Тяговый двигатель постоянного тока

Содержание

Появление и развитие тяговых устройств

В самом начале, когда электрический транспорт только начал использоваться, на всех видах подвижного состава устанавливались коллекторные тяговые электродвигатели. При этом передача энергии осуществлялась по самой простой схеме, поэтому агрегатами можно было легко управлять в любом рабочем режиме. Технические и механические характеристики полностью отвечали всем требованиям транспортной специфики.

Тем не менее, в процессе эксплуатации тяговый электродвигатель постоянного тока обнаружил ряд недостатков. В первую очередь, это сам коллектор, оборудованный подвижными контактами – щетками, требующий регулярного технического обслуживания. Принимаемые меры по снижению искрения, повышению надежности коммутации, во многом усложнили устройство двигателя. В результате, его размеры заметно увеличились, а максимальная скорость вращения осталась на прежнем уровне.

Постепенно развивалось направление силовой техники на основе быстродействующих полупроводников. Это позволило заменить реостатную систему, применяемую в коллекторных агрегатах, импульсной, отличающейся повышенной надежностью и экономичностью. В дальнейшем, в вагонных парах стал устанавливаться асинхронный тяговый двигатель в качестве приводного механизма.

Основными проблемами, с которыми пришлось столкнуться при эксплуатации асинхронных двигателей, считаются сложные регулировки. Определенные трудности возникают при использовании электрического торможения, когда для этих целей служат моторы на основе короткозамкнутого ротора. В данный период идет разработка более современных тяговых приводов на основе синхронных агрегатов, в которых установлен ротор на постоянных магнитах.

Поскольку на железнодорожном транспорте до сих пор широко используются именно коллекторные агрегаты, следует более подробно рассмотреть их общее устройство и порядок работы.

Коллекторный агрегат на постоянном токе

Любой коллекторный агрегат является своеобразной электрической машиной, которая в зависимости от своего предназначения выполняет функции генератора или электродвигателя. Отличительной чертой этих устройств считается соединение якорной обмотки с коллектором.

Основным источником питания коллекторных движков служит постоянный ток. Сейчас уже выпускаются модификации многофункциональных агрегатов с невысокой мощностью, способных работать не только от постоянного, но и от переменного тока.

Стандартный тяговый электродвигатель состоит из коллектора (1), щеток (2), сердечника ротора или якоря (3), сердечника главного полюса (4), обмотки возбуждения (5), станины (6). Кроме того, сюда же включены подшипниковый щит (7), вентилятор (8), якорная обмотка (9).

Все детали соединяются в несколько конструктивных элементов. Прежде всего, это магнитная система, под влиянием которой появляется магнитное поле, а также якорь с обмоткой, вращающийся с помощью подшипников. Коллектор и другие детали разъединяются между собой воздушной прослойкой.

В агрегатах постоянного тока возникновение магнитного поля происходит с участием обмоток возбуждения. Они располагаются на полюсных сердечниках и подключены к постоянному току. Количество полюсов может быть разным, в зависимости от мощности двигателя и его использования в транспортной единице. Их число чаще всего находится в рамках от 2 до 12. Стандартная магнитная система представляет собой монолитную металлическую станину, в которой присутствуют съемные шихтованные сердечники. Чтобы понять, как взаимодействуют узлы и детали между собой, необходимо более подробно рассмотреть устройство каждого компонента.

Назначение и устройство станины

Каждый тяговый электродвигатель оборудуется станиной, используемой прежде всего в качестве магнитопровода, по которому осуществляется прохождение магнитных потоков основных и дополнительных полюсов. Еще она служит местом расположения и крепления полюсов и подшипниковой защиты.

При наличии больших нагрузок станина обычно бывает отлита из стали или сварена из толстых электротехнических стальных листов. Благодаря такой конструкции создается требуемая механическая устойчивость и высокая магнитная проницаемость. Стенки обычно имеют толщину, обеспечивающую установленный уровень магнитной индукции, а ее размеры ориентированы на поперечное сечение главных полюсов и составляют не ниже 50% этого размера.

На представленном рисунке отмечено расположение станины (1), относительно других деталей и компонентов – сердечника полюса (2), катушки обмотки возбуждения (3) и полюсного башмака (4). Между всеми элементами и якорем существует воздушная прослойка (5). Размеры диаметра изнутри станины рассчитываются так, чтобы в этом пространстве мог разместиться якорь, полюса главные и дополнительные и их обмотки.

Тяговый электродвигатель локомотива может иметь стальную литую станину с уменьшенной массой и пониженным поперечным сечением, ориентированным на оси главных полюсов. Это дает возможность равномерно распределить магнитный поток, поступающий к станине от главного полюса.

Частично станина, не выполняющая функции магнитопровода, образует коллекторное пространство с незначительной толщиной стенок, достаточной для обеспечения необходимой механической прочности. В некоторых конструкциях это место закрывается отдельными ребрами жесткости, прикрытыми тонким защитным кожухом.

Главные полюса

Тяговый электродвигатель, работающий на постоянном токе, включает в свою конструкцию обмотку возбуждения, где и появляется магнитодвижущая сила, создающая, в свою очередь, магнитное поле. В состав обмотки входят катушки, надеваемые на сердечники основных полюсов. На стороне сердечника, направленной к якорю, устанавливается полюсный наконечник, он же башмак. С его помощью осуществляется равномерное распределение магнитного потока по всей поверхности якоря. Перечисленные детали отмечены на предыдущем рисунке вместе со станиной.

На практике довольно редко используется схема, включающая в себя полюсный сердечник и полюсный башмак. Как правило, они объединяются в единое целое и образуют главный полюс. За счет этого в сердечнике полюса наступает снижение вихревых потоков, вызываемых действием пульсаций магнитной индукции в наконечниках из-за зубчатой поверхности якоря.

Для сборки полюса используются стальные лакированные листы, которые затем попадают под пресс высокого давления. Сквозь сердечник пропускаются болты или специальные заклепки, чтобы стянуть всю конструкцию. Их равномерное распределение позволяет успешно выдерживать упругость сжатых полос. Крепление полюсов к станине осуществляется с помощью болтов или шпилек.

Назначение и устройство добавочных полюсов

Каждый тяговый электродвигатель мощностью более 1 кВт оборудуется дополнительными полюсами, для того чтобы снизить количество искр, появляющихся на щетках. Их устройство очень простое, включающее в себя сердечник (1) и катушку (2), где использован медный проводник в изоляции. Его сечение рассчитывается по рабочему току двигателя, поскольку эта катушка и обмотка якоря последовательно подключаются друг к другу.

Стальной сердечник изготавливается в виде монолитной конструкции, по причине отсутствия в нем вихревых токов, так как магнитная индукция имеет очень малую величину. Местом монтажа дополнительных полюсов определен промежуток между главными полюсами, а крепление к станине выполняется специальными болтами. Величина воздушной прослойки под ними существенно превышает зазор под главными полюсами. Его регулировка выполняется при помощи специальных пластин из материалов магнитного или немагнитного типа, а окончательная величина определяется, когда тяговый двигатель постоянного тока настраивается на коммутацию при достижении минимального количества искр.

Якорь и коллектор

В состав якоря входит вал, сердечник, обмотки и коллектор. Конфигурация сердечника выполнена в форме цилиндра, а сам он изготовлен из тонких штампованных листов электротехнической стали. Для изоляции листов используется лак или бумага. В сжатом виде после сборки сердечник фиксируется нажимными шайбами. Благодаря устройству сердечника, удается компенсировать влияние вихревых токов и снизить в нем утечку электроэнергии. Охлаждение ТЭД выполняется за счет специальных каналов вентиляции, устроенных в сердечнике.

Для якорных обмоток используется медный проводник круглого или прямоугольного сечения. Он закладывается в выемки сердечника и качественно изолируется от него. Вся обмотка делится на секции, концы каждой из них соединяются с коллектором путем пайки.

В конструкцию каждого коллектора входит активная составляющая и система крепления. Изоляция медных коллекторных пластинок (7) выполняется с помощью специальных прокладок. Провода якорной обмотки припаиваются к выступу в конце элемента (5). Край пластин, расположенный снизу (6) после сборки зажимается с помощью двух нажимных колец (3). Эти кольца также изолируются, а сама изоляция утапливается на 1,5 мм внутрь скользящей поверхности коллектора.

ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую, называются электродвигателями. Подведем к рассмотренному ранее простейшему генератору питание от постороннего источника электрической энергии (рис. 167).

Рис. 167. Схема простейшего электродвигателя

При положении рамки, показанном на этом рисунке, ток проходит по стороне А и по стороне Б. Известно, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, направление которой определяется по правилу левой руки: если держать ладонь левой руки так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а вытянутые четыре пальца были обращены по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление действия этой силы. Применив правило левой руки для рассматриваемого случая, определим, что на сторону рамки В действует сила F1 направленная вверх, а на сторону рамки А—сила F2 направленная вниз. Силы F1 и F2, действующие на рамку, называются парой сил. Под действием вращающего момента, создаваемого этой парой сил, рамка поворачивается против часовой стрелки.
Дойдя до вертикального положения, рамка по инерции повернется дальше. Теперь щетка Щ1 касается уже коллекторной пластины К2, а щетка Щ2 — коллекторной пластины К1. Благодаря этому направление тока в рамке изменяется и образуется пара сил, под действием которой рамка продолжает поворачиваться против часовой стрелки. Таким образом, рамка, получая электрическую энергию, будет непрерывно вращаться. Рамка может приводить в движение любой механизм, т. е. в данном случае работает в качестве электродвигателя.
Следовательно, машина постоянного тока обладает свойством обратимости и может работать как в качестве генератора, так и в качестве электродвигателя. Поэтому генераторы и электродвигатели имеют в принципе одинаковую конструкцию. Основными частями электрического двигателя постоянного тока являются якорь с обмоткой и коллектором и магнитная система, состоящая из остова двигателя и полюсов с катушками обмоток возбуждения. Подвод электрического тока к коллектору двигателя осуществляется электрографитными щетками, установленными в щеткодержателях. Если требуется изменить направление вращения якоря, то необходимо пересоединить обмотки электродвигателя так, чтобы ток изменил свое направление в обмотке якоря или в обмотке возбуждения. При одновременном изменении направления тока в обмотках якоря и возбуждения направление вращения не изменится. В этом легко убедиться, использовав правило левой руки.
В электродвигателе при его работе возникает ряд явлений, подобных процессам, происходящим в генераторе. Ведь витки обмотки якоря пересекают магнитный поток полюсов электродвигателя, и в соответствии с законом электромагнитной индукции в них возникает электродвижущая сила.
Индуктируемую в якоре двигателя э. д. с. иногда называют противоэлектродвижущей силой потому, что она направлена навстречу подводимому к двигателю напряжению.
Величина э. д. с. Е двигателя прямо пропорциональна магнитному потоку Ф, частоте вращения якоря п и определяется по такой же формуле, что и величина э. д. с. генератора: Е=СФn, где С — постоянный коэффициент, который учитывает число пар полюсов, число витков якоря и другие постоянные для данного электродвигателя величины.
Подводимое к электродвигателю напряжение стремится создать ток в обмотке якоря. Индуктируемая э. д. с. препятствует этому. Ток в обмотке якоря работающего электродвигателя будет определяться не подводимым напряжением, а разностью между напряжением и наведенной в обмотке якоря э. д. с.
Разделив эту разность на сопротивление цепи якоря Rя, мы получим ток Iя, проходящий по обмотке якоря:

При увеличении механической нагрузки на валу электродвигателя частота вращения его якоря замедляется, индуктируемая э. д. с. уменьшается, увеличивается разность между подводимым напряжением и э. д. с. и, следовательно, ток якоря возрастает.
При уменьшении механической нагрузки картина будет обратной. Таким образом, ток якоря зависит как от подводимого напряжения, так и от механической нагрузки электродвигателя. Вот почему, например, при движении тепловоза на подъеме, когда уменьшаются скорость движения и частота вращения якорей тяговых электродвигателей, ток в двигателях увеличивается, а при увеличении скорости движения — уменьшается.

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ И СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Механическая работа электродвигателей характеризуется вращающим моментом и частотой вращения его якоря. Силы, создающие вращающий момент электродвигателя, возникают в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока полюсов. Поэтому вращающий момент электродвигателя будет пропорционален величинам тока Iя якоря и магнитного потока Ф:

где К — постоянный для данного электродвигателя коэффициент, зависящий от диаметра якоря, числа проводников обмотки и других конструктивных особенностей двигателя. Вращающий момент электродвигателя не есть величина заданная, постоянная, а зависит от механической нагрузки, или, как говорят, момента сопротивления, который преодолевает вал электродвигателя при вращении. Чем больше момент сопротивления, тем больше вращающий момент электродвигателя, так как только в этом случае электродвигатель сможет работать, преодолевая сопротивление. Из формулы для определения э.д.с. двигателя можно получить зависимость для вычисления частоты вращения якоря, подставив в нее значение э. д. с. Е = U — InRя:

Следовательно, частота вращения якоря электродвигателя пропорциональна подводимому напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку, а также уменьшается с увеличением внутренних потерь напряжения IzRя в цепи якоря.
Почему так происходит? Чем больше напряжение, подводимое к двигателю, тем больше ток в обмотке якоря и вращающий момент. Якорь, преодолевая момент сопротивления внешней нагрузки, начинает вращаться быстрее. С увеличением же магнитного потока при прочих равных условиях увеличивается э. д. с., индуктируемая в обмотке якоря. При этом уменьшается ток в якоре, а значит, снижается вращающий момент и частота его вращения.
Электрическая мощность, подводимая к электродвигателю, всегда больше той механической мощности, которую он отдает. Происходит это потому, что часть мощности, подводимой к двигателю, расходуется на механические, электрические и магнитные потери в самом двигателе. К числу механических потерь относятся потери и на трение якоря в подшипниках, трение якоря о воздух и, наконец, трение щеток о коллектор. Электрические и магнитные потери в стали и меди вызываются нагревом обмотки от прохождения тока, нагревом сердечника якоря от вихревых токов и перемагничивания.
Отношение полезной мощности к подводимой называется коэффициентом полезного действия двигателя. Коэффициент полезного действия тяговых электрических двигателей тепловозов достигает 90% и выше.
В технике нашли применение электрические двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением, с параллельным возбуждением, со смешанным возбуждением, а также с независимым возбуждением от постороннего источника электрического тока (рис. 168).

Рис. 168. Схемы возбуждения электродвигателей

Обмотка возбуждения электродвигателя с последовательным возбуждением включается в цепь последовательно с якорем. Весь ток, потребляемый электродвигателем, проходит через якорь и обмотку возбуждения. Магнитный поток этого электродвигателя изменяется с изменением тока якоря и, следовательно, зависит от нагрузки. Ток возбуждения электродвигателей с параллельным возбуждением пропорционален напряжению, подводимому к двигателю. Электродвигатель со смешанным возбуждением одновременно имеет обмотки параллельного и последовательного возбуждения.
Чтобы решить вопрос, какой же тип электрического двигателя наиболее целесообразен для тепловозов, нужно рассмотреть свойства этих двигателей с точки зрения требований, предъявляемых к тяговым электродвигателям тепловозов.
При трогании с места или движении поезда на подъеме, когда скорость мала, тепловоз создает максимальную силу тяги, вплоть до ограничения по сцеплению колес с рельсами.
Непосредственно силу тяги тепловоза с электрической передачей создают тяговые электродвигатели, и она прямо пропорциональна их вращающему моменту. В указанных условиях тяговые электродвигатели должны обеспечить реализацию наибольшего вращающего момента. Как же этому основному требованию удовлетворяют электродвигатели различных типов?
Прежде всего, выясним режим работы тяговых электродвигателей по силе тока в обмотках якоря и возбуждения, когда тепловоз при небольшой скорости движения развивает максимальную силу тяги. Вследствие низкой частоты вращения якорей тяговых двигателей их электродвижущие силы будут также пониженными. Поэтому сила тока в обмотках якорей тяговых двигателей окажется близкой к предельному значению. Итак, наибольшей силе тяги соответствует максимальный ток тяговых двигателей. В электродвигателях с последовательным возбуждением ток возбуждения прямо пропорционален току якоря и магнитный поток главных полюсов достигнет также наибольшего значения. При максимальных значениях тока якоря и магнитного потока полюсов электродвигатели реализуют наибольший вращающий момент.
В тяговом электродвигателе с параллельным возбуждением при наибольшем токе магнитный поток будет далек от наивысшего значения. Действительно, с увеличением тока напряжение тягового генератора тепловоза, питающего током электродвигатели, уменьшается обратно пропорционально току. При больших токах напряжение генератора будет пониженным. Следовательно, ток возбуждения тяговых двигателей с параллельным возбуждением, зависящий от напряжения генератора, также будет небольшим. Поэтому окажется пониженным и магнитный поток полюсов, а значит, и вращающий момент электродвигателя.
Следовательно, первому требованию удовлетворяет электродвигатель с последовательным возбуждением.
При увеличении скорости движения тепловоза с поездом возрастает частота вращения якорей тяговых электродвигателей и их э. д. с, уменьшается ток в силовой цепи, повышается напряжение тягового генератора. Для сокращения размеров и массы генератора нужно, чтобы его напряжение и ток изменялись при работе на номинальной мощности в наименьших пределах. Поэтому свойства тягового электродвигателя должны обеспечивать возможно меньшее изменение напряжения генератора при сохранении его мощности, когда скорость движения тепловоза изменяется в заданном диапазоне. В этом состоит второе основное требование к тяговым электродвигателям.
Как было показано выше, э. д. с. тяговых двигателей прямо пропорциональна частоте вращения якоря и магнитному потоку главных полюсов двигателя. С увеличением скорости движения тепловоза уменьшается ток в силовой цепи и ослабляется возбуждение тяговых электродвигателей последовательного возбуждения, так как через обмотки их полюсов проходит весь ток силовой цепи. При тех же условиях возбуждение тяговых двигателей параллельного возбуждения увеличивается, потому что возрастает напряжение тягового генератора. Поэтому в случае одинакового увеличения скорости движения и частоты вращения якорей тяговых двигателей тепловоза э. д. с. двигателей с последовательным возбуждением, а следовательно, и напряжение генератора возрастают меньше, чем при применении двигателей с параллельным возбуждением.
Таким образом, и второму требованию лучше удовлетворяют тяговые электродвигатели с последовательным возбуждением. Поэтому они нашли самое широкое применение на тепловозах. Такие тяговые электродвигатели обладают, кроме указанных, и другими ценными качествами. Например, они обеспечивают более равномерное распределение нагрузок на каждый двигатель в случаях некоторой разницы в диаметрах бандажей отдельных колесных пар или различий в индивидуальных характеристиках двигателей, установленных на одном тепловозе.
Поскольку электродвигатели со смешанным возбуждением по своим качествам приближаются к двигателям с параллельным возбуждением, то они также не применяются на тепловозах.
При независимом возбуждении магнитный поток можно изменять наивыгоднейшим образом для получения оптимальных характеристик тягового электродвигателя. Поэтому применение тяговых двигателей независимого возбуждения служит одним из путей дальнейшего улучшения тяговых характеристик тепловоза н технико-экономических показателей электропередачи. Однако в этом случае тепловоз необходимо оборудовать более сложной системой регулирования тока возбуждения тяговых электродвигателей. Поэтому тяговые двигатели независимого возбуждения еще не нашли применения на тепловозах.

УСТРОЙСТВО ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ

Тяговые электродвигатели предназначены для приведения тепловоза в движение и устанавливаются непосредственно на тележках около колесных пар. Работают тяговые электродвигатели в очень неблагоприятных условиях. При движении локомотива на них попадает вода, снег, пыль и т. п. Место для установки тяговых двигателей крайне ограничено, их приходится выполнять весьма компактными. Мощность же, необходимая для движения поезда, вращающий момент, нужный для трогания с места и следования на подъемах, весьма велики. Кроме того, электродвигатель при работе нельзя осмотреть. Для проверки состояния тяговых электродвигателей тепловоз должен заходить на смотровые канавы. Поэтому тяговые электродвигатели имеют значительные конструктивные отличия от общепромышленных электродвигателей. Их особенностями являются: высокая удельная мощность, (на единицу массы), прочность и надежность, интенсивное воздушное охлаждение, способность к большим перегрузкам.
Рассмотрим конструкцию тягового электродвигателя тепловоза 2ТЭ10Л (рис. 169). Его номинальная мощность равна 305.кВт. На тележках каждой секции тепловоза по числу колесных пар установлено шесть тяговых электродвигателей.

Рис. 169. Тяговый двигатель тепловоза 2ТЭ10Л

Магнитная система двигателя состоит из станины (остова), четырех главных полюсов и четырех добавочных. В остове двигателя монтируются все остальные его части. Сердечники главных полюсов набраны из стальных листов толщиной 2 мм и стянуты между полюсными щеками с помощью заклепок (рис. 170, а).

Рис. 170 а — Главный полюс тягового электродвигателя

В отверстия листов запрессован стальной стержень, в который ввертывают болты, крепящие полюсы к остову. Такая конструкция обеспечивает большую прочность крепления. На главных полюсах расположены катушки обмотки последовательного возбуждения. Обмотка рассчитана на прохождение всего тока тягового электродвигателя и поэтому выполнена из шинной меди сечением 8X25 мм. Сердечники добавочных полюсов (рис. 170, б) отлиты из стали. Катушки этих полюсов изготовлены также из шинной меди сечением 6,5X28 мм. Главные и добавочные полюсы снабжены пружинными рамками для предупреждения перемещений катушек на сердечниках, приводящих к перетиранию изоляции.

Рис. 170 б — Добавочный полюс тягового электродвигателя

На тепловозе 2ТЭ10Л, как и на других грузовых тепловозах, применена опорно-осевая подвеска тяговых электродвигателей. При таком типе подвешивания тяговый электродвигатель одной стороной опирается с помощью опорно-осевых подшипников непосредственно на ось колесной пары. Подшипники бронзовые разъемные, состоят из двух половинок-вкладышей. Вкладыши установлены в расточках приливов остова электродвигателя и крышек моторно-осевых подшипников (см. рис. 169). Крышки крепят к остову болтами. Масло для подшипников заливается в полости крышек и подается к шейкам оси с помощью фитилей. Пружинный механизм польстеров надежно прижимает верхние концы фитилей через окна во вкладышах подшипников к шейкам оси.
Со стороны, противоположной моторно-осевым подшипникам, остов двигателя имеет приливы, с помощью которых опирается на пружинный аппарат рамы тележки. Для осмотра внутренних деталей двигателя в его остове сделаны люки, закрываемые крышками. С торцов к остову болтами прикреплены подшипниковые щиты.
Якорь тягового электродвигателя имеет вал из высококачественной стали, которым он опирается на два роликовых подшипника, запрессованных в ступицы подшипниковых щитов. Подшипники закрыты крышками. В полости подшипников по трубкам запрессовывается смазка. Сердечник якоря набран из тонких (толщиной 0,5 мм) покрытых лаком листов электротехнической стали и зажат между нажимными шайбами. Шайбы установлены на валу с большим натягом. На вал двигателя напрессовывается уже собранный коллектор, состоящий из 216 медных пластин (см. рис. 169 и 171).

Рис. 171. Детали коллектора тягового двигателя

В пазы сердечника якоря уложена обмотка. Обмотка — петлевая состоит из изолированных витков медного провода прямоугольного сечения 1,68 X 6,4 мм. Уравнительные соединения выполнены из медного провода сечением 1,68X5,1 мм. Выводы обмотки впаяны в петушки коллектора. В пазах обмотка удерживается текстолитовыми клиньями, а лобовые части укреплены бандажами из стальной проволоки или стеклоленты.
Тяговый электродвигатель оборудован четырьмя щеткодержателями. Для крепления к кронштейну остова двигателя с помощью нажимной планки и болта щеткодержатель снабжен пальцами с изоляторами (рис. 172).

Рис. 172 Щеткодержатель тягового электродвигателя

В каждом щеткодержателе размещены три разрезных щетки. Разрезная щетка состоит из двух отдельных щеток, объединенных резиновым амортизатором, который смягчает толчки, воспринимаемые щеткой при работе двигателя. Такие щетки надежны в эксплуатации, обеспечивают хороший постоянный контакт с рабочей поверхностью коллектора. Щетки свободно входят в обоймы корпуса щеткодержателя и прижимаются к коллектору двигателя спиральными пружинами через амортизаторы. Для обеспечения хорошего контакта щетки тщательно притирают к коллектору, а подвод тока к ним производится по гибким медным тросикам-шунтам.
Включение тягового электродвигателя в электрическую цепь генератора тепловоза осуществляется четырьмя гибкими проводами большого поперечного сечения. По первому проводу ток подводится к двум плюсовым щеткодержателям, проходит через щетки, контактирующие с ними коллекторные пластины, обмотку якоря на минусовые щеткодержатели. От этих щеткодержателей тот же ток пропускается последовательно через четыре катушки обмотки добавочных полюсов и по второму проводу возвращается во внешнюю цепь. С помощью второй пары проводов и внутренних перемычек ток проходит через соединенные последовательно катушки главных полюсов двигателя.
Такая схема соединения обмоток позволяет менять направление тока только в катушках главных полюсов для реверсирования тяговых электродвигателей и изменения направления движения тепловоза.
Тяговый электродвигатель непосредственно приводит во вращение колесную пару через зубчатую передачу. Для этого один конец вала якоря выведен из остова (см. рис. 169) и на него в горячем состоянии напрессована шестерня. После остывания она с большой силой охватывает вал и прочно удерживается на нем. От сползания шестерня предохраняется гайкой. Эта шестерня находится в зацеплении с зубчатым колесом колесной пары, образуя тяговую передачу.
Тяговая передача надежно закрыта кожухом для того, чтобы в нее не попадали пыль, вода и посторонние предметы. Внутрь кожуха заливают смазку для шестерен.
В процессе движения тепловоза колесная пара за счет гибкости рессорного подвешивания периодически перемещается относительно рамы тележки и тягового электродвигателя. Однако благодаря моторно-осевым подшипникам расстояние между центрами шестерни тягового двигателя и зубчатого колеса колесной пары сохраняется постоянным, и их зубья не выходят из зацепления. Таким образом, объединение колесной пары и тягового электродвигателя с помощью моторно-осевых подшипников создает условия для устойчивой работы тяговой зубчатой передачи.
На пассажирских скоростных тепловозах для снижения динамических нагрузок на путь применено моторно-рамное подвешивание тяговых электродвигателей. В этом случае двигатели устанавливают на раме тележки и не увеличивают необрессоренных масс локомотива. Однако конструкция тяговой передачи от вала электродвигателя к колесной паре значительно усложняется.
Для охлаждения тяговых электродвигателей к ним подается атмосферный воздух специальными вентиляторами. Вентиляторы установлены на раме тепловоза и засасывают воздух снаружи через фильтры. Этот воздух от вентиляторов по нагнетательным каналам, а затем через широкие гибкие рукава, называемые гармошками, подводится к тяговым электродвигателям (рис. 173).

Рис. 173. Схема установки и охлаждения тяговых электродвигателей

Далее воздух проходит через специальное окно в станине двигателя, охлаждает коллекторы, щеткодержатели, проходит через двигатель параллельно его валу, отводит тепло от якоря, полюсов и выбрасывается наружу через окна с противоположной от коллектора стороны. Внутри двигателя поддерживается небольшое избыточное давление воздуха, препятствующее попаданию пыли, влаги, снега.
Устройство центробежного вентилятора показано на рис. 174.

Рис. 174. Вентилятор охлаждения тяговых электродвигателей

Внутри улиткообразного корпуса на валу установлено вентиляторное колесо. При вращении лопатки вентиляторного колеса придают воздуху вращательное движение. За счет центробежных сил воздух выбрасывается внутрь корпуса вентилятора. Здесь создается избыточное давление воздуха, и он проходит в нагнетательные каналы, соединенные с корпусом вентилятора. Засасывается воздух с торца вентиляторного колеса. Путь воздуха на рис. 174 показан стрелками.
На новых отечественных тепловозах ТЭП70, ТЭП75, ТЭМ7 и 2ТЭ121 получила применение система централизованного воздухоснабжения. Воздух для охлаждения электрических машин н аппаратов подается одним мощным вентилятором после предварительной очистки. Такая система снабжения воздухом позволяет отказаться от многочисленных вентиляторов, создать мощную вентиляторную установку с высоким к. п. д., обеспечить достаточную степень очистки подаваемого воздуха.

В начало статьи
———————————

Принцип действия и особенности конструкции

Устройство электродвигателя стандартно, что позволяет существенно упростить эксплуатацию и ремонт техники. Статор и ротор, которые являются основными элементами техники, находятся внутри проточки цилиндрической формы. При подаче напряжения на неподвижную обмотку статора возбуждается магнитное поле, что и приводит в движение ротор и вал электродвигателя.

Постоянное движение ротора поддерживается за счёт перекоммутации обмоток или путем создания в статоре вращающегося магнитного поля. Если первый способ поддержки вращения вала характерен для коллекторных модификаций агрегатов, то образование вращающегося магнитного поля присуще для трехфазных асинхронных моторов.

Корпус электрического двигателя может быть изготовлен из алюминиевого сплава или чугуна. В каждом конкретном случае выбор материала корпуса осуществляется исходя из сферы использования техники и ее необходимых параметров по весу.

Все двигатели изготавливаются с однотипными установочными размерами, что позволяет существенно упростить их монтаж и последующую эксплуатацию.

Классификация оборудования

На сегодняшний день существуют различные классификации электрических двигателей, которые отличаются по разным критериям и характеристикам. В зависимости от особенностей техники ее принято классифицировать:

  1. По специфике вращающего момента различают магнитоэлектрические и гистерезисные агрегаты.
  2. По виду крепления принято выделять двигатели с горизонтальным и вертикальным расположением вала.
  3. По классу защиты от воздействия внешней среды различают защищенные, закрытые и взрывонепроницаемые.

В модификации гистерезисного типа вращение вала основывается на перемагничивании ротора. Такие двигатели были популярны в прошлом, однако сегодня их конструкция устарела, поэтому они практически не встречаются. Наибольшее распространение получили магнитоэлектрические агрегаты, способные работать от переменного или постоянного тока, а также модели универсального типа, которые одновременно питаются переменным и постоянным током.

Магнитоэлектрические установки

Использование магнитоэлектрических модификаций двигателей, работающих на постоянном токе, позволяет получить отличные динамические и эксплуатационные характеристики. В зависимости от своей конструкции такой тип двигателей делится на две основные категории:

  • с постоянными магнитами;
  • с электромагнитами.

В последние годы наибольшей популярностью стали пользоваться модификации с электромагнитами, которые обладают большей мощностью, отличаются экономичностью в работе и позволяют быстро изменять параметры работы оборудования.

В коллекторных электродвигателях используется щеточный узел, обеспечивающий соединение вращающихся и неподвижных частей мотора. Такие агрегаты могут выполняться с независимым возбуждением и применением постоянных магнитов, но есть и такие, что имеют самовозбуждающийся тип со смешанным, последовательным или параллельным соединением. Коллекторные модификации отличаются посредственными показателями надежности. Они требуют грамотного и своевременного обслуживания.

Бесколлекторные вентильные агрегаты имеют замкнутую систему, которая работает по принципу синхронных устройств. Высококачественные бесколлекторные электродвигатели оснащаются датчиком считывания положения ротора, имеют преобразователь координат, на основании данных с которого и осуществляется работа устройства.

Вентильные типы двигателей могут иметь различные размеры и мощность. Такие агрегаты используются в промышленном оборудовании. Также ими оснащаются аккумуляторные инструменты, различные игрушки и мобильные телефоны.

Синхронные электродвигатели

К синхронным электродвигателям переменного тока относятся модификации, у которых ротор вращается синхронно с генерируемым магнитным полем. Особенностью таких агрегатов является их высокая мощность, которая может достигать сотен киловатт. Основной сферой использования синхронного оборудования являются мощные промышленные установки, ветряные генераторы и гидроэлектростанции.

Принято различать несколько модификаций синхронных электродвигателей:

  • шаговые;
  • реактивные;
  • с постоянными магнитами;
  • реактивно гистерезисные;
  • вентильные реактивные;
  • с обмотками возбуждения;
  • гибридные синхронные.

У шаговых синхронных двигателей с дискретным угловым движением вала положение ротора будет фиксироваться путём подачи напряжения на обмотки контура. Переход в другое положение вала осуществляется за счёт снятия питания с одних обмоток и последующей подачи напряжения на другие обмотки трансформатора.

Также широкое распространение получил вентильный реактивный электродвигатель, у которого обмотка выполнена из полупроводниковых элементов. Вентильные реактивные агрегаты отличаются увеличенной мощностью, при этом они могут полностью управляться электроникой, что позволяет как поддерживать минимальные обороты, так и быстро выходить на полную мощность с максимальной частотой оборотов. К преимуществам синхронных двигателей принято относить:

  • стабильную скорость вращения;
  • низкую чувствительность к перепадам напряжения в сети;
  • возможность использования в качестве генератора мощности;
  • минимальное потребление электроэнергии.

Однако и недостатки у синхронных устройств всё же имеются. К ним относятся сложности с запуском, трудности с обслуживанием, а также проблемы с регулировкой частоты вращения вала. Основное назначение таких устройств — это мощное промышленное оборудование, где ценится производительность агрегатов и их надежность.

Асинхронные модификации

У асинхронных двигателей переменного тока частота вращения ротора будет отличаться от показателей магнитного поля. Такие агрегаты называют также индукционными, что объясняется принципом генерации магнитного поля, которое возникает за счёт перемещения статора. Асинхронные модификации получили наибольшее распространение, что объясняется простотой их конструкции, надежностью, долговечностью, а также возможностью выполнения как сверхмощных промышленных установок, так и небольших электродвигателей, предназначенных для использования в бытовых инструментах.

В зависимости от типа электротока, с которым работают такие агрегаты, их принято разделять на три категории:

  • однофазные;
  • двухфазные;
  • трехфазные.

Наибольшее распространение сегодня получили однофазные асинхронные двигатели, которые способны работать от бытовой электросети. Особенностью однофазных двигателей является наличие на статоре только одной рабочей обмотки и короткозамкнутого ротора. На обмотку статора подается переменный однофазный ток, приводящий во вращение ротор и вал двигателя. Сам ротор имеет цилиндрический сердечник с залитыми алюминием ячейками и открытыми вентиляционными лопастями. Однофазные двигатели с короткозамкнутым ротором используются в небольших по своей мощности устройствах, водяных насосах и комнатных вентиляторах.

Двухфазные асинхронные двигатели предназначены для использования в однофазной сети с переменным током. Их особенностью является наличие на статоре двух рабочих обмоток, расположенных перпендикулярно друг к другу. Во время работы агрегата на одну обмотку напрямую подаётся переменный ток, а на вторую — через соответствующий фазосдвигающий конденсатор. На выходе образуется крутящееся магнитное поле, которое упрощает запуск электромотора и в последующем поддерживает стабильно высокие обороты.

Трехфазные двигатели могут иметь короткозамкнутый и фазный ротор. Агрегаты оснащены тремя рабочими обмотками, расположенными на статоре параллельно друг другу. При включении двигателя в трехфазную сеть магнитное поле имеет сдвиг в пространстве относительно обмотки на 120 градусов. Наличие короткозамкнутого поля позволяет упростить запуск в работу устройства, при этом в последующем поддерживаются стабильные обороты. Модификации двигателей с фазным ротором отличаются увеличенной мощностью и используются преимущественно в промышленном оборудовании.

Преимуществами асинхронных электромоторов являются их устойчивость к скачкам напряжения и универсальность использования. Благодаря простоте конструкции существенно упрощается их последующее обслуживание, а сама техника чрезвычайно надежна и в процессе эксплуатации не доставляет каких-либо хлопот. В зависимости от своей модификации установки могут работать как от мощного источника электричества в трехфазной сети, так и от бытовой электросети, что позволяет применять их в различной бытовой технике и всевозможных электроприборах.

Электродвигатели представляют собой простейшие и чрезвычайно надёжные устройства, которые широко используются в промышленности и быту. Существующие в настоящее время типы электродвигателей позволяют подобрать агрегат, который будет полностью соответствовать особенностям своей эксплуатации. С помощью таких моторов могут приводиться в движение мощные станки и оборудование, производительные насосы. Без их использования не обходится ни один бытовой электроприбор.

Принцип действия

В основу работы подавляющего числа электрических машин положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из неподвижной части — статора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или индуктора (для машин постоянного тока) и подвижной части — ротора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или якоря (для машин постоянного тока). В роли индуктора на маломощных двигателях постоянного тока очень часто используются постоянные магниты.

Ротор асинхронного двигателя может быть:

  • короткозамкнутым;
  • фазным (с обмоткой) — используются там, где необходимо уменьшить пусковой ток и регулировать частоту вращения асинхронного электродвигателя. В большинстве случаев это крановые электродвигатели серии МТН, которые повсеместно используются в крановых установках.

Якорь — это подвижная часть машин постоянного тока (двигателя или генератора) или же работающего по этому же принципу так называемого универсального двигателя (который используется в электроинструменте). По сути универсальный двигатель — это тот же двигатель постоянного тока (ДПТ) с последовательным возбуждением (обмотки якоря и индуктора включены последовательно). Отличие только в расчётах обмоток. На постоянном токе отсутствует реактивное (индуктивное или ёмкостное) сопротивление. Поэтому любая «болгарка», если из неё извлечь электронный блок, будет вполне работоспособна и на постоянном токе, но при меньшем напряжении сети.

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя

При включении в сеть в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора и наводит в ней ток индукции. Отсюда, следуя закону Ампера (на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует отклоняющая сила), ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов.

Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора характеризуется скольжением. Двигатель называется асинхронным, так как частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора.

Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом, либо электромагнитом, либо имеет в себе часть беличьей клетки (для запуска) и постоянные магниты или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные асинхронные электродвигатели, либо ротор с короткозамкнутой обмоткой.

Асинхронные двигатели нашли широкое применение во всех отраслях техники. Особенно это касается простых по конструкции и прочных трехфазных асинхронных двигателей с коротко-замкнутыми роторами, которые надежнее и дешевле всех электрических двигателей и практически не требуют никакого ухода. Название «асинхронный» обусловлено тем, что в таком двигателе ротор вращается не синхронно с вращающимся полем статора. Там, где нет трехфазной сети, асинхронный двигатель может включаться в сеть однофазного тока.

Статор асинхронного электродвигателя состоит, как и в синхронной машине, из пакета, набранного из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, в пазах которого уложена обмотка. Три фазы обмотки статора асинхронного трехфазного двигателя, пространственно смещенные на 120°, соединяются друг с другом звездой или треугольником.

Картина магнитного поля при работе асинхронного двигателя. Видно скольжение ротора относительно поля.

На рисунке показана принципиальная схема двухполюсной машины — по четыре паза на каждую фазу. При питании обмоток статора от трехфазной сети получается вращающееся поле, так как токи в фазах обмотки, которые смещены в пространстве на 120° друг относительно друга сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120°.

Для синхронной частоты вращения nc поля электродвигателя с р парами полюсов справедливо при частоте тока f {\displaystyle f} : n c = 60 f p {\displaystyle n_{c}={\frac {60f}{p}}}

При частоте 50 Гц получаем для p {\displaystyle p} = 1, 2, 3 (двух-, четырёх- и шести-полюсных машин) синхронные частоты вращения поля n c {\displaystyle n_{c}} = 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Ротор асинхронного электродвигателя также состоит из листов электротехнической стали и может быть выполнен в виде короткозамкнутого ротора (с «беличьей клеткой») или ротора с контактными кольцами (фазный ротор).

В короткозамкнутом роторе обмотка состоит из металлических стержней (медь, бронза или алюминий), которые расположены в пазах и соединяются на концах закорачивающими кольцами (рис. 1). Соединение осуществляется методом пайки твердым припоем или сваркой. В случае применения алюминия или алюминиевых сплавов стержни ротора и закорачивающие кольца, включая лопасти вентилятора, расположенные на них, изготавливаются методом литья под давлением.

У ротора электродвигателя с контактными кольцами в пазах находится трехфазная обмотка, похожая на обмотку статора, включенную, например, звездой; начала фаз соединяются с тремя контактными кольцами, закрепленными на валу. При пуске двигателя и для регулировки частоты вращения можно подключить к фазам обмотки ротора реостаты (через контактные кольца и щетки). После успешного разбега контактные кольца замыкаются накоротко, так что обмотка ротора двигателя выполняет те же самые функции, что и в случае короткозамкнутого ротора.

Классификация электродвигателей

По принципу возникновения вращающего момента электродвигатели можно разделить на гистерезисные и магнитоэлектрические. У двигателей первой группы вращающий момент создается вследствие гистерезиса при перемагничивании ротора. Данные двигатели не являются традиционными и не широко распространены в промышленности.

Наиболее распространены магнитоэлектрические двигатели, которые по типу потребляемой энергии подразделяется на две большие группы — на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока (также существуют универсальные двигатели, которые могут питаться обоими видами тока).

Двигатели постоянного тока

Двигатель постоянного тока в разрезе. Справа расположен коллектор с щётками

Двигатель постоянного тока — двигатель, переключение фаз в котором осуществляется прямо в самом двигателе. Благодаря этому такой двигатель может питаться постоянным током, но так же и переменным.

Данная группа двигателей в свою очередь разделяется по способу переключения фаз и наличию обратной связи подразделяется на:

  1. Коллекторные двигатели;
  2. Вентильные двигатели.

Щёточно-коллекторный узел обеспечивает электрическое синхронное переключение цепей вращающейся части машины и является наиболее ненадежным и сложным в обслуживании конструктивным элементом.

По типу возбуждения коллекторные двигатели можно разделить на:

  1. Двигатели с независимым возбуждением от электромагнитов и постоянных магнитов;
  2. Двигатели с самовозбуждением.

Двигатели с самовозбуждением делятся на:

  1. Двигатели с параллельным возбуждением (обмотка якоря включается параллельно обмотке возбуждения);
  2. Двигатели последовательного возбуждения (обмотка якоря включается последовательно обмотке возбуждения);
  3. Двигатели смешанного возбуждения (часть обмотки возбуждения включается последовательно с якорем, а вторая часть — параллельно обмотке якоря или последовательно соединённым обмотке якоря и первой обмотки возбуждения, в зависимости от требуемой нагрузочной характеристики).

Бесколлекторные двигатели (вентильные двигатели) — электродвигатели в котором переключение фаз осуществляется с помощью специального электронного блока (инвертора), могут быть с обратной связью с использованием датчика положения ротора, либо без обратной связи, фактически аналог асинхронного.

Двигатели пульсирующего тока

Двигатель пульсирующего тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется пульсирующим электрическим током. По конструкции очень близок к двигателю постоянного тока. Его конструктивными отличиями от двигателя постоянного тока являются шихтованные вставки в остове, шихтованные дополнительные полюса, большее число пар полюсов, наличие компенсационной обмотки. Применяется на электровозах с установками для выпрямления переменного тока

Двигатели переменного тока

Трехфазные асинхронные двигатели

Двигатель переменного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели. Принципиальное различие состоит в том, что в синхронных машинах первая гармоника магнитодвижущей силы статора движется со скоростью вращения ротора (благодаря чему сам ротор вращается со скоростью вращения магнитного поля в статоре), а у асинхронных — всегда есть разница между скоростью вращения ротора и скоростью вращения магнитного поля в статоре (поле вращается быстрее ротора).

Синхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения.

Синхронные электродвигатели подразделяются на:

  • синхронный двигатель с обмотками возбуждения. Данные двигатели обычно используются при больших мощностях (от сотен киловатт и выше).
  • синхронный двигатель с постоянными магнитами;
  • синхронный реактивный двигатель;
  • гистерезисный двигатель;
  • шаговый двигатель;
  • гибридный синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами;
  • реактивно-гистерезисный двигатель.

Существуют синхронные двигатели с дискретным угловым перемещением ротора — шаговые двигатели. У них заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие. Ещё один вид синхронных двигателей — вентильный реактивный электродвигатель, питание обмоток которого формируется при помощи полупроводниковых элементов.

Асинхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением. Эти двигатели наиболее распространены в настоящее время.

По количеству фаз двигатели переменного тока подразделяются на:

  • однофазные — запускаются вручную, имеют пусковую обмотку, фазосдвигающую цепь или экранированные полюса;
  • двухфазные — в том числе конденсаторные;
  • трёхфазные;
  • многофазные;

Универсальный коллекторный электродвигатель

Основная статья: Коллекторный электродвигатель

Универсальный коллекторный электродвигатель — коллекторный электродвигатель, который может работать и на постоянном, и на переменном токе. Изготавливается только с последовательной обмоткой возбуждения на мощности до 200 Вт. Статор выполняется шихтованным из специальной электротехнической стали. Обмотка возбуждения включается частично при переменном токе и полностью при постоянном. Для переменного тока номинальные напряжения 127, 220 В, для постоянного 110, 220 В. Применяется в бытовых аппаратах, электроинструментах. Двигатели переменного тока с питанием от промышленной сети 50 Гц не позволяют получить частоту вращения выше 3000 об/мин. Поэтому для получения высоких частот применяют коллекторный электродвигатель, который к тому же получается легче и меньше двигателя переменного тока той же мощности или применяют специальные передаточные механизмы, изменяющие кинематические параметры механизма до необходимых нам (мультипликаторы). При применении преобразователей частоты или наличии сети повышенной частоты (100, 200, 400 Гц) двигатели переменного тока оказываются легче и меньше коллекторных двигателей (коллекторный узел иногда занимает половину пространства). Ресурс асинхронных двигателей переменного тока гораздо выше, чем у коллекторных, и определяется состоянием подшипников и изоляции обмоток.

Синхронный двигатель с датчиком положения ротора и инвертором является электронным аналогом коллекторного двигателя постоянного тока. Строго говоря, универсальный коллекторный двигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3—5 от номинального (против 5—10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Синхронный электродвигатель возвратно-поступательного движения

Принцип его работы заключается в том, что подвижная часть двигателя представляет собой постоянные магниты, закреплённые на штоке. Через неподвижные обмотки пропускается переменный ток и постоянные магниты под действием магнитного поля, создаваемого обмотками, перемещают шток возвратно-поступательным образом.

История

Принцип преобразования электрической энергии в механическую энергию электромагнитным полем был продемонстрирован британским учёным Майклом Фарадеем в 1821 и состоял из свободно висящего провода, окунающегося в ртуть. Постоянный магнит был установлен в середине ванны со ртутью. Когда через провод пропускался ток, провод вращался вокруг магнита, показывая, что ток вызывал циклическое магнитное поле вокруг провода. Этот двигатель часто демонстрируется на школьных уроках физики, вместо токсичной ртути используют электролит. Это — самый простой вид из класса электрических двигателей. Последующим усовершенствованием является Колесо Барлоу. Оно было демонстрационным устройством, непригодным в практических применениях из-за ограниченной мощности.

Изобретатели стремились создать электродвигатель для производственных нужд. Они пытались заставить железный сердечник двигаться в поле электромагнита возвратно-поступательно, то есть так, как движется поршень в цилиндре паровой машины. Русско-прусский ученый Б.С. Якоби пошёл иным путём. В 1834 г. он создал первый в мире практически пригодный электродвигатель с вращающимся якорем и опубликовал теоретическую работу «О применении электромагнетизма для приведения в движение машины». Б.С. Якоби писал, что его двигатель несложен и «дает непосредственно круговое движение, которое гораздо легче преобразовать в другие виды движения, чем возвратно-поступательное».

Вращательное движение якоря в двигателе Якоби происходило вследствие попеременного притяжения и отталкивания электромагнитов. Неподвижная группа U-образных электромагнитов питалась током непосредственно от гальванической батареи, причем направление тока в этих электромагнитах оставалось неизменным. Подвижная группа электромагнитов была подключена к батарее через коммутатор, с помощью которого направление тока в каждом электромагните изменялось восемь раз за один оборот диска. Полярность электромагнитов при этом соответственно изменялась, а каждый из подвижных электромагнитов попеременно притягивался и отталкивался соответствующим неподвижным электромагнитом: вал двигателя начинал вращаться. Мощность такого двигателя составляла всего 15 Вт. Впоследствии Якоби довел мощность электродвигателя до 550 Вт. Этот двигатель был установлен сначала на лодке, а позже на железнодорожной платформе.

В 1839 г. Якоби построил лодку с электромагнитным двигателем, который от 69 элементов Грове развивал 1 лошадиную силу и двигал лодку с 14 пассажирами по Неве против течения. Это было первое применение электромагнетизма к передвижению в больших размерах.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *