колесо» (рис. 5, в). Магнитные поля индукционного тока и вращающееся магнитное поле взаимодействуют, и в результате на «беличье колесо» действуют силы, заставляющие его вращаться вокруг собственной оси — вала. Вал этого колеса является валом электродвигателя. Важное условие работы такого двигателя — скорость вращения «беличьего колеса» должна отставать от скорости вращения магнитного поля, т. е. они должны вращаться асинхронно.
Рис. 5. Принцип действия асинхронного двигателя: а — получение вращающегося магнитного поля с помощью постоянного магнита; о — получение вращающегося магнитного поля с помощью переменного тока; в — «беличье колесо»
В противном случае, если вращение будет совпадать, эффект изменяющегося магнитного поля для «беличьего колеса» будет отсутствовать и электродвигатель перестанет работать. Преимущество асинхронных двигателей перед коллекторными — они не имеют коллектора, следовательно, в асинхронном двигателе меньше потерь на трение.
На концах вала якоря устанавливают подшипники, которые запрессовывают в корпус электродвигателя. Они обеспечивают вращение вала. Кроме того, на валу для ременной передачи движения от вала потребителю может быть установлен шкив или для тех же целей — шестерня или звездочка. Конечно, и передача здесь будет иная — зубчатая или цепная.
Наш быт и профессиональная деятельность невозможны без электронагревательных, электромашинных, электронных и радиоэлектронных устройств. Все они являются приборами, потребляющими электроэнергию. Используя их, всегда следует помнить о необходимости экономить электроэнергию. Эта экономия реально позволяет сберегать имеющиеся природные ресурсы для будущих поколений. Поэтому перед инженерами стоит задача разработать такие устройства, которые потребляли бы минимальное количество электроэнергии.
При эксплуатации потребителей электрической энергии очень важно знать их технические характеристики, прежде всего потребляемую мощность. Чем больше потребляемая мощность электроприборов, тем больше расходуется электрической энергии, так как количество потребляемой электроэнергии равно произведению потребляемой мощности на время потребления. Потребляемая мощность электроприбора может быть рассчитана как произведение силы тока в электроприборе на напряжение на этом электроприборе, т. е. по формуле: Р = UI. Но обычно потребляемую мощность электроприборов узнают по надписи на корпусе прибора или по его паспорту. Так, например, потребляемая мощность электроутюга составляет примерно 1000-1250 Вт, телевизора — 100-250 Вт, кофемолки 115-150 Вт, системного блока компьютера — 300-400 Вт.
В России выпускаются электророзетки, рассчитанные на напряжение 250 В и силу тока не выше 6,3 А, причем их допустимая мощность не превышает 1500 Вт. Современные электроприборы, бытовая техника для безопасного пользования ими требуют дополнительных мер подключения: розеток с заземляющими контактами, переходников.
Внимание! Подключение к отечественным розеткам электроприборов мощностью более 1500 Вт посредством переходников недопустимо!
Суммарное потребление электроэнергии в квартире, доме, которое измеряется в киловатт-часах (кВт-ч), узнают с помощью счетчика электрической энергии. По показаниям счетчика мы производим оплату за потребляемую электроэнергию. Чтобы узнать, сколько нужно заплатить за расход электроэнергии за определенный промежуток времени (обычно за месяц), необходимо определить разность между последним показанием счетчика и предыдущим и умножить эту разность на стоимость 1 кВт-ч электроэнергии.
Чтобы сохранить здоровье, очень важно правильно эксплуатировать бытовые электрические приборы и инструменты, уметь выполнять их простейший ремонт.
