Prawdopodobnie masz ich teraz w domu około dziesięciu. Wentylator sufitowy. Sprężarka do lodówki. Dysk twardy kręci się w Twoim laptopie. Zasłony elektryczne. Prawie każdy ruch mechaniczny, który widzisz, jest napędzany silnikiem elektrycznym. Mówimy o dwóch głównych typach: silnikach prądu przemiennego (AC) i silnikach prądu stałego (DC).
Zrozumienie mechaniki tych urządzeń zapewnia skondensowany kurs elektromagnetyzmu. W swej istocie silnik elektryczny jest maszyną, która wykorzystuje magnesy do wywoływania ruchu fizycznego. Jeśli kiedykolwiek bawiłeś się magnesami na lodówkę, znasz podstawową zasadę: przeciwieństwa się przyciągają, a lubią odpychać.
Weź dwa magnesy sztabkowe. Oznacz jeden koniec jako „północ”, a drugi jako „południe”. Północny koniec magnesu A zostanie przyciągnięty do południowego końca magnesu B. Ale jeśli spróbujesz popchnąć północny koniec magnesu A do północnego końca magnesu B? Odepchną. To właśnie to odpychanie odgrywa kluczową rolę. Wewnątrz silnika te ciągłe cykle przyciągania i odpychania generują ruch obrotowy.
Wewnątrz silnika
Rdzeń magnetyczny ruchu silnika
Nie możesz naprawdę zrozumieć, jak działa silnik elektryczny, jeśli najpierw nie zrozumiesz zasad działania elektromagnesu. Jeśli chcesz uzyskać szczegółowe informacje na temat tych urządzeń, dostępne są bardziej szczegółowe materiały. Ale oto podstawowa kwestia: elektromagnes jest bijącym sercem silnika.
Wyobraź sobie prostą instalację. Weź gwóźdź. Owiń go setką zwojów drutu. Podłącz ten przewód do akumulatora. W mgnieniu oka paznokieć ulega przemianie. Nabiera polaryzacji – bieguna północnego i południowego. To już nie tylko metal; staje się magnesem. Ale stan ten utrzymuje się tylko tak długo, jak płynie prąd.
Teraz weź ten namagnesowany gwóźdź. Przełóż oś przez jej środek. Zawieś go dokładnie pośrodku pomiędzy biegunami stacjonarnego magnesu w kształcie podkowy. Tutaj zaczyna się zabawa z fizycznego punktu widzenia. Podłącz baterię do magnesu na gwoździe. Wyrównaj go tak, aby północny koniec gwoździa był skierowany w stronę północnego końca magnesu w kształcie podkowy.
W grę wchodzą podstawy fizyki magnetycznej. Podobnie jak bieguny odpychają się. Północny koniec paznokcia jest odpychany przez północny biegun magnesu w kształcie podkowy. Jednocześnie przyciąga go południowy biegun magnesu w kształcie podkowy. Południowy koniec paznokcia doświadcza tej samej dynamiki przyciągania i odpychania, ale w odwrotnej kolejności.
Jaki jest wynik? Gwóźdź się obraca. Robi pół obrotu. Potem nagle się zatrzymuje.
Zastyga w miejscu. Odnalezienie siebie w stanie równowagi. Siły magnetyczne równoważą się. Jeśli pozostawisz go w tej pozycji, nic więcej się nie stanie. Nie ma ciągłego ruchu. Po prostu drga i przestaje. Dlatego prosta pętla z drutu w statycznym polu magnetycznym nie jest silnikiem. To jest zamek. Aby się obracał, należy zmienić polaryzację. Trzeba oszukać magnes.
Sekretem wirowania silnika elektrycznego jest nie tylko magnetyzm, ale także wyczucie czasu. W szczególności należy odwrócić pole magnetyczne elektromagnesu dokładnie w momencie, gdy wirnik wykonuje pół obrotu. Bez tego przełącznika silnik zgaśnie. To prosta koncepcja, ale jej realizacja wymaga precyzji.
Mechanika zmiany biegów
Aby odwrócić pole magnetyczne, należy zmienić kierunek przepływu elektronów przez drut. W konfiguracji teoretycznej jest to tak proste, jak odwrócenie baterii. Kiedy to zrobisz, zmieni się polaryzacja elektromagnesu. Biegun północny staje się biegunem południowym, a biegun południowy staje się biegunem północnym.
Ta zmiana polaryzacji ponownie popycha i ciągnie magnesy trwałe wirnika. Zamiast stawiać opór ruchowi, elektromagnes mu teraz pomaga. Wirnik wykonuje następną połowę obrotu.
Dlaczego wyczucie czasu ma znaczenie
Wyobraź sobie, że pole nigdy się nie przewraca. Wirnik obróciłby się w stronę elektromagnesu, utknął i zatrzymał się. Miałbyś ciężarek do papieru, a nie silnik. Jeśli jednak odwrócimy pole dokładnie w momencie, gdy wirnik osiąga koniec obrotu, przyciąganie zamienia się w odpychanie (lub odwrotnie, w zależności od konstrukcji), popychając wirnik do przodu o następne pół obrotu.
Wykonuj tę czynność w sposób ciągły, a silnik elektryczny będzie się swobodnie obracał. Nie potrzebuje siły zewnętrznej. Utrzymuje swój własny ruch poprzez przełączanie magnetyczne.
Prawdziwe rozwiązanie: przełącznik
Ręczne odwrócenie akumulatora w przypadku wirującego silnika nie działa. To dlatego w prawdziwych silnikach prądu stałego zastosowano komutator – pierścień dzielony przymocowany do wirnika – i szczotki, które utrzymują kontakt z obracającym się komutatorem.
Gdy wirnik się obraca, szczotki przesuwają się wzdłuż segmentów komutatora. W momencie, gdy wirnik zrówna się z magnesami stojana, szczotki przełączają się z jednego segmentu na drugi. Powoduje to fizyczną zmianę kierunku prądu w cewce bez interwencji człowieka. Pole magnetyczne odwraca się automatycznie. Cykl się powtarza. Tysiące razy na sekundę.
Komutator działa jak przełącznik mechaniczny, zmieniając kierunek prądu, aby moment obrotowy był jednokierunkowy.
Dlaczego silniki prądu stałego są nadal ważne
Można by pomyśleć, że tego rodzaju mechaniczna zmiana biegów jest przestarzała. W końcu nowoczesne pojazdy i urządzenia elektryczne często wykorzystują silniki prądu przemiennego lub bezszczotkowe silniki prądu stałego. Ale proste silniki prądu stałego z komutatorami są wszędzie. Zabawki. Elektronarzędzia. Sprzęt AGD. Są tanie w produkcji, łatwe w obsłudze i niezawodne.
Kompromis? Nosić. Szczotki i komutator wytwarzają tarcie. Błyszczą. Z biegiem czasu zużywają się. Właśnie dlatego silniki bezszczotkowe dominują w zastosowaniach, w których trwałość i wydajność mają kluczowe znaczenie. Jednak w przypadku tanich zastosowań, które wymagają wysokiego momentu rozruchowego, szczotkowany silnik prądu stałego pozostaje nie do pokonania.
Wydajność i zarządzanie
Sterowanie prędkością w silniku prądu stałego jest liniowe. Zwiększ napięcie, a silnik będzie się obracał szybciej. Odwróć polaryzację napięcia, a będzie ono obracać się w przeciwnym kierunku. Ta prostota czyni je idealnymi do zastosowań w robotyce i automatyce, które wymagają precyzyjnego sterowania dwukierunkowego bez skomplikowanej elektroniki.
Ale jest niuans. Strata energii. Opór elektryczny w drutach, tarcie w szczotkach i histereza magnetyczna w rdzeniu przekształcają energię użyteczną w ciepło. W małych silnikach sprawność rzadko przekracza 70–80%. Duże przemysłowe silniki prądu stałego mogą działać lepiej, ale są masywne i drogie.
Anatomia silnika prądu stałego
Najpierw zapoznajmy się z terminologią. W tekście silnik prądu stałego (DC) jest nazywany „ostatnim”, mimo że jest on wymieniony przed silnikiem prądu przemiennego (AC). Jest to literówka w tekście oryginalnym. Silniki prądu stałego (DC) pojawiły się w połowie XIX wieku. Są one nadal powszechnie stosowane. Istnieją również silniki prądu przemiennego (AC), ale tutaj mówimy o silnikach prądu stałego.
Podstawowy silnik prądu stałego składa się z sześciu głównych elementów. Aby zrozumieć, dlaczego porusza się Twój samochodzik-zabawka lub dlaczego kręci się wentylator laptopa, musisz je poznać.
- Stojan
- Wirnik
- Kolekcjoner
- Pędzle
- Wał
- Zasilanie prądem stałym
Stojan jest powłoką zewnętrzną. Jest nieruchomy. Zawiera magnes trwały. Wyobraź sobie magnes w kształcie podkowy ze szkolnego eksperymentu fizycznego. Wirnik jest w środku. Obraca się. Działa jak gwóźdź w tym samym eksperymencie.
Kiedy do wirnika zostanie przyłożony prąd stały, dzieje się co następuje. Energia elektryczna zamienia wirnik w elektromagnes. To tymczasowe pole magnetyczne oddziałuje z polem magnesu trwałego stojana. Różne bieguny przyciągają, te same bieguny odpychają. Wirnik ma tendencję do ustawiania się w jednej linii ze stojanem. Ale to nie koniec.
Kolekcjoner wchodzi na scenę. Jego zadaniem jest zmiana polaryzacji pola magnetycznego wirnika. Zmienia kierunek prądu w odpowiednim momencie. Dzięki temu pola magnetyczne stale się odpychają, zamiast je blokować. Wynik? Ciągła rotacja. Moment obrotowy. Moc mechaniczna.
Silnik zabawkowy
Zasada ta leży u podstaw działania niemal wszystkich tanich zabawek elektrycznych. Najbardziej ucierpiały tu komutator i szczotki. Zużywają się. Błyszczą. Oni są słabym ogniwem w tym łańcuchu. Ale w przypadku prostego silnika zabawkowego są całkiem odpowiednie. Włączasz przełącznik. Prąd zaczyna płynąć. Wirnik się kręci. Samochód się porusza. Projekt jest prymitywny. Ale jest całkiem skuteczny. I tak pozostało przez ponad wiek.
Wewnątrz małego silnika prądu stałego
Spójrz na silnik na zdjęciu. Jest mały, mniej więcej wielkości monety. Posiada tylko dwa zaciski do podłączenia akumulatora. Połącz je – wał zaczyna się obracać. Zamień sworznie – wał obraca się w przeciwnym kierunku. Tylko. Ale wewnątrz tej plastikowej obudowy zachodzi wiele procesów.
Nylonowa zaślepka jest utrzymywana na miejscu za pomocą dwóch zakładek. Wszystko w środku jest mechaniczne. Szczotki silnika dotykają komutatora. Przenoszą moc z akumulatora w miarę obracania się silnika. To tu następuje zużycie. Szczotki zużywają się i wymagają wymiany. Dlatego często rezygnuje się z nowoczesnych silników prądu stałego. Konstrukcje bezszczotkowe są trwalsze.
Wał podtrzymuje wirnik. Do niego przymocowany jest także kolektor. Wirnik to zespół elektromagnesów. W tym konkretnym silniku są ich trzy. Kotwa składa się z cienkich metalowych płytek ułożonych razem. Miedziana cewka z drutu jest owinięta wokół każdego z trzech biegunów. Każdy przewód ma dwa końce – po jednym na każdy biegun. Są podłączone do terminala. Każdy z trzech przewodów zaciskowych jest następnie podłączony do jednej płytki komutatora.
Następny jest stojan. Można go znaleźć w każdym silniku prądu stałego. Tutaj stojan jest samą obudową. A także dwa zakrzywione magnesy trwałe. W terminologii silników prądu stałego twornik to wirnik, a pole to stojan. To rodzaj magicznego tańca.
Wirnik, komutator i szczotki
Wirnik pełni rolę obracającego się „serca” układu. Kolektor mocowany jest bezpośrednio do jego wału. Pomyśl o tym nie jak o skomplikowanym mechanizmie, ale o prostej parze płytek. Płytki te pełnią jedną kluczową funkcję: zapewniają dwa niezbędne punkty połączenia dla cewki elektromagnesu znajdującej się wewnątrz wirnika.
Ale w jaki sposób prąd nadal popycha wirnik do przodu, nie pozwalając mu się zatrzymać? Tutaj właśnie wchodzi w grę magia przełączania pola elektrycznego. Proces ten opiera się na współdziałaniu dwóch elementów: komutatora i szczotek.
Na schematach komutator jest często pokazany na zielono, a szczotki na czerwono. Pracują wspólnie, kierując prąd do elektromagnesu. Co ważniejsze, zmieniają kierunek przepływu elektronów dokładnie w odpowiednim momencie, aby utrzymać pęd. Styki komutatora są przykręcone do wału, co oznacza, że obracają się wraz z magnesem. Pędzle pozostają nieruchome. Zwykle wykonane ze sprężystego metalu lub grafitu, dociskają obracające się styki komutatora, zapewniając ciągłość elektryczną bez chaosu spowodowanego tarciem.
Składanie wszystkiego w całość
Jeśli dodasz te komponenty, otrzymasz pełnoprawny silnik elektryczny. Logika stojąca za jego działaniem jest zwodniczo prosta. Kiedy wirnik przechodzi przez poziomy środek, bieguny jego elektromagnesu przełączają się. Dzięki temu przełączaniu biegun północny wirnika znajduje się zawsze nad wałem. Po co? Aby można go było odepchnąć od północnego bieguna stojana i przyciągnąć do południowego bieguna stojana. Ciągłe odpychanie i przyciąganie zapewnia ciągły obrót.
Możesz zauważyć, że większość silników ma trzy bieguny zamiast dwóch. To nie jest wypadek. Przejście na konstrukcję trójbiegunową ma dwa praktyczne powody:
- Problemy z rozruchem. W silniku dwubiegunowym, jeśli elektromagnes zacznie poruszać się idealnie poziomo – precyzyjnie wyważony pomiędzy biegunami stojana – nie będzie miał momentu obrotowego, aby się uruchomić. Po prostu zamarza. Silnik trójbiegunowy eliminuje ten problem martwego punktu.
- Strata energii. Za każdym razem, gdy komutator dwubiegunowy osiąga punkt przełączenia, na krótko zamyka obwód akumulatora. Jest to utrata energii. Trójbiegunowa konstrukcja wygładza ten proces, zapobiegając niepotrzebnemu zużywaniu baterii.
Chociaż w przypadku silników małej mocy standardem są trzy bieguny, ich liczba nie jest stała. Można zastosować dowolną liczbę biegunów w zależności od wielkości silnika i jego przeznaczenia.
Jak działa silnik prądu przemiennego
Przełącz na AC, a zasady nieco się zmienią. Silniki prądu przemiennego nie wykorzystują prądu stałego (DC). Mają wspólną podstawową anatomię stojanów, wirników i wałów, ale wewnętrzna choreografia jest inna.
Lista części wygląda znajomo:
- Stator
- Rotor
- Solidny wał
- Cewki
- “Squirrel Cage”
Tutaj uzwojenie stojana przejmuje rolę, jaką pełnił wirnik w wersji DC. Zamiast jednego obracającego się magnesu stojan staje się pierścieniem elektromagnesów. Są włączane parami i uruchamiane sekwencyjnie. Ta sekwencyjna aktywacja wytwarza wirujące pole magnetyczne. Wirnik, często będący prostą klatką z przewodzącymi prętami, podąża za tym polem jak pies goniący za ogonem, którego nigdy nie złapie.
Wszystko zależy od czasu. W silniku prądu stałego używamy szczotek do przełączania pola. W silniku prądu przemiennego samo pole obraca się, ciągnąc za sobą wirnik.
Wiesz już, że wirnik silnika prądu stałego jest bezpośrednio podłączony do akumulatora. To jest linia prosta. A co z silnikiem prądu przemiennego? Zupełnie inne urządzenie. Brak bezpośredniego podłączenia do źródła zasilania. Żadnych iskrzących szczotek. Zamiast tego opiera się na klatce wiewiórczej (wirniku klatkowym). Tak, to jego prawdziwe imię. Brzmi jak zabawka dla zwierząt, ale jest sercem dużej części wydajnego napędu elektrycznego, z którego korzystamy na co dzień.
Jak klatka wiewiórki faktycznie się obraca
Klatka wiewiórki nie jest prawdziwą klatką dla gryzoni. Jest to cylinder wykonany z wytrzymałych prętów aluminiowych lub miedzianych. Pręty te są zwarte na obu końcach masywnymi metalowymi pierścieniami. Wygląda jak kołowrotek dla chomika zaprojektowany dla bardzo ciężkiego i bardzo gorącego chomika. Jednostka ta znajduje się wewnątrz stojana – stałej osłony zewnętrznej.
O to właśnie chodzi. Po podłączeniu silnika prądu przemiennego do gniazdka elektrycznego przez uzwojenia stojana przepływa prąd przemienny. W ten sposób powstaje wirujące pole magnetyczne. Wirnik klatkowy to po prostu zbiór przewodników umieszczonych w tym polu. Kiedy bieguny magnetyczne przełączają się tam i z powrotem, indukują prąd w prętach wirnika. Ten indukowany prąd wytwarza własne pole magnetyczne. Obydwa pola oddziałują na siebie. Wirnik jest wciskany. Zaczyna się kręcić.
To jest indukcja. Wirnik nigdy nie dotyka źródła zasilania. Po prostu reaguje na magnetycznego „ducha” prądu przemiennego.
Wyścig o stabilność
W silniku indukcyjnym (silniku klatkowym na prąd przemienny) wirnik zawsze nadrabia zaległości. Pole magnetyczne stojana obraca się z określoną częstotliwością określoną przez sieć energetyczną i konstrukcję silnika. Nazywa się to prędkością synchroniczną. Wirnik ją goni. Jest coraz bliżej. Ale nigdy nie nadąża całkowicie.
Gdyby wirnik obracał się z tą samą prędkością co pole stojana, nie byłoby ruchu względnego. Nie byłoby zmieniającego się strumienia magnetycznego. Nie byłoby prądu indukowanego. Nie byłoby momentu obrotowego. Wirnik powinien trochę się opóźniać. Ta różnica nazywana jest „poślizgiem”. To nie jest wada. To właśnie ta funkcja sprawia, że mechanizm działa.
Wirnik obraca się, próbując znaleźć stan równowagi, który zawsze pozostaje poza zasięgiem. Ta siła tarcia wytwarza moment obrotowy. Moment obrotowy obraca koła. Moment obrotowy obraca łopatki wentylatora.
Uzwojenia wirników a klatki wiewiórcze
Nie wszystkie silniki prądu przemiennego wykorzystują klatkę wiewiórczą. Niektórzy używają wirnika uzwojenia. Ta wersja ma prawdziwe uzwojenia drutowe na wirniku, podobne do twornika silnika prądu stałego. Uzwojenia te są połączone z pierścieniami ślizgowymi i rezystorami zewnętrznymi za pomocą szczotek. Opór można regulować w celu kontrolowania prędkości i momentu rozruchowego.
Ale ta złożoność zwiększa koszty i liczbę punktów serwisowych. Szczotki się zużywają. Pierścienie ślizgowe korodują. Klatka wiewiórki jest szczelna. Monolityczny. Niezniszczalny. Dlatego widać to w 90% sprzętu AGD. Jedna ruchoma część. Mniej delikatnych części. Mniej konserwacji. Po prostu kręć i pracuj.
Silniki są wszędzie (a ty je ignorujesz)
Rozejrzyj się po swojej kuchni. Wentylator nad kuchenką? Silnik. Ostrza blendera? Silnik. Gramofon do mikrofalówki? Silnik. Nawet Twoja lodówka jest strefą o dużej motoryce. Potrzebuje jednego do napędzania sprężarki (sprężającego czynnik chłodniczy), jednego do obracania wewnętrznego wentylatora (chłodzącego powietrze), a czasem jeszcze drugiego, małego do mechanizmu kostkarki do lodu. Oto trzy oddzielne silniki prądu przemiennego pracujące teraz w ciszy.
W pomieszczeniu gospodarczym znajduje się cmentarz parowozowy. Bęben suszarki? Silnik. Wentylator pieca dmucha gorącym powietrzem? Silnik. Odkurzacz, który zasysa brud? Silnik. Nawet narzędzia bezprzewodowe, takie jak elektryczne wkrętarki i wiertarki, korzystają z silników prądu stałego, ale ładowarka i jednostka bazowa często korzystają z konwersji prądu przemiennego lub małych podzespołów prądu przemiennego.
Łazienka? Wentylator wyciągowy. Suszarka do włosów (tak, wentylator nadmuchujący powietrze, a nie element grzejny). Elektryczna szczoteczka do zębów (zwykle z małym silnikiem prądu stałego, ale często ładowana za pomocą indukcji prądu przemiennego). Elektryczna maszynka do golenia.
Twój samochód to fabryka silników. Elektryczne szyby. Fotele regulowane elektrycznie. Wentylatory chłodzące chłodnicę. Wentylatory nagrzewnicy. Wycieraczki. Rozrusznik kręci silnikiem. A jeśli kupisz samochód elektryczny? Główną jednostką napędową jest najprawdopodobniej silnik indukcyjny lub silnik synchroniczny z magnesami trwałymi, zasilany akumulatorami prądu stałego poprzez falownik.
Komputery. Telefony. Zabawki. Otwieracze do bram garażowych. Pompy do akwariów. Prawie każdy mechaniczny ruch w Twoim życiu napędzany jest silnikiem elektrycznym. Po prostu ich nie widzimy, bo są ukryte w plastikowych skrzynkach, które cicho szumią.
Mostek od prądu stałego do prądu przemiennego w pojazdach elektrycznych
Powoduje to powszechne błędne przekonanie. Samochody elektryczne korzystają z baterii. Baterie wytwarzają prąd stały (DC). Jednak wiele pojazdów elektrycznych wykorzystuje silniki prądu przemiennego w swoich jednostkach napędowych. Jak to działa?
Nie podłączasz akumulatora prądu stałego bezpośrednio do silnika prądu przemiennego. Nie będzie się obracać. Potrzebujesz konwertera. Konkretnie inwerter. Falownik pobiera prąd stały z akumulatora i „odcina” go, przełączając go tam i z powrotem, zamieniając go w prąd przemienny (AC). Kontroluje częstotliwość i napięcie, aby kontrolować prędkość i moment obrotowy silnika.
Zatem akumulator jest prądem stałym. Silnik jest na prąd przemienny. Falownik jest tłumaczem. Bez tego samochód pozostaje zaparkowany.
Często zadawane pytania
Jak działa silnik elektryczny zabawki?
Jest to miniaturowa wersja standardowego silnika prądu stałego. Wykorzystuje dwa małe magnesy trwałe, komutator, szczotki i cewkę elektromagnesu. Jest prosty, tani i działa na tej samej zasadzie, co silnik w blenderze, tylko zmniejszony, aby zmieścił się w samochodzie Hot Wheels.
Co to jest silnik prądu stałego?
Przekształca energię elektryczną prądu stałego w obrotowy ruch mechaniczny. Kluczową różnicą w stosunku do silników prądu przemiennego jest obecność komutatora i szczotek, które fizycznie przełączają kierunek prądu w wirniku, aby utrzymać jego obrót.
Jakie są części prostego silnika?
Spójrzmy punkt po punkcie. Potrzebujesz twornika (wirnika), komutatora, szczotek, osi, pola magnetycznego (stałego lub elektromagnetycznego) i źródła zasilania. Jest to sześcioelementowy szkielet podstawowego ruchu elektrycznego.
Jak długo może wytrzymać silnik elektryczny?
W normalnych warunkach dobrze utrzymany silnik przemysłowy może przetrwać 15-20 lat. Urządzenia mogą wytrzymać krócej ze względu na cykle cieplne i użytkowanie, ale podstawowe komponenty są niezwykle trwałe. Łożyska zwykle ulegają awarii jako pierwsze.
Który silnik jest lepszy: DC czy AC?
To zależy od zadania. Silniki prądu przemiennego są zwykle mocniejsze, niezawodne i wymagają mniej konserwacji, ponieważ nie mają szczotek. Silniki prądu stałego mogą być bardziej wydajne w określonych zastosowaniach związanych ze sterowaniem prędkością i zapewniać wysoki moment rozruchowy. Większość urządzeń gospodarstwa domowego preferuje zasilanie prądem przemiennym ze względu na jego niezawodność. Ze względu na precyzję robotyka przemysłowa często preferuje serwosilniki prądu stałego lub wyspecjalizowane serwosilniki prądu przemiennego.
Zawsze gdzieś w tle szumi silnik, który zamienia energię w ruch. Musisz tylko słuchać.
