Nguyên lý hoạt động và thiết bị của động cơ điện

Bất kỳ động cơ điện nào cũng được thiết kế để thực hiện công cơ học do tiêu thụ điện áp vào nó, thường được chuyển thành chuyển động quay. Mặc dù trong công nghệ có những mô hình ngay lập tức tạo ra chuyển động tịnh tiến của cơ thể làm việc. Chúng được gọi là động cơ tuyến tính.

Trong các cơ sở công nghiệp, động cơ điện điều khiển các máy cắt kim loại và các thiết bị cơ khí khác nhau tham gia vào quy trình sản xuất công nghệ.

Bên trong các thiết bị gia dụng, động cơ điện chạy máy giặt, máy hút bụi, máy tính, máy sấy tóc, đồ chơi trẻ em, đồng hồ và nhiều thiết bị khác.

Các quá trình vật lý cơ bản và nguyên tắc hoạt động

Khi di chuyển vào trong từ trường các điện tích, được gọi là dòng điện, luôn có một lực cơ học có xu hướng làm lệch hướng của chúng trong mặt phẳng vuông góc với hướng của các đường sức từ.Khi một dòng điện chạy qua một dây kim loại hoặc một cuộn dây làm bằng nó, lực này có xu hướng di chuyển/xoay từng dây dẫn mang dòng điện và toàn bộ cuộn dây nói chung.

Bức ảnh dưới đây cho thấy một khung kim loại có dòng điện chạy qua nó. Một từ trường tác dụng lên nó tạo ra một lực F cho mỗi nhánh của khung, lực này tạo ra chuyển động quay.

Tính chất tương tác của năng lượng điện và từ, dựa trên việc tạo ra một suất điện động trong một vòng dẫn kín, được đưa vào hoạt động trên mọi động cơ điện. Thiết kế của nó bao gồm:

• cuộn dây có dòng điện chạy qua. Nó được đặt trên một lõi neo đặc biệt và được cố định trong các ổ trục quay để giảm khả năng chống lại các lực ma sát. Thiết kế này được gọi là rôto;

• stato, tạo ra một từ trường, với các đường sức của nó xuyên qua các điện tích chạy dọc theo các vòng quay của cuộn dây rôto;

• vỏ để đặt stato. Bên trong cơ thể, những chiếc ghế đặc biệt được chế tạo, bên trong đó các lồng bên ngoài của ổ trục rôto được gắn.

Thiết kế đơn giản hóa của động cơ điện đơn giản nhất có thể được biểu thị bằng một hình ảnh có dạng sau.

Khi rôto quay, một mô-men xoắn được tạo ra, công suất của nó phụ thuộc vào thiết kế chung của thiết bị, lượng năng lượng điện được sử dụng và tổn thất của nó trong quá trình chuyển đổi.

Độ lớn của công suất mô-men xoắn cực đại có thể có của động cơ luôn nhỏ hơn năng lượng điện áp dụng cho nó. Nó được đặc trưng bởi giá trị hiệu quả.

Các loại động cơ điện

Theo loại dòng điện chạy qua cuộn dây, chúng được chia thành động cơ DC hoặc AC.Mỗi nhóm trong số hai nhóm này có một số lượng lớn các sửa đổi sử dụng các quy trình công nghệ khác nhau.

động cơ điện một chiều

Chúng có từ trường stato được tạo bởi một vật cố định đứng yên nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện đặc biệt với cuộn dây kích thích. Cuộn dây phần ứng được lắp chắc chắn vào trục, trục này được cố định trong các ổ trục và có thể quay tự do quanh trục của chính nó.

Cấu trúc cơ bản của một động cơ như vậy được thể hiện trong hình.

Trên lõi của phần ứng làm bằng vật liệu sắt từ có một cuộn dây gồm hai phần mắc nối tiếp được nối với các tấm thu dẫn điện ở một đầu và nối với nhau ở đầu kia. Hai bàn chải than chì được đặt ở các đầu đối diện hoàn toàn của phần ứng và được ép vào các miếng tiếp xúc của các tấm thu nhiệt.

Điện thế nguồn DC dương được áp dụng cho bàn chải mẫu phía dưới và điện thế âm cho bàn chải phía trên. Chiều của dòng điện chạy qua cuộn dây được thể hiện bằng mũi tên nét đứt màu đỏ.

Dòng điện làm cho từ trường có cực bắc ở phía dưới bên trái của phần ứng và cực nam ở phía trên bên phải của phần ứng (quy tắc gimbal). Điều này dẫn đến lực đẩy của các cực của rôto khỏi các cực cùng tên đứng yên và lực hút đối với các cực đối diện của stato. Do lực tác dụng, một chuyển động quay xảy ra, hướng của nó được biểu thị bằng mũi tên màu nâu.

Với sự quay tiếp theo của phần ứng theo quán tính, các cực được chuyển sang các tấm thu khác. Hướng của dòng điện trong chúng bị đảo ngược. Cánh quạt tiếp tục quay thêm.

Thiết kế đơn giản của một thiết bị thu như vậy dẫn đến tổn thất năng lượng điện lớn.Những động cơ như vậy hoạt động trong các thiết bị có thiết kế đơn giản hoặc đồ chơi cho trẻ em.

Các động cơ điện một chiều tham gia vào quá trình sản xuất có thiết kế phức tạp hơn:

• cuộn dây không được chia thành hai mà thành nhiều phần;

• mỗi phần của cuộn dây được gắn trên cực riêng của nó;

• thiết bị thu được chế tạo với một số miếng đệm tiếp xúc nhất định theo số lượng cuộn dây.

Kết quả là, một kết nối trơn tru của từng cực thông qua các tấm tiếp xúc của nó với chổi than và nguồn hiện tại được tạo ra và giảm tổn thất năng lượng.

Thiết bị neo như vậy được hiển thị trong ảnh.

Trong động cơ điện một chiều, chiều quay của rôto có thể đảo ngược. Để làm điều này, chỉ cần thay đổi chuyển động của dòng điện trong cuộn dây ngược lại bằng cách thay đổi cực tính ở nguồn là đủ.

động cơ điện xoay chiều

Chúng khác với các thiết kế trước đây ở chỗ dòng điện chạy trong cuộn dây của chúng được mô tả bởi định luật điều hòa hình sinđịnh kỳ thay đổi hướng của nó (dấu hiệu). Để cung cấp năng lượng cho chúng, điện áp được cung cấp từ các máy phát điện có dấu hiệu xen kẽ.

Stator của các động cơ như vậy được thực hiện bởi một mạch từ. Nó được làm bằng các tấm sắt từ có rãnh trong đó các vòng quay của cuộn dây được đặt với cấu hình khung (cuộn dây).

Động cơ điện đồng bộ

Bức ảnh dưới đây cho thấy nguyên lý hoạt động của động cơ xoay chiều một pha với sự quay đồng bộ của các trường điện từ của rôto và stato.

Trong các rãnh của mạch từ của stato ở các đầu đối diện hoàn toàn, người ta đặt các dây quấn, được thể hiện dưới dạng sơ đồ dưới dạng khung mà dòng điện xoay chiều chạy qua.

Chúng ta hãy xem xét trường hợp của thời điểm tương ứng với sự đi qua của phần dương của nửa sóng của nó.

Trong các ô ổ trục, một rôto có nam châm vĩnh cửu tích hợp quay tự do, trong đó «miệng N» phía bắc và «miệng S» phía nam của cực được xác định rõ ràng. Khi dòng điện nửa sóng dương chạy qua cuộn dây stato, một từ trường có các cực «S st» và «N st» được tạo ra trong đó.

Các lực tương tác phát sinh giữa từ trường của rôto và stato (với các cực đẩy nhau và không giống như các cực hút nhau) có xu hướng biến phần ứng động cơ từ bất kỳ vị trí nào sang cực trị khi các cực đối diện được đặt càng gần nhau càng tốt. khác.

Nếu chúng ta xem xét trường hợp tương tự, nhưng tại thời điểm ngược lại - dòng điện nửa sóng âm đi qua dây khung, thì chuyển động quay của phần ứng sẽ xảy ra theo hướng ngược lại.

Để đảm bảo chuyển động liên tục của rôto trong stato, không phải một khung cuộn dây được tạo ra mà là một số lượng nhất định, với điều kiện là mỗi khung được cung cấp bởi một nguồn dòng riêng.

Nguyên lý làm việc của động cơ điện xoay chiều ba pha quay đồng bộ, trường điện từ của rôto và stato được thể hiện trong hình dưới đây.

Trong thiết kế này, ba cuộn dây A, B và C được gắn bên trong mạch từ của stato, lệch nhau một góc 120 độ. Cuộn dây A được đánh dấu màu vàng, B màu xanh lá cây và C màu đỏ. Mỗi cuộn dây được làm với các khung giống như trong trường hợp trước.

Trong hình, trong mọi trường hợp, dòng điện chỉ chạy qua một cuộn dây theo hướng thuận hoặc ngược, được biểu thị bằng các dấu «+» và «-«.

Khi nửa sóng dương đi qua pha A theo hướng thuận, trục của trường rôto ở vị trí nằm ngang, do các cực từ của stato được hình thành trong mặt phẳng này và thu hút phần ứng di động. Các cực đối diện của rôto có xu hướng tiến gần đến các cực của stato.

Khi nửa sóng dương đi vào pha C, phần ứng sẽ quay 60 độ theo chiều kim đồng hồ. Khi dòng điện được đưa vào pha B, một vòng quay phần ứng tương tự sẽ xảy ra. Mỗi dòng điện tiếp theo trong giai đoạn tiếp theo của cuộn dây tiếp theo sẽ làm quay rôto.

Nếu đặt điện áp lưới ba pha lệch một góc 120 độ cho mỗi cuộn dây, thì các dòng điện xoay chiều sẽ lưu thông trong chúng, dòng điện này sẽ làm quay phần ứng và tạo ra chuyển động quay đồng bộ của nó với trường điện từ ứng dụng.

Thiết kế cơ học tương tự được sử dụng thành công trong động cơ bước ba pha… Chỉ trong mỗi cuộn dây bằng điều khiển bộ điều khiển đặc biệt (trình điều khiển động cơ bước) Các xung không đổi được áp dụng và loại bỏ theo thuật toán được mô tả ở trên.

Khởi động của họ bắt đầu một chuyển động quay và việc kết thúc của họ tại một thời điểm nhất định cung cấp một vòng quay được đo của trục và dừng ở một góc được lập trình để thực hiện các hoạt động công nghệ nhất định.

Trong cả hai hệ thống ba pha được mô tả, có thể thay đổi hướng quay của phần ứng. Để làm điều này, bạn chỉ cần thay đổi trình tự các pha «A» — «B» — «C» sang một pha khác, ví dụ «A» — «C» — «B».

Tốc độ của rôto được điều chỉnh bởi độ dài của chu kỳ T. Việc giảm tốc độ của nó dẫn đến gia tốc quay.Độ lớn biên độ dòng điện trong pha phụ thuộc vào điện trở trong của cuộn dây và giá trị hiệu điện thế đặt vào nó. Nó xác định lượng mô-men xoắn và công suất của động cơ điện.

động cơ không đồng bộ

Các thiết kế động cơ này có cùng một mạch từ stato với các cuộn dây như trong các mô hình một pha và ba pha đã thảo luận trước đây. Chúng lấy tên từ sự quay không đồng bộ của trường điện từ phần ứng và stato. Điều này được thực hiện bằng cách cải thiện cấu hình của rôto.

Lõi của nó được làm bằng các tấm thép điện có rãnh. Chúng được trang bị các dây dẫn dòng điện bằng nhôm hoặc đồng, được đóng ở các đầu của phần ứng bằng các vòng dẫn điện.

Khi đặt điện áp vào cuộn dây stato, một dòng điện được tạo ra trong cuộn dây rôto bằng lực điện động và từ trường phần ứng được tạo ra. Khi các trường điện từ này tương tác, trục động cơ bắt đầu quay.

Với thiết kế này, chuyển động của rôto chỉ có thể thực hiện được sau khi xuất hiện trường điện từ quay trong stato và nó tiếp tục ở chế độ hoạt động không đồng bộ với nó.

Động cơ không đồng bộ có thiết kế đơn giản hơn, do đó rẻ hơn và được sử dụng rộng rãi trong lắp đặt công nghiệp và thiết bị gia dụng.

Động cơ điện chống cháy nổ ABB

động cơ tuyến tính

Nhiều cơ quan làm việc của các cơ chế công nghiệp thực hiện chuyển động tịnh tiến hoặc tịnh tiến trong một mặt phẳng, điều này cần thiết cho hoạt động của máy gia công kim loại, phương tiện, búa đập khi đóng cọc ...

Việc di chuyển một cơ thể làm việc như vậy bằng hộp số, vít bi, truyền động đai và các thiết bị cơ khí tương tự từ động cơ điện quay sẽ làm phức tạp thiết kế. Giải pháp kỹ thuật hiện đại cho vấn đề này là hoạt động của động cơ điện tuyến tính.

Stator và rôto của nó được kéo dài ở dạng dải chứ không phải quấn thành vòng như trong động cơ điện quay.

Nguyên lý hoạt động là truyền chuyển động tuyến tính tịnh tiến tới rôto của con quay do sự truyền năng lượng điện từ từ stato đứng yên với mạch từ hở có độ dài nhất định. Một từ trường hoạt động được tạo ra bên trong nó bằng cách bật liên tục dòng điện.

Nó hoạt động trên cuộn dây phần ứng với một bộ thu. Các lực phát sinh trong một động cơ như vậy chỉ di chuyển rôto theo hướng tuyến tính dọc theo các phần tử dẫn hướng.

Động cơ tuyến tính được thiết kế để hoạt động trên dòng điện một chiều hoặc dòng điện xoay chiều và có thể hoạt động ở chế độ đồng bộ hoặc không đồng bộ.

Nhược điểm của động cơ tuyến tính là:

• sự phức tạp của công nghệ;

• giá cao;

• hiệu suất năng lượng thấp.