Jeder Elektromotor ist dafür ausgelegt, durch den ihm zugeführten Stromverbrauch mechanische Arbeit zu verrichten, die in der Regel in Drehbewegung umgewandelt wird. Obwohl es in der Technik Modelle gibt, die sofort eine translatorische Bewegung des Arbeitskörpers erzeugen. Sie werden Linearmotoren genannt.
In Industrieanlagen treiben Elektromotoren verschiedene Maschinen und mechanische Geräte an, die am technologischen Produktionsprozess beteiligt sind.
Im Inneren von Haushaltsgeräten arbeiten Elektromotoren Waschmaschinen, Staubsauger, Computer, Haartrockner, Kinderspielzeug, Uhren und viele andere Geräte.
Grundlegende physikalische Prozesse und Funktionsprinzip
Auf den beweglichen drinnen elektrische Aufladungen, die als elektrischer Strom bezeichnet werden, gibt es immer eine mechanische Kraft, die dazu neigt, ihre Richtung in einer Ebene abzulenken, die senkrecht zur Ausrichtung der magnetischen Kraftlinien liegt. Wenn ein elektrischer Strom durch einen Metallleiter oder eine daraus hergestellte Spule fließt, neigt diese Kraft dazu, jeden stromführenden Leiter und die gesamte Wicklung als Ganzes zu bewegen/drehen.
Das Bild unten zeigt einen Metallrahmen, durch den Strom fließt. Das darauf angelegte Magnetfeld erzeugt für jeden Zweig des Rahmens eine Kraft F, die eine Drehbewegung erzeugt.
Diese Eigenschaft der Wechselwirkung von elektrischer und magnetischer Energie, die auf der Erzeugung einer elektromotorischen Kraft in einem geschlossenen Stromkreis beruht, ist am Betrieb eines jeden Elektromotors beteiligt. Sein Design umfasst:
Wicklung, durch die elektrischer Strom fließt. Es wird auf einen speziellen Ankerkern aufgesetzt und in Rotationslagern befestigt, um die Gegenwirkung von Reibungskräften zu reduzieren. Diese Struktur wird Rotor genannt;
ein Stator, der ein Magnetfeld erzeugt, das mit seinem Stromleitungen dringt elektrische Ladungen ein, die durch die Windungen der Rotorwicklung verlaufen;
Gehäuse zur Aufnahme des Stators. Im Inneren des Gehäuses sind spezielle Montagebuchsen angebracht, in denen die Außenringe der Rotorlager montiert werden.
Ein vereinfachter Aufbau des einfachsten Elektromotors kann durch das folgende Bild dargestellt werden.
Wenn sich der Rotor dreht, entsteht ein Drehmoment, dessen Leistung von der allgemeinen Konstruktion des Geräts, der Menge der zugeführten elektrischen Energie und ihren Verlusten bei Umwandlungen abhängt.
Die maximal mögliche Drehmomentleistung des Motors ist immer geringer als die ihm zugeführte elektrische Energie. Sie wird durch die Größe des Effizienzfaktors charakterisiert.
Arten von Elektromotoren
Basierend auf der Art des Stroms, der durch die Wicklungen fließt, werden sie in Gleichstrom- oder Gleichstrommotoren unterteilt. Wechselstrom. Jede dieser beiden Gruppen weist eine Vielzahl von Modifikationen auf, die unterschiedliche technologische Verfahren nutzen.
Elektromotoren Gleichstrom
Ihr Statormagnetfeld wird durch fest montierte oder spezielle Elektromagnete mit Feldwicklungen erzeugt. Die Ankerwicklung ist starr in der gelagerten Welle montiert und kann sich frei um die eigene Achse drehen.
Der prinzipielle Aufbau eines solchen Motors ist in der Abbildung dargestellt.
Auf dem Ankerkern aus ferromagnetischen Materialien befindet sich eine Wicklung bestehend aus zwei in Reihe geschalteten Teilen, die an einem Ende mit leitenden Kollektorplatten und am anderen Ende miteinander verbunden sind. An diametral gegenüberliegenden Enden des Ankers befinden sich zwei Graphitbürsten, die gegen die Kontaktflächen der Kommutatorplatten gedrückt werden.
Die untere Bürste des Musters wird mit einem positiven Potenzial einer Konstantstromquelle versorgt, und die obere Bürste wird mit einem negativen Potenzial versorgt. Die Richtung des durch die Wicklung fließenden Stroms wird durch einen gepunkteten roten Pfeil angezeigt.
Der Strom verursacht ein Magnetfeld des Nordpols im unteren linken Teil des Ankers und eines Südpols im oberen rechten Teil (Gimlet-Regel). Dies führt zur Abstoßung der Rotorpole von gleichen stationären Polen und zur Anziehung zu ungleichen Polen am Stator. Durch die ausgeübte Kraft entsteht eine Rotationsbewegung, deren Richtung durch den braunen Pfeil angezeigt wird.
Bei weiterer Drehung des Ankers bewegen sich die Pole aufgrund der Trägheit zu anderen Kollektorplatten. Die Richtung des Stroms in ihnen ändert sich in die entgegengesetzte Richtung. Der Rotor dreht sich weiter.
Der einfache Aufbau einer solchen Kollektorvorrichtung führt zu großen Verlusten an elektrischer Energie. Solche Motoren funktionieren in einfachen Geräten oder Spielzeugen für Kinder.
Am Produktionsprozess beteiligte Gleichstrom-Elektromotoren sind komplexer aufgebaut:
die Wicklung ist nicht in zwei, sondern in mehrere Teile geteilt;
jeder Wicklungsabschnitt ist auf einem eigenen Pol montiert;
Die Kollektorvorrichtung besteht aus einer bestimmten Anzahl von Kontaktpads entsprechend der Anzahl der Wicklungsabschnitte.
Dadurch entsteht eine reibungslose Verbindung jedes Pols über seine Kontaktplatten zu den Bürsten und der Stromquelle und Stromverluste werden reduziert.
Das Gerät eines solchen Ankers ist im Bild dargestellt.
Bei Gleichstrom-Elektromotoren kann die Drehrichtung des Rotors umgekehrt werden. Dazu reicht es aus, die Strombewegung in der Wicklung umzukehren, indem man die Polarität an der Quelle ändert.
Wechselstrommotoren
Sie unterscheiden sich von früheren Konstruktionen dadurch, dass der in ihrer Wicklung fließende elektrische Strom durch eine periodische Änderung seiner Richtung (Vorzeichen) beschrieben wird. Um sie mit Strom zu versorgen, wird Spannung von Wechselvorzeichengeneratoren geliefert.
Der Stator solcher Motoren besteht aus einem Magnetkreis. Es besteht aus ferromagnetischen Platten mit Nuten, in die Wicklungswindungen mit Rahmenkonfiguration (Spulenkonfiguration) eingelegt werden.
Synchron-Elektromotoren
Das Bild unten zeigt Funktionsprinzip eines Einphasen-Wechselstrommotors mit synchroner Rotation der elektromagnetischen Felder von Rotor und Stator.
In den Nuten des Statormagnetkreises befinden sich an diametral gegenüberliegenden Enden Wicklungsleiter, schematisch dargestellt in Form eines Rahmens, durch den Wechselstrom fließt.
Betrachten wir den Fall für den Zeitpunkt, der dem Durchgang des positiven Teils seiner Halbwelle entspricht.
Ein Rotor mit eingebautem Permanentmagneten dreht sich frei in den Lagerringen und verfügt über einen klar definierten Nordpol „N-Maul“ und einen Südpol „S-Maul“. Wenn eine positive Stromhalbwelle durch die Statorwicklung fließt, entsteht darin ein Magnetfeld mit den Polen „S st“ und „N st“.
Zwischen den Magnetfeldern von Rotor und Stator entstehen Wechselwirkungskräfte (Pole stoßen sich ab und entgegengesetzte Pole ziehen sich an), die dazu neigen, den Anker des Elektromotors von einer beliebigen Position in die endgültige Position zu drehen, wenn die entgegengesetzten Pole möglichst nahe beieinander liegen möglichst relativ zueinander.
Wenn wir den gleichen Fall betrachten, jedoch für den Moment, in dem die umgekehrte negative Halbwelle des Stroms durch den Rahmenleiter fließt, erfolgt die Drehung des Ankers in die entgegengesetzte Richtung.
Um dem Rotor eine kontinuierliche Bewegung zu verleihen, wird im Stator nicht ein Wickelrahmen hergestellt, sondern eine bestimmte Anzahl davon, wobei zu berücksichtigen ist, dass jeder von ihnen von einer separaten Stromquelle gespeist wird.
Arbeitsprinzip Dreiphasenmotor AC-Synchronrotation Die elektromagnetischen Felder von Rotor und Stator sind im folgenden Bild dargestellt.
Bei dieser Konstruktion sind drei Wicklungen A, B und C im Statormagnetkreis montiert und in einem Winkel von 120 Grad zueinander versetzt. Wicklung A ist ausgewählt Gelb, B ist grün und C ist rot. Jede Wicklung wird mit den gleichen Rahmen wie im vorherigen Fall hergestellt.
Im Bild fließt der Strom jeweils nur durch eine Wicklung in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung, was durch die Zeichen „+“ und „-“ angezeigt wird.
Wenn eine positive Halbwelle die Phase A in Vorwärtsrichtung durchläuft, nimmt die Rotorfeldachse eine horizontale Position ein, da die Magnetpole des Stators in dieser Ebene ausgebildet sind und den beweglichen Anker anziehen. Gegenüberliegende Rotorpole tendieren dazu, sich den Statorpolen anzunähern.
Wenn die positive Halbwelle auf Phase C folgt, dreht sich der Anker um 60 Grad im Uhrzeigersinn. Nachdem Phase B mit Strom versorgt wird, erfolgt eine ähnliche Drehung des Ankers. Jeder aufeinanderfolgende Stromfluss in der nächsten Phase der nächsten Wicklung dreht den Rotor.
Wenn jeder Wicklung eine um 120 Grad verschobene dreiphasige Netzspannung zugeführt wird, zirkulieren in ihnen Wechselströme, die den Anker drehen und seine synchrone Drehung mit dem zugeführten elektromagnetischen Feld erzeugen.
Das gleiche mechanische Design wurde erfolgreich eingesetzt Dreiphasen-Schrittmotor. Nur in jeder Wicklung werden mit Hilfe der Steuerung Gleichstromimpulse nach dem oben beschriebenen Algorithmus zugeführt und abgeführt.
Ihr Start löst eine Drehbewegung aus, und das Stoppen zu einem bestimmten Zeitpunkt sorgt für eine dosierte Drehung der Welle und stoppt in einem programmierten Winkel, um bestimmte technologische Vorgänge auszuführen.
Bei beiden beschriebenen Drehstromsystemen besteht die Möglichkeit, die Drehrichtung des Ankers zu ändern. Dazu müssen Sie lediglich die Phasenfolge „A“ – „B“ – „C“ in etwas anderes ändern, zum Beispiel „A“ – „C“ – „B“.
Die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors wird durch die Dauer der Periode T reguliert. Ihre Verringerung führt zu einer Beschleunigung der Rotation. Die Größe der Stromamplitude in einer Phase hängt vom Innenwiderstand der Wicklung und dem Wert der an ihr angelegten Spannung ab. Sie bestimmt das Drehmoment und die Leistung des Elektromotors.
Asynchrone Elektromotoren
Diese Motorkonstruktionen haben den gleichen Statormagnetkreis mit Wicklungen wie die zuvor diskutierten einphasigen und dreiphasigen Modelle. Sie erhielten ihren Namen aufgrund der nicht synchronen Rotation der elektromagnetischen Felder von Anker und Stator. Dies wurde durch eine Verbesserung der Rotorkonfiguration erreicht.
Sein Kern besteht aus Elektrostahlplatten mit Rillen. Sie sind mit Stromleitern aus Aluminium oder Kupfer ausgestattet, die an den Enden des Ankers durch leitfähige Ringe verschlossen sind.
Wenn Spannung an die Statorwicklungen angelegt wird, wird durch eine elektromotorische Kraft ein elektrischer Strom in der Rotorwicklung induziert und ein Magnetfeld des Ankers erzeugt. Wenn diese elektromagnetischen Felder interagieren, beginnt sich die Motorwelle zu drehen.
Bei dieser Konstruktion ist eine Rotorbewegung erst möglich, nachdem im Stator ein rotierendes elektromagnetisches Feld entstanden ist und er mit diesem asynchron weiterarbeitet.
Asynchronmotoren sind einfacher aufgebaut. Daher sind sie kostengünstiger und werden häufig in Industrieanlagen und Haushaltsgeräten eingesetzt.
Linearmotoren
Viele Arbeitsteile industrieller Mechanismen führen hin- und hergehende oder translatorische Bewegungen in einer Ebene aus, die für den Betrieb von Metallbearbeitungsmaschinen erforderlich sind. Fahrzeug, Hammerschläge beim Rammen von Pfählen...
Das Bewegen eines solchen Arbeitskörpers mithilfe von Getrieben, Kugelumlaufspindeln, Riemenantrieben und ähnlichen mechanischen Vorrichtungen von einem rotierenden Elektromotor aus erschwert die Konstruktion. Modern technische Lösung Dieses Problem ist der Betrieb eines linearen Elektromotors.
Sein Stator und Rotor sind länglich in Form von Streifen und nicht wie bei Rotationselektromotoren zu Ringen gefaltet.
Das Funktionsprinzip besteht darin, dem Läufer-Rotor durch die Übertragung elektromagnetischer Energie von einem stationären Stator mit einem offenen Magnetkreis einer bestimmten Länge eine hin- und hergehende lineare Bewegung zu verleihen. Im Inneren entsteht durch abwechselndes Einschalten des Stroms ein fließendes Magnetfeld.
Es wirkt mit dem Kommutator auf die Ankerwicklung. Die in einem solchen Motor auftretenden Kräfte bewegen den Rotor nur in linearer Richtung entlang der Führungselemente.
Linearmotoren sind für den Betrieb mit Gleich- oder Wechselstrom ausgelegt und können im Synchron- oder Asynchronmodus betrieben werden.
Die Nachteile von Linearmotoren sind:
Komplexität der Technologie;
hoher Preis;
niedrige Energieniveaus.
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Folienunterschriften:
Bestimmen Sie in den Bildern die Richtung der Ampere-Kraft, die Richtung des Stroms im Leiter, die Richtung der magnetischen Feldlinien und die Pole des Magneten. N S F = 0 Erinnern wir uns.
Laborarbeit Nr. 11 Untersuchung eines Gleichstrom-Elektromotors (am Modell). Zweck der Arbeit: Kennenlernen eines Modells eines Gleichstrom-Elektromotors mit seinem Aufbau und seiner Funktionsweise. Ausstattung und Materialien: Elektromotormodell, Labornetzteil, Schlüssel, Anschlussdrähte.
Sicherheitsbestimmungen. Es sollten keine Fremdkörper auf dem Tisch liegen. Aufmerksamkeit! Elektrischer Strom! Die Isolierung der Leiter darf nicht beschädigt werden. Schalten Sie den Stromkreis nicht ohne die Erlaubnis des Lehrers ein. Berühren Sie die rotierenden Teile des Elektromotors nicht mit Ihren Händen. Lange Haare müssen entfernt werden, damit sie sich nicht in den rotierenden Teilen des Motors verfangen. Nach Abschluss der Arbeiten Arbeitsplatz in Ordnung bringen, Stromkreis öffnen und zerlegen.
Die Reihenfolge der Arbeit. 1. Betrachten Sie das Modell des Elektromotors. Geben Sie die Hauptbestandteile in Abbildung 1 an. 1 2 3 Abb.1 4 5 1 - ______________________________ 2 - ______________________________ 3 - ______________________________ 4 - ______________________________ 5 - ______________________________
2. Bauen Sie einen Stromkreis bestehend aus einer Stromquelle, einem Elektromotormodell und einem Schlüssel zusammen und schalten Sie alles in Reihe. Zeichnen Sie ein Diagramm der Schaltung.
3. Drehen Sie den Motor. Wenn der Motor nicht funktioniert, finden Sie die Gründe und beseitigen Sie sie. 4. Ändern Sie die Stromrichtung im Stromkreis. Beobachten Sie die Drehung des beweglichen Teils des Elektromotors. 5. Ziehen Sie eine Schlussfolgerung.
Literatur: 1. Physik. 8. Klasse: Studium. für die Allgemeinbildung Institutionen/A.V. Peryshkin. - 4. Auflage, abgeschlossen. - M.: Bustard, 2008. 2 . Physik. 8. Klasse: Studium. Für die Allgemeinbildung Institutionen / N.S. Purysheva, N.E. Vazheevskaya. - 2. Aufl., Stereotyp. - M.: Bustard, 2008. 3. Laborarbeit und Kontrollaufgaben in Physik: Notizbuch für Schüler der 8. Klasse. - Saratow: Lyzeum, 2009. 4. Notizbuch für Laborarbeiten. Sarahman I.D. Städtische Bildungseinrichtung Sekundarschule Nr. 8 in Mozdoka, Nordossetien-Alanien. 5. Laborarbeit in der Schule und zu Hause: Mechanik / V.F. Shilov.-M.: Bildung, 2007. 6. Sammlung von Problemen der Physik. Klassen 7-9: ein Handbuch für Schüler der Allgemeinbildung. Institutionen / V.I. Lukashik, E.V. Ivanova.-24. Aufl.-M.: Bildung, 2010.
Vorschau:
Laborarbeit Nr. 11
(am Modell)
Ziel der Arbeit
Geräte und Materialien
Fortschritt.
Laborarbeit Nr. 11
Studieren eines Gleichstrom-Elektromotors
(am Modell)
Ziel der Arbeit : Machen Sie sich mit einem Modell eines Gleichstrom-Elektromotors mit seinem Aufbau und seiner Funktionsweise vertraut.
Geräte und Materialien: Elektromotormodell, Labornetzteil, Schlüssel, Anschlussdrähte.
Sicherheitsbestimmungen.
Es sollten keine Fremdkörper auf dem Tisch liegen. Aufmerksamkeit! Elektrischer Strom! Die Isolierung der Leiter darf nicht beschädigt werden. Schalten Sie den Stromkreis nicht ohne die Erlaubnis des Lehrers ein. Berühren Sie die rotierenden Teile des Elektromotors nicht mit Ihren Händen.
Übungsaufgaben und Fragen
1. Auf welchem physikalischen Phänomen beruht die Wirkungsweise eines Elektromotors?
2.Was sind die Vorteile von Elektromotoren gegenüber thermischen?
3. Wo werden Gleichstrom-Elektromotoren eingesetzt?
Fortschritt.
1. Betrachten Sie das Modell des Elektromotors. Geben Sie die Hauptbestandteile in Abbildung 1 an.
2. Bauen Sie einen Stromkreis bestehend aus einer Stromquelle, einem Elektromotormodell und einem Schlüssel zusammen und schalten Sie alles in Reihe. Zeichnen Sie ein Diagramm der Schaltung.
Abb.1
Schlussfolgerungen ziehen.
3. Drehen Sie den Motor. Wenn der Motor nicht funktioniert, finden Sie die Gründe und beseitigen Sie sie.
4. Ändern Sie die Stromrichtung im Stromkreis. Beobachten Sie die Drehung des beweglichen Teils des Elektromotors.
Abb.1
1. Zweck der Arbeit: Studieren Sie die Startmerkmale, mechanischen Eigenschaften und Methoden zur Regelung der Drehzahl eines Gleichstrommotors mit gemischter Erregung.
Adaniye.
2.1. zum selbständigen Arbeiten:
Studieren Sie die Konstruktionsmerkmale und Schaltkreise von Gleichstrommotoren.
Studieren Sie die Methode zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften eines Gleichstrommotors;
Machen Sie sich mit den Funktionen zum Starten und Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors vertraut;
Ziehen Schaltpläne zum Messen des Widerstands des Ankerkreises und der Feldwicklungen (Abb. 6.4) und zum Testen des Motors (Abb. 6.2);
Mit Abb. 6.2 und 6.3 einen Installationsplan erstellen;
Zeichnen Sie die Formen der Tabellen 6.1...6.4;
Bereiten Sie mündliche Antworten auf Testfragen vor.
2.2. im Labor arbeiten:
Machen Sie sich mit dem Laboraufbau vertraut;
Eintrag in Tabelle 6.1. Motortypenschilddaten;
Messen Sie den Widerstand des Ankerkreises und der Feldwicklungen. Notieren Sie die Daten in Tabelle 6.1;
Bauen Sie die Schaltung zusammen und führen Sie eine Untersuchung des Motors durch. Notieren Sie die Daten in den Tabellen 6.2, 6.3, 6.4;
Konstruieren Sie eine natürliche mechanische Charakteristik n=f(M) und Geschwindigkeitscharakteristiken n=f(I B) und n=f(U);
Ziehen Sie Schlussfolgerungen aus den Forschungsergebnissen.
Allgemeine Informationen.
Gleichstrommotoren haben im Gegensatz zu Wechselstrommotoren (hauptsächlich Asynchronmotoren) ein höheres Anlaufdrehmomentverhältnis und eine höhere Überlastfähigkeit und ermöglichen eine reibungslose Steuerung der Drehzahl der Arbeitsmaschine. Daher werden sie zum Antrieb von Maschinen und Mechanismen mit schwierigen Startbedingungen (z. B. als Anlasser in Verbrennungsmotoren) sowie dann eingesetzt, wenn die Drehzahl innerhalb großer Grenzen geregelt werden muss (Vorschubmechanismen von Werkzeugmaschinen, Lauf-) Bremsständer, elektrifizierte Fahrzeuge).
Konstruktiv besteht der Motor aus einer stationären Einheit (Induktor) und einer rotierenden Einheit (Anker). Die Feldwicklungen befinden sich auf dem Magnetkern des Induktors. Bei einem Motor mit gemischter Erregung gibt es zwei davon: parallel zu den Klemmen Ø 1 und Ø2 und seriell zu den Klemmen C1 und C2 (Abb. 6.2). Der Widerstand der Parallelwicklung R ovsh beträgt je nach Motorleistung mehrere zehn bis hunderte Ohm. Es besteht aus Draht mit kleinem Querschnitt eine große Anzahl wendet sich. Die Reihenwicklung hat einen niedrigen Widerstand R obc (normalerweise von mehreren Ohm bis zu Bruchteilen eines Ohms), weil besteht aus wenigen Windungen eines Drahtes mit großem Querschnitt. Der Induktor dient zur Erzeugung eines magnetischen Erregerflusses, wenn seine Wicklungen mit Gleichstrom versorgt werden.
Die Ankerwicklung wird in die Nuten des Magnetkreises gelegt und zum Kollektor gebracht. Seine Anschlüsse I und I 2 werden über Bürsten mit einer Gleichstromquelle verbunden. Der Ankerwicklungswiderstand R I ist klein (Ohm oder Bruchteile eines Ohms).
Das Drehmoment M eines Gleichstrommotors entsteht durch die Wechselwirkung des Ankerstroms Iya mit dem magnetischen Erregerfluss F:
М=К × Iя × Ф, (6.1)
wobei K je nach Motorkonstruktion ein konstanter Koeffizient ist.
Wenn sich der Anker dreht, kreuzt seine Wicklung den magnetischen Erregerfluss und in ihm wird eine EMK E induziert, die proportional zur Rotationsfrequenz n ist:
E = C × n × Ф, (6.2)
wobei C je nach Motorkonstruktion ein konstanter Koeffizient ist.
Ankerstrom:
I I =(U–E)/(R I +R OBC)=(U–С×n ×Ф)/(R I +R OBC), (6.3)
Wenn wir die Ausdrücke 6.1 und 6.3 zusammen nach n lösen, finden wir einen analytischen Ausdruck für die mechanischen Eigenschaften des Motors n=F(M). Ihr grafisches Bild siehe Abbildung 6.1.
Reis. 6.1. Mechanische Eigenschaften eines Gleichstrommotors mit gemischter Erregung
Punkt A entspricht dem Leerlauf des Motors bei Drehzahl n o. Mit zunehmender mechanischer Belastung sinkt die Drehzahl und das Drehmoment steigt und erreicht am Punkt B den Nennwert M H. Im Flugzeugbereich ist der Motor überlastet. Der Strom Iya überschreitet den Nennwert, was zu einer schnellen Erwärmung der Anker- und OVS-Wicklungen führt und die Funkenbildung am Kollektor zunimmt. Das maximale Drehmoment Mmax (Punkt C) wird durch die Betriebsbedingungen des Kollektors und die mechanische Festigkeit des Motors begrenzt.
Wenn wir die mechanische Kennlinie fortsetzen, bis sie die Drehmomentachse am Punkt D schneidet, erhalten wir den Wert des Anlaufdrehmoments, wenn der Motor direkt an das Netzwerk angeschlossen ist. Die EMK E ist Null und der Strom im Ankerkreis gemäß der Formel 6,3, steigt stark an.
Um den Anlaufstrom zu reduzieren, wird ein Anlaufrheostat Rx (Abb. 6.2) mit Widerstand in Reihe zum Ankerkreis geschaltet:
Rx = U H / (1,3...2,5) ×I Ya.N. - (R I - R obc), (6.4)
wobei U h die Nennnetzspannung ist;
Ich Y.N. - Bemessungsankerstrom.
Reduzierung des Ankerstroms auf (1,3...2,5)×I Ya.N. sorgt für ein ausreichendes anfängliches Anlaufdrehmoment MP (Punkt D). Wenn der Motor beschleunigt, wird der Widerstand Rx auf Null reduziert, wodurch ein annähernd konstanter Wert von MP aufrechterhalten wird (Abschnitt SD).
Mit dem Rheostat R B im Stromkreis der parallelen Erregerwicklung (Abb. 6.2) können Sie die Größe des magnetischen Flusses Ф (Formel 6.1) regulieren. Vor dem Starten des Motors wird dieser vollständig zurückgenommen, um bei minimalem Ankerstrom das erforderliche Startmoment zu erhalten.
Mit Formel 6.3 ermitteln wir die Motordrehzahl
n = (U - I I (R I + R obc + Rx)) / (С Ф), (6.5)
wobei R I, R obc und C konstante Größen sind und U, I I und Ф verändert werden können. Dies impliziert drei mögliche Wege Motordrehzahlregelung:
Ändern des Wertes der zugeführten Spannung;
Durch Ändern des Wertes des Ankerstroms mit dem Einstellrheostat Rx, der im Gegensatz zum Anlaufrheostat für den Dauerbetrieb ausgelegt ist;
Durch Ändern der Größe des Erregermagnetflusses F, der proportional zum Strom in den Wicklungen OVSh und OVS ist. Bei einer Parallelwicklung kann es mit einem Rheostat R b eingestellt werden. Der Widerstand R b wird in Abhängigkeit von den erforderlichen Geschwindigkeitsregelgrenzen genommen R B = (2...5) R obsh.
Auf dem Typenschild des Motors ist die Nenndrehzahl angegeben, die der Nennleistung an der Motorwelle bei Nennnetzspannung und den Ausgangswiderständen der Rheostate R X und R B entspricht.
Studieren Sie das Gerät, das Funktionsprinzip und die Eigenschaften eines Gleichstrom-Elektromotors.
praktische Fertigkeiten zum Starten, Betreiben und Stoppen eines Gleichstrom-Elektromotors erwerben;
experimentell untersuchen theoretische Informationenüber die Eigenschaften eines Gleichstrommotors.
Grundlegende theoretische Prinzipien
Ein Gleichstrom-Elektromotor ist eine elektrische Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt.
Der Aufbau eines Gleichstrom-Elektromotors unterscheidet sich nicht von dem eines Gleichstromgenerators. Dieser Umstand macht elektrische Gleichstrommaschinen reversibel, d. h. sie können sowohl im Generator- als auch im Motormodus eingesetzt werden. Strukturell besteht ein Gleichstrom-Elektromotor aus festen und beweglichen Elementen, die in Abb. dargestellt sind. 1.
Der feste Teil - Stator 1 (Rahmen) besteht aus Stahlguss, besteht aus 2 Haupt- und 3 Zusatzpolen mit 4 Feldwicklungen und 5 und eine Bürstentraverse mit Bürsten. Der Stator übernimmt die Funktion eines Magnetkreises. Mit Hilfe der Hauptpole wird ein zeitlich konstantes und im Raum bewegungsloses Magnetfeld erzeugt. Zusätzliche Pole werden zwischen den Hauptpolen platziert und verbessern die Schaltbedingungen.
Der bewegliche Teil des Gleichstrom-Elektromotors ist der Rotor 6 (Anker), der auf einer rotierenden Welle sitzt. Der Anker übernimmt auch die Rolle eines Magnetkreises. Es besteht aus dünnen, elektrisch voneinander isolierten, dünnen Elektroblechen mit hohem Siliziumanteil, was Leistungsverluste reduziert. In die Nuten des Ankers werden Wicklungen 7 eingepresst, deren Anschlüsse mit den Kollektorplatten 8 verbunden sind, die sich auf derselben Elektromotorwelle befinden (siehe Abb. 1).
Betrachten wir das Funktionsprinzip eines Gleichstrom-Elektromotors. Das Anschließen einer Gleichspannung an die Klemmen einer elektrischen Maschine führt zum gleichzeitigen Auftreten von Strom in den Feldwicklungen (Statorwicklungen) und in den Ankerwicklungen (Abb. 2). Durch die Wechselwirkung des Ankerstroms mit dem von der Feldwicklung erzeugten Magnetfluss entsteht im Stator eine Kraft F, bestimmt durch das Amperesche Gesetz . Die Richtung dieser Kraft wird durch die Linke-Hand-Regel (Abb. 2) bestimmt, nach der sie senkrecht zur Strömung ausgerichtet ist ich(in der Ankerwicklung) und zum magnetischen Induktionsvektor IN(erzeugt durch die Erregerwicklung). Dadurch wirkt ein Kräftepaar auf den Rotor (Abb. 2). Die Kraft wirkt auf den oberen Teil des Rotors nach rechts, auf den unteren Teil - nach links. Dieses Kräftepaar erzeugt ein Drehmoment, unter dessen Einfluss der Anker gedreht wird. Die Größe des resultierenden elektromagnetischen Moments ist gleich
M = C M ICH ICH F,
Wo Mit m - Koeffizient abhängig von der Ausführung der Ankerwicklung und der Polzahl des Elektromotors; F- magnetischer Fluss eines Hauptpolpaares des Elektromotors; ICH ICH - Motorankerstrom. Wie aus Abb. 2 geht mit der Drehung der Ankerwicklungen ein gleichzeitiger Polaritätswechsel an den Kollektorplatten einher. Die Richtung des Stroms in den Windungen der Ankerwicklung ändert sich in die entgegengesetzte Richtung, der magnetische Fluss der Feldwicklungen behält jedoch die gleiche Richtung, was die konstante Richtung der Kräfte bestimmt F und damit das Drehmoment.
Die Drehung des Ankers in einem Magnetfeld führt zum Auftreten einer EMK in seiner Wicklung, deren Richtung durch die Rechte-Hand-Regel bestimmt wird. Als Ergebnis gilt für die in Abb. 2 Konfigurationen von Feldern und Kräften in der Ankerwicklung entsteht ein induzierter Strom, der dem Hauptstrom entgegengesetzt gerichtet ist. Daher wird die resultierende EMF als Gegen-EMF bezeichnet. Sein Wert ist gleich
E = Mit e nФ,
Wo N- Drehzahl des Ankers des Elektromotors; Mit e ist ein Koeffizient, der von den Strukturelementen der Maschine abhängt. Diese EMF verschlechtert die Leistung des Elektromotors.
Der Strom im Anker erzeugt ein Magnetfeld, das das Magnetfeld der Hauptpole (Stator) beeinflusst, was als Ankerreaktion bezeichnet wird. Im Leerlauf der Maschine wird das Magnetfeld nur durch die Hauptpole erzeugt. Dieses Feld ist symmetrisch zu den Achsen dieser Pole und koaxial zu ihnen. Wenn eine Last an den Motor angeschlossen wird, entsteht in der Ankerwicklung aufgrund des Stroms ein Magnetfeld – das Ankerfeld. Die Achse dieses Feldes verläuft senkrecht zur Achse der Hauptpole. Da bei der Drehung des Ankers die Stromverteilung in den Ankerleitern unverändert bleibt, bleibt das Ankerfeld im Raum bewegungslos. Die Addition dieses Feldes mit dem Feld der Hauptpole ergibt das resultierende Feld, das sich um den Winkel dreht entgegen der Drehrichtung des Ankers. Dadurch nimmt das Drehmoment ab, da einige Leiter in die Zone des Pols entgegengesetzter Polarität gelangen und ein Bremsmoment erzeugen. In diesem Fall zünden die Bürsten und der Kommutator brennt, und es entsteht ein longitudinales Entmagnetisierungsfeld.
Um den Einfluss der Ankerreaktion auf den Betrieb der Maschine zu verringern, sind in diese zusätzliche Pole eingebaut. Die Wicklungen solcher Pole sind in Reihe mit der Hauptwicklung des Ankers geschaltet, aber eine Änderung der Wicklungsrichtung in ihnen führt zum Auftreten eines Magnetfelds, das gegen das Magnetfeld des Ankers gerichtet ist.
Um die Drehrichtung eines Gleichstrommotors zu ändern, muss die Polarität der an den Anker oder die Feldwicklung angelegten Spannung geändert werden.
Je nach Einschaltart der Erregerwicklung werden Gleichstrom-Elektromotoren mit Parallel-, Reihen- und Mischerregung unterschieden.
Bei Motoren mit Parallelerregung ist die Wicklung für die volle Spannung des Versorgungsnetzes ausgelegt und parallel zum Ankerkreis geschaltet (Abb. 3).
Ein Reihenschlussmotor verfügt über eine Feldwicklung, die in Reihe mit dem Anker geschaltet ist, sodass diese Wicklung für die Übertragung des vollen Ankerstroms ausgelegt ist (Abb. 4).
Motoren mit gemischter Erregung haben zwei Wicklungen, eine ist parallel geschaltet, die andere in Reihe mit dem Anker (Abb. 5).
Reis. 3 Abb. 4
Beim Starten von Gleichstrom-Elektromotoren (unabhängig von der Art der Erregung) durch direkten Anschluss an das Versorgungsnetz entstehen erhebliche Anlaufströme, die zu deren Ausfall führen können. Dies geschieht durch die Freisetzung einer erheblichen Wärmemenge in der Ankerwicklung und den anschließenden Ausfall ihrer Isolierung. Daher werden Gleichstrommotoren mit speziellen Startvorrichtungen gestartet. In den meisten Fällen wird für diese Zwecke das einfachste Startgerät verwendet – ein Startrheostat. Am Beispiel eines Gleichstrommotors mit Parallelerregung wird der Vorgang des Startens eines Gleichstrommotors mit einem Anlaufwiderstand gezeigt.
Basierend auf der Gleichung, die gemäß dem zweiten Kirchhoffschen Gesetz für die linke Seite erstellt wurde Stromkreis(siehe Abb. 3), der Startwiderstand wird vollständig entfernt ( R Start = 0), Ankerstrom
,
Wo U- dem Elektromotor zugeführte Spannung; R i ist der Widerstand der Ankerwicklung.
Im ersten Moment des Startens des Elektromotors beträgt die Ankerdrehzahl N= 0, daher ist die in der Ankerwicklung induzierte gegenelektromotorische Kraft gemäß dem zuvor erhaltenen Ausdruck ebenfalls gleich Null ( E= 0).
Widerstand der Ankerwicklung R Ich bin eine eher kleine Menge. Um den möglicherweise unzulässig hohen Strom im Ankerkreis beim Anlassen zu begrenzen, wird unabhängig von der Art der Erregung des Motors ein Anlaufrheostat (Anlaufwiderstand) in Reihe zum Anker geschaltet R Start). In diesem Fall der Anlaufankerstrom
.
Anlaufwiderstand des Rheostats R Der Start ist so berechnet, dass er nur für die Startzeit funktioniert, und wird so gewählt, dass der Anlaufstrom des Ankers des Elektromotors den zulässigen Wert nicht überschreitet ( ICH i,start 2 ICH Ich, nom). Wenn der Elektromotor beschleunigt, wird in der Ankerwicklung aufgrund einer Erhöhung seiner Rotationsfrequenz n eine EMK induziert erhöht sich ( E=Mit e nФ). Dadurch sinkt der Ankerstrom unter sonst gleichen Bedingungen. In diesem Fall der Widerstand des Anlaufwiderstands R Start Wenn der Motoranker beschleunigt, muss er schrittweise reduziert werden. Nachdem der Motor auf die Nenndrehzahl des Ankers beschleunigt hat, steigt die EMK so stark an, dass der Anlaufwiderstand auf Null reduziert werden kann, ohne dass die Gefahr eines nennenswerten Anstiegs des Ankerstroms besteht.
Somit der Startwiderstand R Ein Anlassen im Ankerkreis ist nur beim Anlauf erforderlich. Im Normalbetrieb des Elektromotors muss dieser abgeschaltet werden, erstens, weil er für den Kurzzeitbetrieb beim Anlaufen ausgelegt ist, und zweitens, wenn ein Anlaufwiderstand vorhanden ist, entstehen in ihm thermische Leistungsverluste in Höhe von R Start ICH Zweitens wird der Wirkungsgrad des Elektromotors erheblich verringert.
.
Unter Berücksichtigung des Ausdrucks für EMF ( E=Mit e nФ), indem wir die resultierende Formel relativ zur Drehzahl schreiben, erhalten wir die Gleichung für die Frequenz-(Geschwindigkeits-)Eigenschaften des Elektromotors N(ICH ICH):
.
Daraus folgt, dass bei fehlender Belastung der Welle und des Ankerstroms ICH ICH = 0 Motordrehzahl bei einem bestimmten Versorgungsspannungswert
.
Motor Geschwindigkeit N 0 ist die ideale Leerlaufdrehzahl. Neben den Parametern des Elektromotors kommt es auch auf den Wert der Eingangsspannung und des magnetischen Flusses an. Mit abnehmendem Magnetfluss erhöht sich unter sonst gleichen Bedingungen die ideale Leerlaufdrehzahl. Daher wird im Falle einer Unterbrechung im Erregerwicklungskreis der Erregerstrom Null ( ICHв = 0) wird der magnetische Fluss des Motors auf einen Wert reduziert, der dem Wert des magnetischen Restflusses entspricht F Ost. In diesem Fall geht der Motor „auf Hochtouren“ und entwickelt eine Drehzahl, die deutlich über der Nenndrehzahl liegt, was eine gewisse Gefahr sowohl für den Motor als auch für das Bedienpersonal darstellt.
Frequenz-(Drehzahl-)Kennlinie eines Gleichstrom-Elektromotors mit Parallelerregung N(ICH i) bei einem konstanten magnetischen Flusswert F=const und konstanter Wert der zugeführten Spannung U = konst sieht aus wie eine gerade Linie (Abb. 6).
Ausdrücken des Ankerstroms in den Gleichungen der Frequenzeigenschaften durch das elektromagnetische Drehmoment des Motors M =Mit M ICH ICH F, erhalten wir die Gleichung der mechanischen Kennlinie, also die Abhängigkeit N(M) bei U = konst für Motoren mit Parallelerregung:
.
Unter Vernachlässigung des Einflusses der Ankerreaktion beim Lastwechsel kann man davon ausgehen, dass das elektromagnetische Drehmoment des Motors proportional zum Ankerstrom ist. Daher haben die mechanischen Eigenschaften von Gleichstrommotoren die gleiche Form wie die entsprechenden Frequenzeigenschaften. Ein Elektromotor mit Parallelerregung hat eine starre mechanische Charakteristik (Abb. 7). Aus dieser Kennlinie ist ersichtlich, dass seine Rotationsfrequenz mit zunehmendem Lastdrehmoment leicht abnimmt, da der Erregerstrom bei Parallelschaltung der Feldwicklung und dementsprechend der magnetische Fluss des Motors praktisch unverändert bleibt und der Widerstand des Ankerkreises praktisch unverändert bleibt ist relativ klein.
Die Leistungsmerkmale eines parallelerregten Gleichstrommotors sind in Abb. dargestellt. 8. Aus diesen Eigenschaften geht hervor, dass die Rotationsgeschwindigkeit N von Elektromotoren mit Parallelerregung nimmt mit zunehmender Belastung leicht ab. Abhängigkeit des Nutzdrehmoments an der Motorwelle von der Leistung R 2 ist eine nahezu gerade Linie, da das Drehmoment dieses Motors proportional zur Belastung der Welle ist: M=kР 2 / N. Die Krümmung dieser Abhängigkeit erklärt sich durch eine leichte Abnahme der Drehzahl mit zunehmender Belastung.
Bei R 2 = 0 ist der vom Elektromotor aufgenommene Strom gleich dem Leerlaufstrom. Mit zunehmender Leistung steigt der Ankerstrom etwa in der gleichen Abhängigkeit wie das Lastmoment an der Welle, da unter der Bedingung F=const Der Ankerstrom ist proportional zum Lastdrehmoment. Der Wirkungsgrad eines Elektromotors ist definiert als das Verhältnis der Nutzleistung an der Welle zur aufgenommenen Leistung aus dem Netz:
,
Wo R 2 - nutzbare Wellenleistung; R 1 =Benutzeroberfläche- vom Elektromotor aus dem Versorgungsnetz aufgenommene Leistung; R eya = ICH 2 ich R i - elektrische Leistungsverluste im Ankerkreis, R ev = Benutzeroberfläche in, = ICH 2 Zoll R V - elektrische Leistungsverluste im Erregerkreis; R Fell - mechanische Leistungsverluste; R m - Leistungsverluste aufgrund von Hysterese und Wirbelströmen.
Bei konstanter Versorgungsspannung und konstantem Magnetfluss kann bei der Änderung des Widerstandswertes des Ankerkreises ein mechanisches Kennlinienfeld beispielsweise für einen Elektromotor mit Parallelerregung ermittelt werden (Abb. 9).
Der Vorteil der betrachteten Steuermethode liegt in ihrer relativen Einfachheit und der Fähigkeit, eine sanfte Änderung der Drehzahl über einen weiten Bereich (von Null bis zum Nennfrequenzwert) zu erreichen N nom). Zu den Nachteilen dieser Methode zählen die erheblichen Leistungsverluste im Zusatzwiderstand, die mit abnehmender Drehzahl zunehmen, sowie die Notwendigkeit des Einsatzes zusätzlicher Steuergeräte. Darüber hinaus ist es mit dieser Methode nicht möglich, die Drehzahl des Elektromotors über den Nennwert hinaus anzupassen.
Eine Änderung der Drehzahl eines Gleichstrom-Elektromotors kann auch durch eine Änderung des Wertes des Erregermagnetflusses erreicht werden. Wenn sich der magnetische Fluss gemäß der Frequenzganggleichung für Gleichstrommotoren mit paralleler Erregung bei einem konstanten Wert der Versorgungsspannung und einem konstanten Wert des Ankerkreiswiderstands ändert, kann man eine Familie mechanischer Eigenschaften erhalten, die in Abb. dargestellt ist. 10.
Zu den Nachteilen dieser Methode gehört auch der relativ kleine Regelbereich aufgrund der Einschränkungen der mechanischen Festigkeit und des Schaltens des Elektromotors. Der Vorteil dieser Steuerungsmethode ist ihre Einfachheit. Bei Motoren mit Parallelerregung wird dies durch eine Änderung des Widerstands des Stellwiderstands erreicht R R im Erregerkreis.
Bei Gleichstrommotoren mit Reihenerregung wird eine Änderung des magnetischen Flusses dadurch erreicht, dass die Feldwicklung mit einem Widerstand mit dem entsprechenden Wert überbrückt wird oder indem eine bestimmte Anzahl von Windungen der Feldwicklung kurzgeschlossen wird.
Die Methode der Drehzahlregelung durch Änderung der Spannung an den Ankerklemmen des Motors hat sich vor allem bei Elektroantrieben, die auf dem Generator-Motor-System basieren, weit verbreitet. Bei konstantem Magnetfluss und Ankerkreiswiderstand kann infolge der Änderung der Ankerspannung eine Familie von Frequenzcharakteristiken erhalten werden.
Bei einer Änderung der Eingangsspannung ergibt sich die ideale Leerlaufdrehzahl n 0 Gemäß dem zuvor angegebenen Ausdruck ändert sie sich proportional zur Spannung. Da der Widerstand des Ankerkreises unverändert bleibt, unterscheidet sich die Steifigkeit des mechanischen Kennlinienfeldes nicht von der Steifigkeit der natürlichen mechanischen Kennlinie bei U=U nom.
Der Vorteil der betrachteten Regelungsmethode liegt in einem breiten Spektrum an Drehzahlvariationen ohne steigende Leistungsverluste. Zu den Nachteilen dieser Methode gehört die Tatsache, dass eine geregelte Versorgungsspannungsquelle erforderlich ist, was dazu führt Erhöhung des Gewichts, der Abmessungen und der Installationskosten.
Laborarbeiten→ Nummer 10
Untersuchung eines Gleichstrom-Elektromotors (am Modell).
Ziel der Arbeit: Machen Sie sich anhand eines Modells dieses Motors mit den Grundbestandteilen eines Gleichstrom-Elektromotors vertraut.
Dies ist vielleicht die einfachste Arbeit für den Kurs der 8. Klasse. Sie müssen lediglich das Motormodell an eine Stromquelle anschließen, sehen, wie es funktioniert, und sich die Namen der Hauptteile des Elektromotors merken (Anker, Induktor, Bürsten, Halbringe, Wicklung, Welle).
Der Ihnen von Ihrem Lehrer angebotene Elektromotor ähnelt möglicherweise dem in der Abbildung gezeigten oder sieht anders aus, da es für Schulelektromotoren viele Möglichkeiten gibt. Dies ist nicht von grundsätzlicher Bedeutung, da der Lehrer Ihnen wahrscheinlich ausführlich erklären und zeigen wird, wie Sie mit dem Modell umgehen.
Lassen Sie uns die Hauptgründe auflisten, warum ein richtig angeschlossener Elektromotor nicht funktioniert. Offener Stromkreis, fehlender Kontakt der Bürsten mit Halbringen, Beschädigung der Ankerwicklung. Wenn Sie in den ersten beiden Fällen durchaus in der Lage sind, alleine damit klarzukommen, müssen Sie sich bei einem Wicklungsbruch an einen Lehrer wenden. Bevor Sie den Motor einschalten, sollten Sie sicherstellen, dass sich sein Anker frei drehen kann und nichts ihn behindert, da der Elektromotor sonst beim Einschalten ein charakteristisches Brummen von sich gibt, sich aber nicht dreht.
