clover/docs/les8.md

Урок №8 «Основы электромагнетизма. Типы двигателей»

Основные законы электромагнетизма

Закон Ампера

Зако́н Ампе́ра — закон взаимодействия электрических токов. Впервые был установлен Андре Мари Ампером в 1820 для постоянного тока. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются.

Закон Ома

Зако́н О́ма — физический закон, определяющий связь электродвижущей силы источника (или электрического напряжения) с силой тока, протекающего в проводнике, и сопротивлением проводника. Установлен Георгом Омом в 1826 году и назван в его честь.

Закон Кулона

Зако́н Куло́на — это закон, описывающий силы взаимодействия между неподвижными точечными электрическими зарядами. «Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она является силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы.»

Типы двигателей

Каждый электродвигатель обладает некоторыми отличительными свойствами, которые обуславливают его область применения, в которой он наиболее выгоден. Синхронные, асинхронные, постоянного тока, коллекторные, бесколлекторные, вентильно-индукторные, шаговые…

Двигатель постоянного тока (ДПТ)

Именно этот тип двигателя стоит в большинстве старых игрушек. Батарейка, два проводка на контакты. Внутри такого двигателя на валу установлен контактный узел – коллектор, переключающий обмотки на роторе в зависимости от положения ротора. Постоянный ток, подводимый к двигателю, протекает то по одним, то по другим частям обмотки, создавая вращающий момент.

Двигатели постоянного тока бывают как очень маленького размера («вибра» в телефоне), так и довольно большого – обычно до мегаватта. Например, на фото ниже показан тяговый электродвигатель электровоза мощностью 810кВт и напряжением 1500В.

Универсальный коллекторный двигатель

Как ни странно, это самый распространенный в быту электродвигатель, название которого наименее известно. Почему так получилось? Его конструкция и характеристики такие же, как у двигателя постоянного тока, поэтому упоминание о нем в учебниках по приводу обычно помещается в самый конец главы.

Этот тип двигателей наиболее широко распространен в бытовой технике, где требуется регулировать частоту вращения: дрели, стиральные машины (не с «прямым приводом»), пылесосы и т.п. Почему именно он так популярен? Из-за простоты регулирования. Как и в ДПТ, его можно регулировать уровнем напряжения, что для сети переменного тока делается симистором (двунаправленным тиристором). Схема регулирования может быть так проста, что помещается, например, прямо в «курке» электроинструмента и не требует ни микроконтроллера, ни ШИМ, ни датчика положения ротора.

Асинхронный электродвигатель

Асинхронный двигатель применяется и в быту: в тех устройствах, где не нужно регулировать частоту вращения. Чаще всего это так называемые «конденсаторные» двигатели, или, что тоже самое, «однофазные» асинхронники. Хотя на самом деле с точки зрения электродвигателя правильнее говорить «двухфазные», просто одна фаза двигателя подключается в сеть напрямую, а вторая через конденсатор. Конденсатор делает фазовый сдвиг напряжения во второй обмотке, что позволяет создать вращающееся эллиптическое магнитное поле. Обычно такие двигатели применяются в вытяжных вентиляторах, холодильниках, небольших насосах и т.п.

Синхронный электродвигатель

Синхронных приводов бывает несколько подвидов – с магнитами (PMSM) и без (с обмоткой возбуждения и контактными кольцами), с синусоидальной ЭДС или с трапецеидальной (бесколлекторные двигатели постоянного тока, BLDC). Сюда же можно отнести некоторые шаговые двигатели. До эры силовой полупроводниковой электроники уделом синхронных машин было применение в качестве генераторов (почти все генераторы всех электростанций – синхронные машины), а также в качестве мощных приводов для какой-либо серьезной нагрузки в промышленности.

Сравнение коллекторного и бесколлекторного двигателя

У радиоуправляемых моделей с электродвигателями бывают коллекторные и бесколлекторные двигатели. Краткое сравнение типов двигателей: коллекторные развивают меньшую скорость. Бесколлекторные двигатели способны развить большую скорость, а также более износостойкие.

Коллекторный двигатель

обладает щеточно-коллекторным узлом, который обеспечивает движение вашей радиоуправляемой модели. Коллектор, по сути, является набором контактов, на роторе, а щеточки – скользящие контакты, которые расположены вне ротора. Как работает: Работают от постоянного тока. Т.е. подав напряжение от источника постоянного тока (аккумулятор, батарейка), вы приводите его в движение. Для того, чтобы поменять направление движение, достаточно просто поменять полярность подаваемого тока. Это достаточно простой механизм, и поэтому, коллекторный тип двигателя более дешевый. Данный тип двигателя относится к более раннему, КПД которого, по расчетам специалистов, равняется 60%.

Среди преимуществ коллекторных двигателей радиоуправляемых моделей можно выделить:

• Малый вес двигателя

• Малый размер двигателя

• Более низкая стоимость двигателя

• Возможность починить

Недостатки коллекторных двигателей машинок:

• Более низкий КПД двигателя

• Более низкая максимальная развиваемая скорость вашей машинки

• Механическая работа щеточек и коллектора может привести к искрению при перегреве

• Быстрый износ

Бесколлекторные двигатели, у которых подвижной частью является статор, являются более надежными по сравнению с коллекторными. Это достигается за счет отсутствия щеточного механизма. Но, так как конструкция двигателя значительно сложнее, то и стоят они несколько дороже.

Преимущества:

• Высокий КПД двигателя – до 92%

• Более высокая максимальная скорость

• Более износостойкие за счет закрытого типа двигателя

• Лучше защищены от влаги, пыли и грязи

Недостатки:

• Высокая стоимость

• Более сложный ремонт двигателя

Контрольные вопросы:

1. Как, следуя закону Ампера, ведут себя проводники с электрическими токами?
2. По закону Кулона как взаимодействуют относительно друг друга два точечных заряда в вакууме.
3. В чём основное различие коллекторных и бесколлекторных электродвигателей?
4. По каким характеристикам бесколлекторные электродвигатели подходят для использования их на квадрокоптерах?