Обозначение электрических двигателей на схеме по ГОСТ

Для того чтобы нарисовать электрическую схему, применяют условные графические обозначения всех элементов. Так в упрощенном варианте можно изобразить любой элемент – резистор, конденсатор, электродвигатель и т.д. Они стандартизированы для основных видов элементов, в этой статье мы рассмотрим обозначения электрических двигателей на схеме.

Графическое обозначение электрических машин

Для схематичного обозначения была разработана специальная система ЕСКД, согласно которой на чертеже можно отобразить любой двигатель. Его представляют в виде окружности, рядом с которой может указываться буквенное обозначение. Например, ДГ — главный двигатель, ДШ — электродвигатель подачи шпинделя станка, ДО — насоса охлаждения и т.п. Рассмотрим, какие УГО стандартизирует система, полный их перечень приведен в ГОСТ 2.722-68

Двигатели постоянного тока

Машины постоянного тока имеют условное обозначение в зависимости от варианта возбуждения. На рисунке представлен электродвигатель постоянного тока с различными вариантами УГО.

Кроме этого, существует множество устройств с дополнительными функциями. Например, реверсивный электродвигатель с двумя обмотками или с параллельным возбуждением и вибрационным регулятором скорости вращения. Ниже приведены УГО таких устройств.

Асинхронные машины

Асинхронные электродвигатели изображаются на чертежах в виде окружности, внутри которой меньшая окружность, отображающая ротор.

На иллюстрации представлено графическое обозначение асинхронной электрической машины с короткозамкнутым ротором на однолинейной схеме. Для трехфазной сети символическое представление мотора с фазным и короткозамкнутым выполняется подобным образом, отличие состоит лишь в количестве проводов и подключении цепи ротора.

При этом если электродвигатель трехфазный, указывается схема соединения обмоток. Например, соединение звездой обозначается так:

Каждый тип трехфазных асинхронных машин имеет разный вид на чертеже. Ниже приведены варианты графического обозначения двигателей различного исполнения.

Синхронные машины

Синхронные машины по ГОСТ представлены в виде, который указан на нижеприведенной иллюстрации, при этом схема легко читается даже неспециалистом.

Явнополюсная машина с обмоткой на якоре, отображается на схеме в виде двух окружностей, здесь и к наружной, и к центральной подведены провода (к статору и ротору соответственно).

Если обмотки соединены треугольником, то синхронный электродвигатель будет изображен на чертеже несколько иначе.

Остальные разновидности УГО типов электродвигателей на схемах представлены с описанием на рисунке ниже.

Генераторы

Обозначение трехфазных генераторов, как и синхронных двигателей, имеет одинаковое графическое начертание. Ниже приведены изображения, которые отображаются на схеме.

УГО других видов электрических машин

Кроме распространенных устройств, применяются специальные, которые также имеют свое обозначение на схеме.

Специальные приборы типа сельсин-датчиков и приемников имеют кроме графического обозначения еще и буквенное описание, что проиллюстрировано на рисунке ниже.

Двигатель–преобразователь имеет изображение на схеме в соответствии с УГО. Его начертание на схеме приведено на иллюстрации.

Здесь представлены устройства, у которых имеется коллекторный узел. Он имеет УГО в виде двух прямоугольников по сторонам окружности.

Заключение

Графическое обозначение электрических машин на схемах выполняется согласно ГОСТ 2.722. При составлении схемы, необходимо руководствоваться данной документацией. В ней описаны все необходимые машины, а также указываются размеры окружности и других элементов рисунка, которые должны быть на чертежах и другие требования к чертежу.

Условные графические обозначения в электрических схемах

Страница 16 из 54

Для единообразного понимания и облегчения чтения чертежей все элементы электрических схем (контакторы, автоматические выключатели, кнопки, реле, контакты, обмотки аппаратов) изображаются условными графическими обозначениями. Наиболее часто встречающиеся условные обозначения приведены в табл. 6. На схемах всем элементам одного аппарата дают одинаковое буквенное обозначение, которое указывает основную функцию, выполняемую этим аппаратом, например: П — пускатель магнитный, В и Н — контакторы или магнитные пускатели направления вращения электродвигателя вперед или назад, РВ — реле времени, РТ — реле токовое, УП — универсальный переключатель и т. д. Все элементы аппаратов на схеме показываются в положении, когда они не находятся под напряжением и по их обмоткам не протекает ток.

Рис. 27. Схема ручного и автоматического управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором

Таблица 6
Условные графические обозначения в схемах

Наименование	Обозначение		Наименование		Обозначение
Электродвигатель -асинхронный, трехфазный, с короткозамкнутым ротором			Трансформатор трехфазный с соединением обмоток треугольник — звезда с выведенным нулем
Электродвигатель асинхронный, трехфазный, с фазным ротором			Трансформатор тока
Электродвигатель синхронный, трехфазный			Трансформатор напряжения
Электродвигатель постоянного тока			Автотрансформатор
Наименование		Обозначение		Наименование		Обозначение
Реактор				Диод полупроводниковый
Резистор: 1 — нерегулируемый; 2 — регулируемый				Обмотка реле, контактора, магнитного пускателя, электромагнита
Конденсатор: 1 — нерегулируемый; 2 — регулируемый				Реле (общее обозначение)
Предохранитель плавкий				Контакт Коммутационного устройства: 1 — замыкающий; 2 — размыкающий

Наименование	Обозначение	Наименование	Обозначение
Контакт для коммутации сильноточной цепи: 1—замыкающий; 2 — размыкающий		Выключатель путевой с замыкающим контактом
Реле электротепловое		Выключатель трехполюсный с автоматическим возвратом
Выключатель кнопочный нажимной с самовозвратом: 1 — с замыкающим контактом; 2 — с размыкающим контактом		Разъединитель трехполюсный

Контакты, которые замыкаются при протекании тока в обмотке управляющего ими аппарата(контактора, магнитного пускателя, реле), называются замыкающими; контакты, которые при тех же условиях размыкаются, называются размыкающими. При прекращении протекания тока в обмотке управляющего аппарата контакты возвращаются в исходное положение. В качестве примера построения схем на рис. 27 изображена схема ручного и автоматического управления асинхронным короткозамкнутым электродвигателем с помощью упомянутого ранее блока управления БУ5140. На схеме буквами АВ обозначен автоматический выключатель А3124, Р — рубильники, Пр — предохранитель, УП — универсальный переключатель режимов управления (ручного р и автоматического а), ТР — тепловое реле и его размыкающие контакты, П — пускатель магнитный, его обмотка и контакты. Ручной пуск электродвигателя осуществляется поворотом рукоятки универсального переключателя УП в положение р, при этом замыкается цепь питания обмотки пускателя, пускатель замыкает свои главные контакты и включает электродвигатель. Автоматическое управление пуском электродвигателя осуществляется при повороте рукоятки универсального переключателя в положение а. При получении импульса от внешнего датчика (реле) его контакт АС (на схеме очерчен пунктиром) замыкается, обмотка пускателя получает питание и пускатель включает электродвигатель. Остановка электродвигателя осуществляется поворотом рукоятки переключателя в положение «О».

Схема подключения электродвигателя, подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД) и другие инженерно технические системы (ИТС)

Схема подключения электродвигателя во многом определяется условиями его эксплуатации.

Например, подключение «звездой» обеспечивает большую плавность работы, но дает потерю мощности по сравнению с подключением «треугольником».

Иногда бывает нужно подключить трехфазный двигатель в однофазную сеть. В любом случае рассматривать этот вопрос надо по порядку. (Здесь и далее разговор пойдет про асинхронный электродвигатель как наиболее часто встречающийся).

На рисунке 1 представлены две схемы соединения обмоток двигателя.

1. Схема соединения «звездой». Начала (или концы) всех обмоток соединяются в одной точке, оставшиеся концы (или начала) подключаются каждый к своей фазе (L1, L2, L3).

   Эта схема не позволяет использовать электрический двигатель на полную мощность, но имеет меньший пусковой ток.

2. Соединение обмоток электродвигателя «треугольником». При этом начало одной обмотки соединяется с концом другой. Вершины получившегося треугольника подключаются к цепи трехфазного тока.

   В отличие от соединения «звездой» эта схема позволяет использовать всю паспортную мощность двигателя, но имеет больший пусковой ток.

3. Подключение двигателя к сети одинаково, вне зависимости от способа соединения обмоток, поэтому, рассказывая про различные его подключения я буду использовать приведенное здесь обозначение электродвигателя, чтобы лишний раз не затруднять восприятие схемы.

Подключение двигателя к сети производится через электромагнитный пускатель. Схемы таких подключений приведены здесь.

Соединение обмоток двигателя в ту или иную схему производится соответствующей установкой перемычек в клеммной коробке. (См. на соответствующих рисунках под схемами соединений). Для тех, кто привык разбираться во всем досконально на нижней части рисунка 1.с приведена схема подключения обмоток электродвигателя к соответствующим клеммам.

Следует заметить, что сказанное относится к двигателям не подвергавшимся переделкам (ремонту) и имеющим штатную маркировку обмоток.

В противном случае нужно самостоятельно найти обмотки, их начала и концы. Как это сделать поясняет рисунок 2.

1. Прозваниваем обмотки. Для этого один измерительный щуп мультиметра в режиме измерения сопротивления подсоединяем к любой клемме (выводу), другим последовательно проверяем остальные. Точки, сопротивление между которыми составляет единицы или доли ом (близко к нулю), являются выводами одной обмотки.
2. Отмечаем найденную обмотку, аналогичным образом прозваниваем оставшиеся выводы, находим остальные.
3. Определяем начала и концы обмоток электродвигателя. Для этого соединяем любые две последовательно, подаем на них переменное напряжение. Для безопасности лучше ограничиться его величиной 12-36 Вольт. К оставшейся подключаем мультиметр в режиме измерения переменного напряжения. Наличие напряжения свидетельствует, что обмотки соединены синфазно, то есть конец одной подключен к началу другой.

   Этот вариант как раз изображен на рисунке. Отсутствие напряжения говорит о том, что обмотки соединены концами (или началами). Маркируем их соответствующим образом. Повторяем указанные действия для оставшейся обмотки, соединенной с любой из первых двух.

ПОДКЛЮЧЕНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ДВИГАТЕЛЯ В ОДНОФАЗНУЮ СЕТЬ

Такая необходимость возникает достаточно часто. Сразу замечу — мощность электродвигателя при этом теряется.

Схема подключения трехфазного электродвигателя в однофазную (220 В) сеть требует наличия фазосдвигающего конденсатора Ср. Значение его емкости в микрофарадах (мкФ) для двигателей мощностью до 2,5 кВт можно определить умножив мощность двигателя в кВт на 100.

Конечно, для этого существует специальная формула, но описанным образом емкость можно получить с достаточной степенью приближения.

Наиболее простая схема приведена на рисунке 3.

В зависимости от положения переключателя SB1 будет меняться направление вращения электродвигателя. Подключение двигателя к сети производится выключателем F, в качестве которого лучше использовать автоматический выключатель.

Сразу после его включения для старта (набора оборотов) нужно подключить дополнительный конденсатор Сдоп, емкостью в 2-3 раза большей, чем Сраб. Это достигается нажатием кнопки SB2, которая должна быть отпущена сразу после набора электродвигателем оборотов.

Резистор R служит для разряда конденсатора Сдоп после его отключения. Значение этого резистора некритично и может быть порядка 100 — 500 кОм.

По этой схеме можно подключать электродвигатели с по схеме как «треугольник» так и «звезда».

Следующая схема (рис.4) использует подключение электродвигателя через пускатель. Сделано это так, чтобы включение можно было производить одним нажатием. Давайте посмотрим как эта схема работает.

При нажатии кнопки «пуск» срабатывает пускатель КМ1. Одними своими контактами он подключает дополнительный конденсатор Сдоп, другими — включает пускатель КМ2, который подает на электродвигатель напряжение (контактная группа КМ2.1) и одновременно блокирует контакты КМ1.1 первого пускателя.

После набора оборотов кнопка пуск отпускается, пускатель КМ1 отключается, отключая Cдоп. Напряжение на пускатель КМ2 подается им самим, он находится в замкнутом состоянии до нажатия кнопки «стоп», размыкающей цепь питания.

Катушки пускателей должны быть рассчитана на напряжение 220В.

© 2012-2021 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Машины переменного тока.

---

Трафарет Visio Машины переменного тока.

В трафарет Visio, входят базовые символы условных обозначений электрических машин переменного тока.

Выбором дополнительных характеристик и конструктивных особенностей, из контекстного меню и таблицы данных фигуры, можно получить все предусмотренные стандартами условные обозначения машин переменного тока, например:

Машина электрическая — обозначение упрощенное однолинейное.

В таблице Данные фигуры, для однолиненейного варианта условного обозначения, возможно выбрать один из вариантов типа машины: двигатель, двигатель синхронный, генератор, генератор синхронный, двигатель-генератор, преобразователь, сельсин

Двигатель.
Преобразователь.
Генератор.
Сельсин.

 

Двигатель синхронный.
Генератор синхронный.
Двигатель — генератор.

 

и дополнительные сведения, например для условного обозначения двигателя:

Двигатель постоянного тока.
Двигатель переменного тока трехфазный.
Двигатель трехфазный, соединение обмоток в треугольник.

 

Двигатель трехфазный, соединение обмоток в треугольник.
Двигатель трехфазный, соединение обмоток звезда + N.
Двигатель трехфазный, три раздельных обмотки.

 

 

Двигатель асинхронный трехфазный — символы условных обозначений.

Для условного обозначения двигателя асинхронного трехфазного, через контекстное меню фигуры Visio, можно показать или скрыть защитный провод заземления и символ заземления корпуса.

Расстояние между выводами обозначения электродвигателя можно изменить, перемещением маркера фигуры.

Двигатель асинхронный трехфазный.
Двигатель асинхронный трехфазный с защитным проводом заземления.
Двигатель асинхронный трехфазный, корпус заземлен.

 

Примеры для услоного обозначения двигателя асинхронного трехфазного с 6 выводами обмоток:

Двигатель асинхронный трехфазный, 6 выводов.
Двигатель асинхронный трехфазный, 6 выводов, защитный провод заземления.
Двигатель асинхронный трехфазный, 6 выводов, защитный провод заземления, заземленный корпус.

 

 

Посмотреть пример на видео:

 

Двигатель асинхронный трехфазный с фазным ротором — примеры условных обозначений.

Изменение условного обозначения двигателя с фазным ротором, аналогично изменению условного обозначения двигателя асинхронного трехфазного:

Двигатель асинхронный трехфазный с фазным ротором.
Двигатель асинхронный трехфазный с фазным ротором, корпус заземлен.
АД трехфазный с фазным ротором, с защитным проводом заземления и заземленным корпусом.

 

 

Двигатель асинхронный однофазный — примеры условных обозначений.

   Через контекстное меню фигуры обозначения можно показать или скрыть дополнительную обмотку, защитный провод заземления и символ заземления корпуса электрической машины.

   Расстояние между выводами обозначения электродвигателя можно изменить, перемещением маркера фигуры.

Двигатель асинхронный однофазный.
Двигатель асинхронный однофазный, корпус заземлен.
АД однофазный с дополнительной обмоткой и защитным проводом заземления.

 

 

Двигатель коллекторный — примеры условных обозначений.

Двигатель коллекторный однофазный последовательного возбуждения.
Двигатель коллекторный однофазный репульсионный.
Двигатель коллекторный трехфазный.

 

 

Машины синхронные однофазные — примеры символов условных обозначений.

Генератор синхронный однофазный.
Двигатель синхронный однофазный.

 

 

Машины синхронные трехфазные — примеры условных обозначений.

Именение рода машины и дополнительных сведений, осуществляется в таблице данных фигуры Visio.

Генератор синхронный трехфазный с обмотками, соединенными в треугольник.
Генератор синхронный трехфазный с обмотками, соединенными в звезду.
Генератор синхронный трехфазный с обмотками, соединенными в звезду, с выведенной нейтралью.

 

Двигатель синхронный трехфазный с обмотками, соединенными в треугольник.
Двигатель синхронный трехфазный с обмотками, соединенными в звезду.
Двигатель синхронный трехфазный с обмотками, соединенными в звезду, с выведенной нейтралью.

 

Генератор переменного тока синхронный трехфазный с постоянным магнитом.
Генератор синхронный трехфазный, оба конца каждой фазы выведены.
Двигатель синхронный трехфазный, оба конца каждой фазы выведены.

 

 

Преобразователь — условное обозначение.

Преобразователь одноякорный постоянно-переменного тока трехфазный.

 

Дополнительные символы определяющие тип электрических машин.

    Символы соединения обмоток электрической машины в треугольник, звезду или звезду с выведенной нейтральной точкой соединения обмоток. Переключение группы соединения проводятся в таблице данных фигуры. Символ шаговый двигатель. Символ линейный двигатель, направление движения вправо и влево. Символ линейный двигатель направление движения влево. Символ линейный двигатель, направление движения вправо. Символ автоматического пускателя. Символ термистора.

 

Любой из дополнительных символов, может быть добавлен в любую фигуру условного обозначения электрической машины.
 Некоторые примеры условных обозначений электрических машин, полученных добавлением дополнительных символов:

Двигатель асинхронный трехфазный с встроенным термистором.
Двигатель асинхронный трехфазный с обмотками, соединенными в звезду.
Двигатель асинхронный трехфазный шаговый.

 

Двигатель асинхронный трехфазный линейный, направление движения вправо и влево.
Двигатель асинхронный трехфазный со статором, соединенным звездой, с автоматическими пускателями в роторе.

 

Примечание: Если предполагается горизонтальное расположение условного обозначения двигателя на схеме, фигуру обозначения необходимо сначала повернуть горизонтально, а затем добавить дополнительный символ.

---

Посмотреть технологию вставки дополнительных символов в условные обозначения электрических машин на видео:

---

 

Подключение электродвигателя по схеме звезда и треугольник

Схемы подключения электродвигателя. Звезда, треугольник, звезда — треугольник.

Асинхронные двигатели, имея ряд таких неоспоримых достоинств, как надежность в эксплуатации, высокая производительность, способность выдерживать большие механические перегрузки, неприхотливость и невысокая стоимость обслуживания и ремонта, обусловленные простотой конструкции, имеют, конечно и свои определенные недостатки.

На практике применяются основные способы подключения к сети трёхфазных электродвигателей: «подключение звездой» и «подключение треугольником».

При соединении трёхфазного электродвигателя звездой, концы его статорных обмоток соединяются вместе, соединение происходят в одной точке, а на начала обмоток подаётся трехфазное напряжение (рис 1).

При соединении трёхфазного электродвигателя по схеме подключения «треугольником» обмотки статора электродвигателя соединяются последовательно таким образом что конец одной обмотки соединяется началом следующей и так далее (рис 2).

Не вдаваясь в технические и теоретические основы электротехники известно, что электродвигатели у которого обмотки, соединенные звездой работают плавнее и мягче, чем электродвигатели с соединенными обмотками треугольником, необходимо отметить, что при соединении обмоток звездой электродвигатель не может развить полную мощность. При соединении обмоток по схеме треугольник электродвигатель работает на полную паспортную мощность (что составляет в 1,5 раз больше по мощности, чем при соединении звездой), но при этом имеет очень большие значения пусковых токов.

 В связи с этим для снижения пусковых токов целесообразно (особенно для электродвигателей с большей мощностью) подключение по схеме звезда — треугольник; первоначально запуск осуществляется по схеме «звезда», после этого (когда электродвигатель «набрал обороты»), происходит автоматическое переключение по схеме «треугольник».

 Схема управления :

Еще вариант схемы управления двигателем

 Подключение напряжения питания через контакт NC (нормально закрытый) реле времени К1 и контакт NC К2, в цепи катушки пускателя К3.

 После включения пускателя К3, своими нормально-замкнутыми контактами размыкает цепи катушки пускателя К2 контактами К3 (блокировка случайного включения) и замыкает контакт К3, в цепи питания катушки магнитного пускателя К1, который совмещен с контактами реле времени.

 При включении пускателя К1 происходит замыкание контактов К1 в цепи катушки магнитного пускателя К1 и одновременно включается реле времени, размыкается контакт реле времени К1 в цепи катушки пускателя К3, замыкает контакт реле времени К1 в цепи катушки пускателя К2.

 Отключение обмотки пускателя К3, замыкается контакт К3 в цепи катушки магнитного пускателя К2. После включение пускателя К2, размыкает своими контактами К2 в цепи катушки питания пускателя К3.

_{^{(Начало обмоток статора: U1; V1; W1. Концы обмоток: U2; V2; W2. На клеммной доске шпильки начала и концов обмоток расположены в строгой последовательности: W2; U2; V2; под ними расположены: U1; V1; W1. При подключении двигателя в «треугольник» шпильки соединяются перемычками: W2-U1; U2-V1; V2-W1.)}}

На начала обмоток U1, V1 и W1 через силовые контакты магнитного пускателя К1 подаётся трехфазное напряжение. При срабатывании магнитного пускателя К3 с помощью его контактов К3, происходит замыкание, соединяя концы обмоток U2, V2 и W2 между собой обмотки двигателя соединены звездой.

 Через некоторое время срабатывает реле времени, совмещённое с пускателем К1, отключая пускатель К3 и одновременно включая К2, замыкаются силовые контакты К2 и происходит подача напряжение на концы обмоток электродвигателя U2, V2 и W2. Таким образом электродвигатель включается по схеме треугольник.

Для запуска двигателей по схеме звезда-треугольник разными производителями выпускаются так называемые пусковые реле, название они могут иметь разные «Пусковые реле времени» , реле «старт-дельта» и др., но назначение у них одно и тоже:

РВП-3, ВЛ-32М1, D6DS (Австрия) , ВЛ-163 (Украина), CRM-2T  (Чехия), TRS2D (Чехия),  1SVR630210R3300 (ABB), 80 series (Finder) и другие.

Типовая схема с пусковым реле времени (реле «звезда/треугольник») для управления запуском трехфазного асинхронного двигателя:

Вывод:  Для снижения пусковых токов запускать двигатель необходимо в следующей последовательности: сначала включенным по схеме «звезда» на пониженных оборотах, далее переключаться на «треугольник».
Запуск сначала треугольником создает максимальный момент, а уже переключение на звезду (пусковой момент в 2 раза меньше) с дальнейшей работой в номинальном режиме, когда электродвигатель «набрал обороты», происходит автоматическое переключение на схему треугольник, стоит учитывать какая нагрузка на валу перед запуском, ведь вращающий момент при звезде ослаблен, поэтому такой способ запуска вряд ли подойдет для очень загруженных двигателей, может выйти из строя.

Схемы подключения асинхронных электродвигателей

Чтобы привести ротор электродвигателя в движение необходимо правильно подключить концы обмоток статора к трехфазной сети, где рабочее напряжение может быть:

• 220 вольт
• 380 вольт
• 660 вольт

Заказать новый электродвигатель по телефону
Асинхронные электродвигатели АИР предполагают два способа подключения к трехфазной промышленной сети – «треугольник» и «звезда». В основном электродвигатели АИР рассчитаны на 2 номинальных напряжения 220/380 В, либо 380/660 В и имеют два способа подключения к трехфазной промышленной сети: «звезда» и «треугольник»

220/380 220 В – «треугольник» 380 В – «звезда»

380/660 380 В — «треугольник» 660 В — «звезда»

Как правильно подключить шесть проводов электродвигателя?

Как правило двигатели имеют шесть выводов для возможности выбора схемы подключения: «звезда» либо «треугольник». Но встречаются и три вывода — уже соединенных внутри двигателя по схеме «звезда».

Схема подключения «звезда»

При подключении обмоток звездой начала обмоток подключаются к фазам, а концы обмоток собираются общую точку (0 точку).

Таким образом напряжение фазной обмотки составит 220В, а линейное напряжение между обмотками 380В. Основным преимуществом подключения электродвигателя по схеме звезда является:

1. Плавный пуск
2. Возможность перегрузки (недлительной)
3. Повышенная надежность

При этом данная схема подключения обеспечит более низкую мощность от заявленной.

Схема подключения «треугольник»

При подключении треугольником последовательно конец одной обмотки соединяется с началом следующей обмотки.

Главными преимуществами такого подключения являются:

1. Максимальная мощность
2. Повышенный вращающий момент
3. Увеличенные тяговые способности

Однако, электродвигатели подключенные по схеме звезда больше нагреваются.

Комбинированный тип подключения

Как уже было отмечено, подключение «звездой» обеспечивает более плавный пуск, но пр этом не достигается максимальная заявленная мощность электромотора. При подключении «треугольником» достигается полная мощность, но пусковой ток может повредить изоляцию. Поэтому для мощных двигателей (начиная от АИР100L2), часто применяют комбинированную схему подключения трехфазных электродвигателей «звезда-треугольник», когда запуск двигателя происходит по схеме «звезда», в рабочем состоянии он переключается на схему «треугольник». Переключение обеспечивается магнитным пускателем или пакетным переключателем.

Наиболее популярные модели асинхронных электродвигателей:

Схема подключения электродвигателя «звезда-треугольник»

      Существует два способа пуска асинхронного электродвигателя (схема подключения электродвигателя):

     1) Прямой пуск (на обмотки статора подается полное напряжение сети)

     2) Пуск при пониженном напряжении (на обмотки статора подается напряжение меньше полного сетевого напряжения)

      Прямой пуск проще реализовать, он мене затратен, но обладает большим недостатком: при прямом пуске пусковой ток асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором превышает в 5-7 раз номинальный рабочий ток двигателя.

Схема включения обмоток статора “звездой” и “треугольником”

   Поэтому на практике для уменьшения пусковых токов асинхронных двигателей различными способами стараются понизить подводимое к обмоткам статора питающее напряжение.  Одни из способов снижения напряжения на обмотке статора — переключение обмоток статора со “звезды” на “треугольник”.

       Что это дает?

   При подключении обмоток статора соединенных в “звезду” (схема подключения электродвигателя «звезда») к источнику с линейным напряжением 380 В фазное напряжение буде в √3 меньше, т.е. равно 220 В.. Зная сопротивление обмотки статора и приложенное напряжение нетрудно рассчитать по закону Ома:

       При соединении “звездой”:

  

   Если же обмотки статора соединены “треугольником” (схема подключения электродвигателя «треугольник»)  и подключены к линейному напряжению 380 В, то фазное напряжение будет 380 В, следовательно:

      В результате пуск асинхронного двигателя со схемой подключения обмоток статора “звезда” (схема подключения электродвигателя «звезда»)  с дальнейшим переходом на схему “треугольник” (схема подключения электродвигателя «треугольник»), позволяет уменьшить пусковой ток в 3 раза по сравнению с пусковым током при прямом пуске. Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором по схеме звезда-треугольник находит особо широкое распространение в тех случаях, когда нагрузка на валу двигателя изменяется после разгона.

      Но тут необходимо помнить, что схема пуска двигателя с переключением “звезда-треугольник” имеет и свой недостаток: уменьшение пускового момента приблизительно на 30 процентов.

Схема переключения обмоток статора

Как работают электродвигатели?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 25 июля 2020 г.

Щелкните выключателем и мгновенно получите власть — как бы любили наши предки электродвигатели! Вы можете найти их во всем, начиная с электропоезда с дистанционным управлением автомобили — и вы можете быть удивлены, насколько они распространены. Сколько электрических моторы сейчас есть в комнате с тобой? Наверное, два в вашем компьютере для начала, один круто ездить, а еще один питает охлаждающий вентилятор.Если вы сидите в спальне, вы найдете моторы в фенах и многих игрушки; в ванной — вытяжки и электробритвы; На кухне моторы есть практически во всех устройствах, от стиральных и посудомоечных машин до кофемолок, микроволновых печей и электрических консервных ножей. Электродвигатели зарекомендовали себя среди лучших изобретения всех времен. Давайте разберемся и узнаем, как они Работа!

Фото: Даже маленькие электродвигатели на удивление тяжелые.Это потому, что они набиты туго намотанной медью и тяжелыми магнитами. Это мотор от старой электрической газонокосилки. Вещь медного цвета в сторону В передней части оси с прорезями находится коммутатор, удерживающий двигатель. вращение в том же направлении (как описано ниже).

Как электромагнетизм заставляет двигатель двигаться?

Основная идея электродвигателя очень проста: вы помещаете в него электричество с одного конца, а ось (металлический стержень) вращается на другом конце, давая вам возможность управлять машина какая то.Как это работает на практике? Как именно ваш преобразовать электричество в движение? Чтобы найти ответ на этот вопрос, у нас есть вернуться во времени почти на 200 лет.

Предположим, вы берете кусок обычного провода, превращаете его в большую петлю, и положите его между полюсами мощной постоянной подковы магнит. Теперь, если вы подключите два конца провода к батарее, провод будет прыгать кратко. Удивительно, когда видишь это впервые. Это прямо как по волшебству! Но есть совершенно научный объяснение.Когда электрический ток начинает течь по проводу, он создает магнитное поле вокруг него. Если разместить провод рядом с постоянным магнит, это временное магнитное поле взаимодействует с постоянным поле магнита. Вы знаете, что два магнита расположены рядом друг с другом. либо притягивать, либо отталкивать. Таким же образом временный магнетизм вокруг провода притягивает или отталкивает постоянный магнетизм от магнит, и это то, что заставляет проволоку подпрыгивать.

Правило левой руки Флеминга

Вы можете определить направление, в котором будет прыгать провод, используя удобная мнемоника (вспомогательная память), называемая правилом левой руки Флеминга (иногда называется Motor Rule).

Вытяните большой, указательный и второй пальцы левой руки. рука так, чтобы все три были под прямым углом. Если вы укажете вторым пальцем в направлении Течения (который течет от положительного к положительному отрицательная клемма АКБ), а Первая палец в направление поля (которое течет с севера на южный полюс магнит), ваш thuMb будет показать направление, в котором провод Движется.

Это …

• Первый палец = Поле
• SeCond палец = текущий
• ЧтМб = Движение

Несколько слов о текущем

Если вас смущает мое мнение о том, что ток течет с положительного на отрицательный, это просто историческая конвенция.Такие люди, как Бенджамин Франклин, которые помогли разобраться тайна электричества еще в 18 веке, считали, что это поток положительных зарядов, так что она перетекала с положительного на отрицательный. Мы называем эту идею условным током. и до сих пор используют его в таких вещах, как правило левой руки Флеминга. Теперь у нас есть лучшие идеи о том, как электричество работает, мы склонны говорить о токе как о потоке электронов от отрицательного к положительному в направлении , противоположном направлению обычного тока.Когда вы пытаетесь вычислить вращение двигателя или генератора, обязательно помните, что ток означает обычный ток , а не поток электронов.

Как работает электродвигатель — теоретически

Фото: Электрик ремонтирует электродвигатель. на борту авианосца. Блестящий металл, который он использует, может выглядеть как золото, но на самом деле это медь, хороший проводник, который намного дешевле. Фото Джейсона Якобовица любезно предоставлено ВМС США.

Связь между электричеством, магнетизмом и движением изначально была открыт в 1820 году французским физиком Андре-Мари Ампер (1775–1867), и это фундаментальная наука, лежащая в основе электродвигателя. Но если мы хотим превратить это удивительное научное открытие в более практическое Немного технологий для питания наших электрических косилок и зубных щеток, мы должны пойти немного дальше. Изобретателями, которые сделали это, были англичане Майкл Фарадей (1791–1867). и Уильям Стерджен (1783–1850) и американец Джозеф Генри (1797–1878).Вот как они пришли к своему гениальному изобретению.

Предположим, мы сгибаем нашу проволоку в квадратную U-образную петлю, так что эффективно два параллельных провода, проходящие через магнитное поле. Один из них отводит электрический ток от нас по проводам, а другой один возвращает ток обратно. Поскольку ток течет в в противоположных направлениях проводов, Правило левой руки Флеминга говорит нам о том, что два провода будут двигаться в противоположных направлениях. Другими словами, когда мы включите электричество, один из проводов двинется вверх и другой будет двигаться вниз.

Если бы катушка с проволокой могла продолжать двигаться вот так, она бы вращалась. непрерывно — и мы будем на пути к созданию электрического мотор. Но этого не может произойти с нашей нынешней настройкой: провода будут быстро запутаться. Не только это, но если бы катушка могла вращаться далеко хватит, что-нибудь еще случится. Как только катушка достигла вертикали положение, он перевернется, и электрический ток будет течь через него в противоположном направлении. Теперь силы на каждого сторона катушки перевернется.Вместо непрерывного вращения в в том же направлении, он пойдет обратно в том же направлении, в котором только что пришел! Представьте себе электропоезд с таким двигателем: он будет держать перетасовки назад и вперед на месте, даже не идя в любом месте.

Как работает электродвигатель — на практике

Есть два способа решить эту проблему. Один из них — использовать своего рода электрический ток, который периодически меняет направление, что известно как переменный ток (AC). В виде небольших батарейных двигатели, которые мы используем дома, лучшее решение — добавить компонент назвал коммутатором концы катушки.(Не беспокойтесь о бессмысленных технических имя: это немного старомодное слово «коммутация» немного похоже на слово «добираться до работы». Это просто означает изменение взад и вперед в одном и том же путь, который ездит на работу, означает путешествовать туда и обратно.) В своей простейшей форме Коммутатор представляет собой металлическое кольцо, разделенное на две отдельные половины и его задача — реверсировать электрический ток в катушке каждый раз, когда катушка вращается на пол-оборота. Один конец катушки прикреплен к каждая половина коммутатора. Электрический ток от аккумулятора подключается к электрическим клеммам двигателя.Они подают электроэнергию в коммутатор через пару незакрепленных разъемы, называемые щетками, сделал либо из кусочков графита (мягкий уголь, похожий на карандаш «свинец») или тонкие отрезки упругого металла, который (как название предполагает) «задела» коммутатор. С коммутатор на месте, когда электричество течет по цепи, катушка будет постоянно вращаться в одном и том же направлении.

Художественное произведение: упрощенная схема деталей в электрическом мотор. Анимация: как это работает на практике.Обратите внимание, как коммутатор меняет направление тока каждый раз, когда катушка поворачивается. наполовину. Это означает, что сила на каждой стороне катушки всегда толкая в том же направлении, что позволяет катушке вращаться по часовой стрелке.

Такой простой экспериментальный двигатель, как этот, не может большая мощность. Мы можем увеличить усилие поворота (или крутящий момент) что двигатель может творить тремя способами: либо у нас может быть больше мощный постоянный магнит, или мы можем увеличить электрический ток протекает через провод, или мы можем сделать катушку так, чтобы в ней было много «витки» (петли) очень тонкой проволоки вместо одного «витка» толстой проволоки.На практике двигатель также имеет постоянный магнит, изогнутый в круглой формы, так что он почти касается катушки с проволокой, которая вращается внутри него. Чем ближе друг к другу магнит и катушка, тем большее усилие, которое может создать двигатель.

Несмотря на то, что мы описали ряд различных частей, вы можете представить двигатель как имеющий всего два основных компонента:

• По краю корпуса двигателя находится постоянный магнит (или магниты), который остается статичным, поэтому его называют статором двигателя.
• Внутри статора находится катушка, установленная на оси, которая вращается с высокой скоростью — и это называется ротором. Ротор также включает в себя коммутатор.

Универсальные двигатели

Такие двигатели постоянного тока

отлично подходят для игрушек с батарейным питанием (таких как модели поездов, радиоуправляемые автомобили или электробритвы), но вы не найдете их во многих бытовых приборах. Мелкие бытовые приборы (например, кофемолки или электрические блендеры) обычно используют так называемые универсальные двигатели , которые могут работать от переменного или постоянного тока.В отличие от простого двигателя постоянного тока, универсальный двигатель имеет электромагнит вместо постоянного магнита, и он получает питание от источника постоянного или переменного тока, который вы питаете:

• Когда вы питаетесь постоянным током, электромагнит работает как обычный постоянный магнит и создает магнитное поле, которое всегда направлено в одном направлении. Коммутатор меняет направление тока катушки каждый раз, когда катушка переворачивается, как в простом двигателе постоянного тока, поэтому катушка всегда вращается в одном и том же направлении.
• Однако, когда вы подаете переменный ток, ток, протекающий через электромагнит, и ток, протекающий через катушку , оба, , меняют направление, точно синхронно, поэтому сила на катушке всегда в одном направлении, а двигатель всегда вращается по часовой стрелке. или против часовой стрелки.А как насчет коммутатора? Частота тока изменяется намного быстрее, чем вращается двигатель, и, поскольку поле и ток всегда синхронизированы, на самом деле не имеет значения, в каком положении находится коммутатор в любой данный момент.

Анимация: Как работает универсальный двигатель: Электроснабжение питает как магнитное поле, так и вращающуюся катушку. С источником постоянного тока универсальный двигатель работает так же, как и обычный двигатель постоянного тока, как указано выше. При питании от сети переменного тока и магнитное поле, и ток в катушке меняют направление каждый раз, когда ток питания меняется на противоположное.Это означает, что сила на катушке всегда направлена ​​в одну сторону.

Фото: Внутри типичного универсального двигателя: основные части внутри среднего двигателя от кофемолки, которая может работать как от постоянного, так и от переменного тока. Серый электромагнит по краю — это статор (статическая часть), и он питается от катушек оранжевого цвета. Обратите внимание на прорези в коллекторе и прижимающиеся к нему угольные щетки, которые обеспечивают питание ротора (вращающейся части). Асинхронные двигатели в таких устройствах, как электрические железнодорожные поезда, во много раз больше и мощнее этого, и всегда работают с использованием переменного тока высокого напряжения (AC) вместо постоянного тока низкого напряжения (DC) или переменного тока умеренно низкого напряжения в домашних условиях. который приводит в действие универсальные двигатели.

Электродвигатели прочие

В простых двигателях постоянного тока и универсальных двигателях ротор вращается внутри статора. Ротор представляет собой катушку, подключенную к источнику электропитания, а статор представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Большие двигатели переменного тока (используемые в таких вещах, как заводские машины) работают немного по-другому: они пропускают переменный ток через противоположные пары магнитов, чтобы создать вращающееся магнитное поле, которое «индуцирует» (создает) магнитное поле в роторе двигателя, вызывая это вращаться.Подробнее об этом вы можете прочитать в нашей статье об асинхронных двигателях переменного тока. Если вы возьмете один из этих асинхронных двигателей и «развернете» его так, чтобы статор фактически превратился в длинную непрерывную дорожку, ротор может катиться по нему по прямой. Эта гениальная конструкция известна как линейный двигатель, и вы найдете ее в таких вещах, как заводские машины и плавучие железные дороги «маглев» (магнитная левитация).

Еще одна интересная конструкция — бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC). Статор и ротор эффективно меняются местами, при этом несколько железных катушек статичны в центре и постоянный магнит вращается вокруг них, а коммутатор и щетки заменяются электронной схемой.Вы можете прочитать больше в нашей основной статье о мотор-редукторах. Шаговые двигатели, которые вращаются на точно контролируемые углы, представляют собой разновидность бесщеточных двигателей постоянного тока.

Электродвигатели

Что внутри электродвигателя?

Катушка ротора

Катушка сделана из медной проволоки, потому что медь — отличный проводник. Он наматывается на арматуру. Катушка становится электромагнитом, когда через нее протекает ток.

Арматура

Якорь поддерживает катушку и может помочь сделать электромагнит сильнее.Это делает мотор более эффективным.

Постоянные магниты

Есть два постоянных магнита. Они создают постоянное магнитное поле, так что катушка будет вращаться, когда в ней протекает ток.

Некоторые двигатели имеют электромагниты вместо постоянных магнитов (Рисунок 9). Они сделаны из большего количества катушек медной проволоки.

Коммутатор

Каждый конец катушки подключен к одной из двух половин коммутатора. Коммутатор меняет местами контакты каждые пол-оборота.Ротор на Рисунке 8 имеет две катушки, поэтому для него необходимы четыре сегмента коммутатора.

Щетки

Щетки давят на коммутатор. Они поддерживают контакт с коммутатором, даже если он вращается. Ток течет в двигатель и выходит через щетки. В настоящих двигателях щетки сделаны из угля.

S тележка

Каркас из магнитного материала связывает два постоянных магнита и, по сути, превращает их в один подковообразный магнит.

Рисунок 6: Детали модели двигателя постоянного тока. Двигатели постоянного тока с питанием от низковольтных батарей приводят в движение моторизованные игрушки. Их легко разобрать. Вы можете обнаружить, что они используют несколько катушек и имеют соответствующий многосегментный коммутатор.

Рисунок 7 — Простой двухполюсный двигатель постоянного тока (один N и один S).

Почему он поворачивается?

На странице, посвященной электромагнитам, показано, как катушка с проволокой становится магнитом, когда через нее протекает электрический ток.Катушка двигателя, намотанная на якорь, становится электромагнитом, но электромагнит находится внутри второго постоянного магнитного поля. Эти поля взаимодействуют как два стержневых магнита. Результатом является притяжение или отталкивание, в зависимости от текущего направления. Ток течет в одном направлении справа от катушки и в противоположном направлении слева.

Сила, действующая на провод, направлена ​​под прямым углом к ​​магнитному полю, а также под прямым углом к ​​току. Это называется моторным эффектом.Правило Флеминга использует ваши пальцы, расположенные под прямым углом друг к другу, чтобы предсказать силу, действующую на провод в магнитном поле. Для моторов вы используете левую руку.

См. Рис. 7. Когда ток включен, он течет в направлении зеленой стрелки и вызывает восходящую силу. Попытайтесь сопоставить схему левой рукой. Поскольку он течет обратно вниз с другой стороны в противоположном направлении, он вызывает силу, направленную вниз. Двигайте рукой, чтобы соответствовать этому направлению. Силы объединяются, чтобы вращать катушку.

Это может работать только на пол-оборота. Разъем с разрезным кольцом, называемый коммутатором, меняет местами соединения, чтобы можно было начать следующую половину оборота. Это происходит на каждые пол-оборота, поэтому двигатель вращается. Электрический ток через щетки подается в катушку.

Так работает электродвигатель постоянного тока. Электродвигатели переменного тока более сложны, но по-прежнему действует правило Флеминга.

Электродвигатель — Energy Education

Рисунок 1. Электродвигатель от старого пылесоса. ^[1] Рисунок 2. Электрический ротор. ^[2]

Электродвигатель — это устройство, используемое для преобразования электричества в механическую энергию, противоположное электрическому генератору. Они работают с использованием принципов электромагнетизма, которые показывают, что сила прилагается, когда электрический ток присутствует в магнитном поле. Эта сила создает крутящий момент на проволочной петле, присутствующей в магнитном поле, которая заставляет двигатель вращаться и выполнять полезную работу. Двигатели используются в широком спектре приложений, таких как вентиляторы, электроинструменты, бытовая техника, электромобили и гибридные автомобили.

Как они работают

У двигателей

есть много разных рабочих частей, чтобы они постоянно вращались, обеспечивая необходимую мощность. Двигатели могут работать от постоянного (DC) или переменного (AC) тока, и оба имеют свои преимущества и недостатки. Для целей этой статьи будет проанализирован двигатель постоянного тока, чтобы прочитать о двигателях переменного тока, нажмите здесь.

Основные части двигателя постоянного тока включают: ^[3]

• Статор: Неподвижная часть двигателя, а именно магнит.Электромагниты часто используются для увеличения мощности.

• Ротор: Катушка, которая установлена ​​на оси и вращается с высокой скоростью, обеспечивая систему вращательной механической энергией.

• Коммутатор: Этот компонент является ключевым в двигателях постоянного тока, и его можно увидеть на рисунках 3 и 4. Без него ротор не смог бы вращаться непрерывно из-за противодействующих сил, создаваемых изменяющимся током. Коммутатор позволяет ротору вращаться, меняя направление тока каждый раз, когда катушка делает пол-оборота.

• Щетки: Они подключаются к клеммам источника питания, позволяя электроэнергии течь в коммутатор.

• Двигатель постоянного тока

• Рисунок 3: Базовая установка двигателя постоянного тока. ^[3]

• Рисунок 4: Анимация двигателя в действии. Коммутатор вращается, чтобы ротор вращался непрерывно. ^[3]

Список литературы

Как сделать простой электродвигатель | Научный проект

• D аккумулятор
• Изолированный провод 22G
• 2 большие глаза, длинные металлические швейные иглы (глаза должны быть достаточно большими, чтобы пропустить проволоку)
• Глина для лепки
• Изолента
• Нож хобби
• Маленький круглый магнит
• Тонкий маркер

1. Начиная с центра проволоки, плотно и аккуратно оберните ее вокруг маркера 30 раз.
2. Сдвиньте сделанную катушку с маркера.
3. Оберните каждый свободный конец провода вокруг катушки несколько раз, чтобы удерживать их вместе, затем направьте провода в сторону от петли, как показано:

Что это? Какова его цель?

4. Попросите взрослого использовать нож для хобби, чтобы помочь вам удалить верхнюю половину изоляции провода с каждого свободного конца катушки. Оголенный провод должен быть направлен в одном направлении с обеих сторон. Как вы думаете, почему половина провода должна оставаться изолированной?

5. Проденьте каждый свободный конец проволочной катушки через большое игольное ушко. Старайтесь, чтобы катушка была как можно более прямой, не загибая концы проволоки.

6. Положите аккумулятор D боком на плоскую поверхность.
7. Приклейте немного пластилина с обеих сторон аккумулятора, чтобы он не скатился.
8. Возьмите 2 маленьких шарика пластилина и прикройте острые концы иглы.
9. Поместите иглы вертикально рядом с выводами каждой батареи так, чтобы сторона каждой иглы касалась одного вывода батареи.

10. Закрепите иглы на концах батареи изолентой. Ваша катушка должна висеть над батареей.
11. Приклейте небольшой магнит к боковой стороне батареи так, чтобы он располагался по центру под катушкой.

12. Покрутите катушку. Что происходит? Что происходит, когда вы вращаете катушку в другом направлении? Что произойдет с большим магнитом? Батарея побольше? Более толстая проволока?

Двигатель будет продолжать вращаться, если его толкнуть в правильном направлении.Мотор не будет вращаться, если первоначальный толчок будет в противоположном направлении.

Металл, иглы и проволока создали замкнутый контур , контур , который может проводить ток. Ток течет от отрицательной клеммы батареи через цепь к положительной клемме батареи. Ток в замкнутом контуре также создает собственное магнитное поле , которое вы можете определить с помощью «правила правой руки». Поднимая правой рукой знак «большой палец вверх», большой палец указывает в направлении тока, а изгиб пальцев показывает, в какую сторону ориентировано магнитное поле.

В нашем случае ток проходит через созданную вами катушку, которая называется якорем двигателя. Этот ток индуцирует магнитное поле в катушке, что помогает объяснить, почему катушка вращается.

Магниты имеют два полюса, северный и южный. Взаимодействия север-юг держатся вместе, а взаимодействия север-север и юг-юг отталкивают друг друга. Поскольку магнитное поле, создаваемое током в проводе, не перпендикулярно магниту, прикрепленному лентой к батарее, по крайней мере, некоторая часть магнитного поля провода будет отталкиваться и заставит катушку продолжать вращаться.

Так почему нам нужно было снимать изоляцию только с одной стороны каждого провода? Нам нужен способ периодически размыкать цепь, чтобы она включалась и выключалась синхронно с вращением катушки. В противном случае магнитное поле медной катушки выровнялось бы с магнитным полем магнита и перестанет двигаться, потому что оба поля будут притягиваться друг к другу. Способ, которым мы настраиваем наш двигатель, делает так, что всякий раз, когда ток проходит через катушку (придавая ей магнитное поле), катушка находится в хорошем положении, чтобы ее оттолкнуло магнитное поле неподвижного магнита.Всякий раз, когда катушка не отталкивается активно (в те доли секунды, когда цепь отключена), импульс переносит ее, пока она не окажется в правильном положении, чтобы замкнуть цепь, вызвать новое магнитное поле и оттолкнуть неподвижный снова магнит.

После движения катушка может продолжать вращаться, пока батарея не разрядится. Причина того, что магнит вращается только в одном направлении, заключается в том, что вращение в неправильном направлении не заставит магнитные поля отталкивать друг друга, а притягиваться.

Заявление об отказе от ответственности и меры предосторожности

Education.com предоставляет идеи проекта Science Fair для информационных целей. только для целей. Education.com не дает никаких гарантий или заверений относительно идей проектов Science Fair и не несет ответственности за любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких Информация. Получая доступ к идеям проекта Science Fair, вы отказываетесь от отказаться от любых претензий к Education.com, которые возникают из-за этого. Кроме того, ваш доступ к веб-сайту Education.com и идеям проектов Science Fair покрывается Политика конфиденциальности Education.com и Условия использования сайта, которые включают ограничения об ответственности Education.com.

Настоящим дается предупреждение, что не все идеи проекта подходят для всех индивидуально или при любых обстоятельствах. Реализация идеи любого научного проекта должны проводиться только в соответствующих условиях и с соответствующими родительскими или другой надзор.Прочтите и соблюдайте правила техники безопасности всех Материалы, используемые в проекте, являются исключительной ответственностью каждого человека. Для Для получения дополнительной информации обратитесь к справочнику по научной безопасности вашего штата.

Институт — История — Изобретение электродвигателя 1800-1854

Унив. Проф. Д-р инж. Мартин Доппельбауэр

Сводка

С изобретением батареи (Алессандро Вольта, 1800 г.), генерации магнитного поля из электрического тока (Ганс Кристиан Эрстед, 1820 г.) и электромагнита (Уильям Стерджен, 1825 г.) был заложен фундамент для создания электродвигателей.В то время еще оставалось открытым вопрос, должны ли электродвигатели быть вращающимися или возвратно-поступательными машинами, то есть имитировать шток плунжера паровой машины.

Во всем мире многие изобретатели работали параллельно над этой задачей — это была проблема «моды». Новые явления открывались почти ежедневно. Изобретения в области электротехники и ее приложений витали в воздухе.

Часто изобретатели ничего не знали друг о друге и самостоятельно разрабатывали подобные решения.Соответствующим образом формируются национальные истории до наших дней. Ниже приводится попытка дать исчерпывающую и нейтральную картину.

Первое вращающееся устройство, приводимое в движение электромагнетизмом, было построено англичанином Питером Барлоу в 1822 году (Колесо Барлоу).

После многих других более или менее успешных попыток с относительно слабым вращающимся и возвратно-поступательным устройством немецкоязычный прусский Мориц Якоби в мае 1834 года создал первый настоящий вращающийся электродвигатель , который действительно развил замечательную механическую выходную мощность.Его мотор установил мировой рекорд, который был улучшен только четыре года спустя, в сентябре 1838 года, самим Якоби. Его второй мотор был достаточно мощным, чтобы переправить лодку с 14 людьми через широкую реку. Лишь в 1839/40 году другим разработчикам во всем мире удалось создать двигатели с аналогичными, а затем и с более высокими характеристиками.

Уже в 1833 году немец Генрих Фридрих Эмиль Ленц опубликовал статью о законе взаимности магнитоэлектрических и электромагнитных явлений, т.е.е. обратимость электрогенератора и двигателя . В 1838 году он дал подробное описание своих экспериментов с генератором Pixii, который он использовал в качестве двигателя.

В 1835 году двое голландцев Сибрандус Стратинг и Кристофер Беккер построили электродвигатель, который приводил в движение небольшую модель автомобиля. Это первое известное практическое применение электродвигателя. В феврале 1837 года первый патент на электродвигатель был выдан американцу Томасу Дэвенпорту.

Однако все ранние разработки Якоби, Стратинга, Давенпорта и других в конечном итоге не привели к электродвигателям, которые мы знаем сегодня.

Электродвигатель постоянного тока был создан не на основе этих двигателей, а скорее при разработке генераторов энергии (динамометров). Основы были заложены Уильямом Ричи и Ипполитом Пикси в 1832 году с изобретением коммутатора и, что наиболее важно, Вернером Сименсом в 1856 году с двойным Т-образным якорем и его главным инженером Фридрихом Хефнер-Альтенеком в 1872 году с помощью барабанная арматура. Двигатели постоянного тока по-прежнему занимают доминирующее положение на рынке в диапазоне малой мощности (ниже 1 кВт) и низкого напряжения (ниже 60 В).

В период с 1885 по 1889 год была изобретена трехфазная электроэнергетическая система , которая является основой для современной передачи электроэнергии и современных электродвигателей. Единого изобретателя трехфазной системы питания назвать нельзя. Есть несколько более или менее известных имен, которые принимали активное участие в изобретениях (Брэдли, Доливо-Добровольский, Феррарис, Хазельвандер, Тесла и Венстрём). Сегодня трехфазный синхронный двигатель используется в основном в высокодинамичных приложениях (например, в роботах) и в электромобилях.Впервые он был разработан Фридрихом Августом Хазельвандером в 1887 году.

Очень успешный асинхронный двигатель с трехфазным ротором был построен первым Михаилом Доливо-Добровольским в 1889 году. Сегодня это наиболее часто производимая машина в диапазоне мощностей от 1 кВт и выше.

Расписание 1800 — 1834: Первые эксперименты с электромагнитными устройствами

1800	Впервые Allessandro Volta (итальянский) производит непрерывную электрическую энергию (в отличие от искры или статического электричества) из набора серебряных и цинковых пластин.
1820	Ганс Христиан Эрстед (Дениш) обнаруживает генерацию магнитного поля электрическими токами, наблюдая за отклонением стрелки компаса. Это был первый случай, когда механическое движение было вызвано электрическим током.
1820	Андре-Мари Ампер (французский язык) изобретает цилиндрическую катушку (соленоид).

1821	Майкл Фарадей (британский) создает два эксперимента для демонстрации электромагнитного вращения. Вертикально подвешенный провод движется по круговой орбите вокруг магнита.	Вращающийся провод Фарадея, 1821 Фотография любезно предоставлена ​​Отделом труда и промышленности Национального музея американской истории, Смитсоновский институт
1822	Питер Барлоу (Великобритания) изобретает прялку (колесо Барлоу = униполярная машина).	Колесо Барлоу, 1822 Philosophical Magazine, 1822, vol. 59
1825–1826	William Sturgeon (Великобритания) изобретает электромагнит , катушку проводов с железным сердечником для усиления магнитного поля.	Первый электромагнит Стерджена, 1825 г. Труды Общества поощрения художеств, мануфактур и торговли, 1824 г., т.43, пл. 3
1827-1828	Istvan (Ányos) Jedlik (венгерский) изобретает первую роторную машину с электромагнитами и коммутатором. Однако Джедлик публично сообщил о своем изобретении только десятилетия спустя, и фактическая дата изобретения неизвестна. До сих пор многие венгры считают, что Едлик изобрел электродвигатели. Функциональная модель его аппарата выставлена ​​в художественном музее в Будапеште. Хотя на самом деле это может быть первый электродвигатель, следует понимать, что это устройство не оказало влияния на дальнейшее развитие электрических машин. Изобретение Джедлика долгое время оставалось скрытым, и изобретатель не преследовал его. Электротехника ничем не обязана Джедлику.	Поворотное устройство Jedlik, 1827/28 Фото: Wikipedia Электромобиль Jedlik, 1827/28 Фото: Wikipedia
перед 1830	Иоганн Михаэль Эклинг, механик из Вены, строит двигатель по планам и идеям проф.Андреас фон Баумгартнер (австрийский физик; с 1823 г. профессор физики и прикладной математики в Вене). Этот аппарат был приобретен в 1830 году Инсбрукским университетом по цене 50 жидких кубометров. Год постройки неизвестен, но должно быть до 1830 года, поскольку дата покупки подтверждена.	Двигатель Баумгартнера, построенный Эклингом до 1830 г. Фотография любезно предоставлена ​​Университетом Инсбрука, Музей экспериментальной физики, Ao.Univ. Проф. Маг. Доктор Армин Денот.

1831	Майкл Фарадей (Великобритания) обнаруживает и исследует электромагнитную индукцию, то есть генерацию электрического тока из-за переменного магнитного поля (инверсия открытия Эрстеда). Фарадей закладывает основу для развития электрогенератора.

1831	Джозеф Генри (американец) находит, что закон индукции не зависит от Фарадея, и строит небольшой магнитный рокер.Он описывает это как «философскую игрушку». В статье для английского журнала Philosophical Magazine, в 1838 году англичанин Ф. Уоткинс подробно описывает устройство Генри и называет его первым электродвигателем, когда-либо известным. Эта точка зрения распространяется и по сей день в основном на британскую литературу.	Магнитный рокер Генри, 1831 Американский журнал науки, 1831, т. 20, стр. 342
апрель 1832	Savatore dal Negro (итальянский) создает устройство, которое может поднять 60 граммов за одну секунду на 5 сантиметров и, следовательно, развивает механическую мощность почти 30 мВт. Вероятно, он был вдохновлен магнитным рокером Генри и создал аналогичную возвратно-поступательную машину. Однако устройство Даль Негро может производить движение с помощью специальной передачи. Даль Негро описывает свои эксперименты в письме от апреля 1832 года, а затем в научной статье « Nuova Macchina élettro-Magnetica » в марте 1834 года. Его устройства хранятся в Музее истории физики при университете Падуи. К сожалению, они не отображаются.	Электромагнитный маятник Даль Негро, 1832 Annali delle Scienze de Regno Lombardo-Veneto, März 1834, pl. 4
июль 1832	Первое публичное описание вращающейся электрической машины . Автор — анонимный писатель с инициалами П.М. Теперь его с большой вероятностью опознали как ирландца Фредерика Мак-Клинтока из Дублина. Майкл Фарадей, получатель письма 26 июля 1832 г., немедленно его публикует. Впервые публично описана вращающаяся электрическая машина.	Первое описание вращающейся электрической машины П.М., 1832 г. Philosophical Magazine, 1832, стр. 161–162
июль 1832	Hippolyte Pixii (французский язык) создает первое устройство для генерации переменного тока из вращения. Устройство было публично представлено в сентябре 1832 года на заседании Академии наук . Его описание напечатано уже в июльском номере Annales de Chimie . Pixii улучшил свое устройство в том же году, добавив переключающее устройство. Теперь он может производить пульсирующий постоянный ток.	Первый генератор постоянного тока Pixii, 1832/33 F.Niethammer, Ein- und Mehrphasen-Wechsel-strom-Erzeuger, Verlag S. Hirzel, Leipzig 1906
1832	Уильям Ритчи (британский) сообщил в марте 1833 года об устройстве, которое он, по его утверждениям, построил уже девятью месяцами ранее, летом 1832 года. Это вращающийся электромагнитный генератор с четырьмя катушками ротора, коммутатором и щетками. Ричи считается изобретателем коммутатора. В конце своей статьи Ричи описывает, как он смог вращать электрический магнит, используя магнитное поле Земли. Он мог поднять вес на несколько унций (50-100 грамм). Коммутация производилась двумя концами провода, которые входили в два полукруглых желоба с ртутью.	Первый генератор постоянного тока с коммутатором, 1832/33 Вращающаяся катушка Ричи, 1833 Philosophical Trans.Лондонского королевского общества, 1833, Vol. 132, стр.316, пл.7
янв 1833	A Доктор Шультесс читает лекцию в Обществе инженеров в Цюрихе в 1832 году, в которой описывает свои идеи электродвигателя. В январе 1833 года он успешно продемонстрировал машину перед тем же цюрихским обществом. Более подробная информация отсутствует.
Март 1833	Осенью 1832 года William Sturgeon конструирует вращающееся электрическое устройство, которое он публично демонстрирует в марте 1833 года в Лондоне. Как и в случае с Джедликом, нет никаких определенных доказательств даты и деталей его строительства. Осетр сообщил об этом изобретении в 1836 году в первом выпуске своего собственного журнала.	Ротационное устройство Осетровых, 1832 Осетровые Летопись Электричества, 1836/37, т. 1

декабрь 1833

В первые годы развития электротехники проводилось строгое различие между магнитно-электрическими машинами, т.е.е. электрические генераторы и электромагнитные машины, то есть электродвигатели. Генрих Фридрих Эмиль Ленц (немецкий) обнаружил « закон взаимности магнитоэлектрических и электромагнитных явлений », то есть обратимость электрического генератора и двигателя. Его научный текст читается в конце 1833 года в Петербургской Академии наук и опубликован в 1834 году в журнале Поггендорфа Annalen der Physik und Chemie .Его идеи постепенно становятся обычным явлением, особенно в 1838 году после нескольких сообщений об успешных экспериментах по обращению. Иногда утверждают, что принцип обращения был открыт в 1861 году итальянцем Пачинотти или даже только в 1873 году случайно на Всемирной выставке в Вене. Оба утверждения ложны. Эмиль Ленц широко сообщил еще в 1838 году в «Annalen der Physik und Chemie » Поггендорфа, как он использовал генератор Pixii в качестве двигателя.

июль 1834	Джузеппе Доменико Ботто (итальянец), профессор физики из Турина, в июле 1834 года публикует в женевском журнале Bibliotheque Universelle описание электродвигателя, над которым он работает. Его устройство соответствует метроному (похожему на конструкции Генри и Даль Негро), действующему на маятник с помощью двух электромагнитов.Вращательное движение создается штоком поршня. Точная копия устройства сейчас выставлена ​​в Museo Galileo во Флоренции.	Роторная машина Ботто, июль 1834 г. (реконструкция) Фото любезно предоставлено Museo Galileo, Флоренция

Расписание 1834 — 1837: Первые настоящие электродвигатели

Май 1834	Мориц Херманн Якоби (немецкоязычный прусский, натурализованный русский) начинается с экспериментов над подковообразным электромагнитом в начале 1833 года в Кенигсберге (тогда Пруссия, ныне Россия).В январе 1834 года он пишет в письме Поггендорфу, редактору журнала Annalen der Physik und Chemie , о своих успехах. Он переходит к созданию электродвигателя, которое он завершает в мае 1834 года. Его двигатель поднимает вес от 10 до 12 фунтов со скоростью один фут в секунду, что эквивалентно примерно 15 ваттам механической мощности. В ноябре 1834 года он отправляет отчет Академии наук в Париже и публикует подробные научные мемуары весной 1835 года.Позже за эту работу он получил звание почетного доктора факультета Кенигсбергского университета. Его текст разделен на 23 раздела и был расширен в 1837 году еще на 15 разделов. Якоби прямо заявил в меморандуме 1835 года, что он не единственный изобретатель электромагнитного двигателя. Он указывает на приоритет изобретений Ботто и Даль Негро. Однако Якоби, несомненно, был первым, кто создал пригодный для использования вращающийся электродвигатель. Полнофункциональная копия его двигателя выставлена ​​в Институте электротехники (ETI) Технологического института Карлсруэ (KIT) по адресу Engelbert-Arnold-Strasse 5 (Building 11.10) в Карлсруэ, Германия.	Первый настоящий электродвигатель Мориц Якоби, Кенигсберг, май 1834 г.
Октябрь 1834	Американец T. Edmundson создает электромагнитное вращающееся устройство, напоминающее водяное колесо.	Электромагнитное колесо Эдмундсона Американский журнал науки, 1834, т. 26, стр. 205
1834-1835	В декабре 1833 года кузнец Томас Дэвенпорт (американец) покупает соленоид непосредственно у Джозефа Генри и начинает эксперименты вместе с Orange Smalley (американец) в мастерской в ​​Форестдейле, штат Вермонт. В июле 1834 года двое мужчин создают свою первую роторную машину. Они улучшают устройство в несколько этапов, прежде чем впервые публично продемонстрировать его в декабре 1834 года. В следующем году Давенпорт отделяется от Смолли. Летом 1835 года Давенпорт едет в Вашингтон, округ Колумбия, чтобы продемонстрировать свою машину в патентном бюро и зарегистрировать ее. Однако из-за отсутствия денег ему приходится безуспешно возвращаться домой.	Первый двигатель Давенпорта из его первой заявки на патент в июне 1835 года
август 1835	Фрэнсис Уоткинс (британец) создает электрическую «игрушку», с помощью которой он может приводить во вращение несколько магнитных игл. Он описывает устройство в статье для журнала Philosophical Magazine . Он признается, что его вдохновила электромагнитная машина (генератор) Джозефа Сакстона, которая выставлена ​​в публичной галерее в Лондоне с августа 1833 года. Watkins можно считать одним из первых, кто понял принцип реверсирования двигателя и генератора.	Игрушка Ваткина, 1835 Philosophical Magazine , 1835, т. 7, стр. 112
1835	Sibrandus Stratingh и Christopher Becker (голландский) создают небольшой (30 x 25 см) трехколесный автомобиль с электрическим приводом и весом около 3 кг.Он может проехать по столу от 15 до 20 минут, пока батарея не разрядится. Stratingh и Becker публикуют отчет о своем успехе в том же году. Стратинг знал работу Якоби и в 1840 году хотел построить настоящий электромобиль, но ему это так и не удалось.	Электромодель Стрейтинга и Беккера, 1835 год

май 1836

Johann Philipp Wagner (немецкий) представляет электродвигатель на Stiftungsfest из Sencken-bergischen naturforschenden Gesellschaft .Его аппарат похож на устройство, созданное Стратингом и Беккером. Он может работать около 10 минут, пока батарея не разрядится. Вагнер хранит свою конструкцию в секрете, поэтому есть отчеты о демонстрации, но нет чертежей машины. В последующие годы Вагнер продолжает развивать свой двигатель и публично демонстрирует улучшенные версии.

1836 1837	Давенпорт продолжает совершенствовать свои устройства.В 1836 году он находит нового партнера в лице Ransom Cook и переезжает в Саратога-Спрингс, штат Нью-Йорк, для дальнейшего развития своих двигателей. С помощью Кука он строит модель патентного бюро. 24 января 1837 года Давенпорт подает в Вашингтон свое предостережение, а 5 февраля 1837 года он получает первый в США патент на электродвигатель: « Улучшение силового механизма с помощью магнетизма и электромагнетизма ». Его модель двигателя сейчас выставлена ​​в Смитсоновском институте в Вашингтоне, округ Колумбия. В запатентованной конструкции Davenport используются четыре вращающихся электромагнита, которые переключаются с помощью коммутатора, и постоянные постоянные магниты в форме кольца, сделанные из мягкого железа. Усовершенствованный двигатель, который он представляет в августе 1837 года, имеет диаметр 6 дюймов, вращается со скоростью около 1000 оборотов в минуту и ​​может поднять 200-фунтовый груз на один фут за одну минуту. Это соответствует мощности 4,5 Вт. Давенпорт в последующие годы постоянно совершенствовал свои конструкции. Вместе с Эдвином Уильямсом из Нью-Йорка и его партнером Рэнсомом Куком Давенпорт 3 марта 1837 года формирует объединенную акционерную ассоциацию. Однако Уильямс не может продать достаточно акций, и все предприятие рушится всего через год .	Запатентованный двигатель Давенпорта, февраль 1837 г.

Томас Дэвенпорт — Изобретатель электродвигателя?

Есть несколько текстов пафоса в американо-американской литературе, в которых Томас Дэвенпорт прославляется как изобретатель электродвигателя.Это утверждение основано на бесспорном факте, что Давенпорт был первым американцем, который создал пригодный для использования электродвигатель, а также первым, кто получил патент на такое устройство в начале 1837 года.

Однако

Davenport был далеко не первым, кто построил электродвигатель. В Европе (особенно в Англии, Италии и Пруссии) технологии были уже значительно продвинуты. Уже летом 1834 года, за три года до патента, Мориц Якоби представил двигатель, который был в три раза мощнее усовершенствованной машины, которую Давенпорт разработал через несколько месяцев после подачи заявки на патент.Вдобавок мотор Давенпорта работал быстрее, чем у Якоби. Таким образом, выходной крутящий момент двигателя Давенпорта, решающий фактор при сравнении электрических машин, составлял лишь около одной десятой от конструкции Якоби, разработанной тремя годами ранее.

В 1835 году, вскоре после появления двигателя Якоби, двое голландцев Стрейтинг и Беккер уже представили первое практическое применение, управляя небольшой электромобилем.

За годы, прошедшие после патента Давенпорта, продвижение Якоби практически не уменьшилось.В то же время, когда Якоби продемонстрировал свою следующую машину осенью 1838 года, двигатель, который имел выходную мощность 300 Вт и мог вести лодку с 14 людьми через широкую реку, Давенпорт показал крошечную модель поезда.

Мотор

Давенпорта не примечателен в историческом контексте. Его конструкция не является существенным улучшением других современных конструкций.

За прошедшие годы Давенпорт произвел большое количество машин.Но в отличие от Вернера Сименса, Джорджа Вестингауза и Томаса Эдисона он не был основателем важной компании. И в отличие от Николы Теслы, например, Томас Давенпорт никогда не мог продать или лицензировать свой патент.

Davenport не получил патент на электродвигатель как таковой, а только на его особые конструктивные особенности. В период с 1837 по 1866 год только в Англии другим изобретателям было выдано около 100 патентов на электродвигатели. После того, как Давенпорт модернизировал свой двигатель уже в 1837 году, его патент стал практически бесполезным.

Davenport — это честь быть первым из тысяч инженеров, получивших патент на электродвигатель. Но он не является их изобретателем, и его разработки не оказали сколько-нибудь значительного влияния на дальнейшее развитие электродвигателей.

Расписание 1838 — 1854: более мощные двигатели, новые применения

февр. 1838	Уоткинс публикует обширную статью в журнале Philosophical Magazine , где представляет свой двигатель.	Двигатель Уоткина, февраль 1838 г. Philosophical Magazine, 1838 г., т. 12, пл. 4
Август 1838 г.	В августе 1838 года в Лондоне выставлена ​​крошечная модель поезда с одним из двигателей Davenport . Он движется со скоростью 3 мили в час.	Модель поезда Давенпорта, 1838 Фото любезно предоставлено Отделом труда и промышленности Национального музея американской истории Смитсоновского института.
сен. 1838	Якоби переезжает в Санкт-Петербург в августе 1838 года по просьбе русского царя. Он был принят в Петербургскую Академию наук и щедро поддержан царем в его дальнейшей работе над электродвигателями. 13 сентября 1838 года Якоби впервые демонстрирует на Неве лодку с электрическим приводом и гребными колесами длиной около 8 м. Цинковые батареи имеют 320 пар пластин и весят 200 кг.Они размещены вдоль двух боковых стенок сосуда. Мотор развивает мощность от 1/5 до 1/4 л.с. (300 Вт), лодка движется со скоростью 2,5 км / ч по маршруту длиной 7,5 км. Он может перевозить более десятка пассажиров. Якоби целыми днями разъезжает по Неве. В современных газетных статьях говорится, что после двух-трех месяцев работы потребление цинка составило 24 фунта.	Улучшенный мотор Якоби, 1838
1838	Чарльз Г. Page (американец) начинает всю жизнь заниматься электромоторами. В течение следующих 20 лет Пейдж будет искать лучшие и более мощные машины. Его двигатели продавались по каталогам в США и достигли высокого уровня осведомленности общественности. В первые годы многие изобретатели электродвигателей имитировали паровые двигатели с качающимся (возвратно-поступательным) поршнем. Пейдж тоже строит такую ​​машину (см. Справа), но затем обращается к вращающимся устройствам.	Первый двигатель Пейджа, 1838 Американский журнал науки , 1838, т. 35, стр. 264

август 1839

8 августа г. Якоби испытывает усовершенствованный электродвигатель, механические характеристики которого в три-четыре раза превосходят его вторую машину 1838 года (около 1 кВт).Его лодка сейчас развивает скорость 4 км / ч. По словам Уильяма Роберта Гроува, ключевым фактором его успеха является улучшенная цинк-платиновая батарея, которую он сделал сам. В октябре 1841 года Якоби снова демонстрирует усовершенствованный двигатель, который, однако, лишь немного превосходит модель 1839 года. Это последний электродвигатель, построенный Якоби. Теперь он обращается к теории электродвигателей, а затем переходит к другим электрическим явлениям.

1837- 1842	Роберт Дэвидсон (Шотландия) также занимается разработкой электродвигателей с 1837 года.Сделал несколько приводов для токарного станка и модельных машин. В 1839 году Дэвидсон руководит постройкой первого автомобиля с электрическим приводом. В сентябре 1842 года он совершает пробные пробеги с 5-тонным локомотивом длиной 4,8 м на железнодорожной линии Эдинбург — Глазго. Его двигатель развивает около 1 л.с. (0,74 кВт) и развивает скорость 4 мили в час (6,4 км / ч).	Первый электровоз Дэвидсона, 1839 От Т.du Moncel, Электричество как движущая сила , Лондон, 1883 г., рис. 32

В последующие годы начинается поток патентов на электромагнитные машины — около 100 в одной только Англии с 1837 по 1866 год.

Среди изобретателей, занимающихся электродвигателями: Джеймс Джоуль (англ., 1838 г.), Уильям Тейлор (англ., 1838 г.), Урайа Кларк (1840 г.), Томас Райт (1840 г.), Уитстон (англ., 1841 г.) , де Гарлем (около 1841 г.), П.Элиас (американец, ок. 1842 г.), Дж. Фромент (франц., Ок. 1844 г.), Мозес Г. Фармер (американец, ок. 1846 г.), Г. К. Колтон (американец, род. 1847 г.), Хьорт (ок. 1849 г.), Томас Холл (американец в США, около 1850 г.), Т. К. Эйвери (около 1851 г.), Сорен Хьорт (датчанин, около 1851 г.), Дю Монсель (француз, около 1851 г.), Мари Дэви (француз, около 1855 г.), Пачинотти (Италия, около 1855 г.) 1861)
и другие.

Изначально идет соревнование между колебательными (возвратно-поступательными) и вращательными машинами. Позже колебательные машины полностью исчезают из поля зрения.

Основная проблема первых электродвигателей заключалась в том, что электрический ток от гальванических элементов (цинковых батарей) был слишком дорогим, чтобы конкурировать с паровыми двигателями. Р. Хант сообщил в 1850 году в журнале British Philosophical Magazine , что электроэнергия даже в самых лучших условиях в 25 раз дороже, чем паровой двигатель. Только с продолжающейся разработкой электрогенератора (динамо-машины) ситуация начинает меняться.

1840	18 января 1840 года выходит первое издание новой газеты Давенпорта, Electro Magnet and Mechanics Intelligencer . Печатный станок приводится в движение двумя собственными моторами. Моторы выдают якобы около 2 л.с., что составляет около 1,5 кВт.
1841- 1844	По инициативе Вагнера, Германская Конфедерация под руководством Пруссии, Баварии и Австрии устанавливает в 1841 году приз в 100000 гульденов за создание электрической машины, мощность которой дешевле, чем мощность лошади, пара или человека. мощность. Конечно, эта цена привлекает других изобретателей, которые параллельно с Вагнером начинают работать над электродвигателем. Среди них господин Карл Людвиг Althans из Бюкебурга недалеко от Миндена, Эмиль Stöhrer из Лейпцига, Эмиль Groos из Карлсруэ и Петер Bauer из Нюрнберга. В частности, в 1843 году Штёрер конструирует замечательную машину. При исследовании последней машины Вагнера в мае и июне 1844 г. во Франкфурте-на-Майне федеральная комиссия определила мощность всего в 50 Вт.Потребление цинка настолько велико, что лошадь, пар и рабочая сила значительно дешевле. Из-за этой неудачи Вагнеру отказывают в цене, и он впадает в немилость. Без мощного электрогенератора это соревнование невозможно было бы выиграть, и человечеству пришлось ждать еще 25 лет.
1851	Page увеличивает мощность двигателей с 8 до 20 л.с. С двумя двигателями он ведет 10-тонный локомотив с максимальной скоростью 30 км / ч. Он путешествует по маршруту из Вашингтона в Бладенбург за 19 минут.
1854	Другой, 12-тонный локомотив Пейджа едет по маршруту Балтимор — Огайо.

… подробнее в части 2.

Круглый и Круглый с простыми двигателями

1.Дайте определение термину «электродвигатель».

Сообщите классу, что электродвигатель — это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Магнетизм играет важную роль в этом процессе. Объясните, что ученики собираются построить простой электродвигатель, который они будут использовать в эксперименте для проверки гипотезы. Во-первых, они примут участие в демонстрации частей двигателя.

2. Продемонстрируйте, что магниты имеют два полюса и что, когда два магнита сводятся вместе, эти полюса могут вызвать движение объекта.

Покажите магниты второго класса. Спросите: Что произойдет, если эти два магнита сблизить? (Магниты будут притягиваться друг к другу на противоположных полюсах, и они будут отталкиваться друг от друга на одинаковых полюсах.) Продемонстрируйте с помощью магнитов и попросите учащихся изложить свои наблюдения. Объясните: у магнитов есть два полюса, по одному с обоих концов, северный и южный. Когда противоположные полюса (север и юг) находятся рядом друг с другом, они притягиваются друг к другу. Когда одинаковые полюса находятся рядом друг с другом (например, север и север), они отталкиваются друг от друга.Для демонстрации прикрепите один магнит к задней части маленькой игрушечной машинки. Используйте второй магнит, чтобы заставить машину двигаться, держа столбы рядом друг с другом. Предложите учащимся попробовать передвинуть машину с помощью магнитов. Спросите: Будет ли машина двигаться, если держать друг напротив друга противоположные столбы? Попросите студента-добровольца провести демонстрацию.

3. Продемонстрируйте взаимосвязь между текущим электричеством и магнетизмом.

Продемонстрируйте, что катушка с проволокой и гвоздь могут действовать как магнит, когда через провод проходит электричество.Поднимите гвоздь, чтобы все могли видеть. Спросите: Смогу ли я подбирать скрепки этим гвоздем? Будет ли это действовать как магнит? Прижмите гвоздь к скрепкам, чтобы продемонстрировать, что вы не можете поднять скрепки, используя только гвоздь. Теперь вставьте гвоздь в катушку, которую вы создали перед занятием. Спросите: Смогу ли я поднять скрепки гвоздем, теперь, когда он обмотан металлической катушкой? Прижмите гвоздь с катушкой к скрепкам, чтобы продемонстрировать, что вы все еще не можете поднять скрепки.Объясните, что вы собираетесь превратить гвоздь и катушку в электромагнит с помощью батарейки.

Следуйте инструкциям в разделе «Настройка», чтобы создать электромагнит перед занятием. В классе поместите батарею ячейки D в держатель батареи ячейки D. Приклейте один конец провода к каждой клемме держателя батареи. Попросите класс предсказать, что произойдет, если вы будете держать гвоздь, завернутый в катушку и подключенный к батарее, рядом со скрепками. Держите гвоздь рядом со скрепками.Объясните, что теперь скрепки подбираются, потому что вы создали электромагнит, добавив электричество. Гвоздь намагничен, потому что через катушку течет электрический ток. Обязательно отсоедините провода от аккумулятора, чтобы он не перегрелся.

4. Объясните, что электричество и магнетизм можно использовать для создания крутящего момента.

Объясните, что крутящий момент — это мера силы вращения. Продемонстрируйте крутящий момент для своего класса. Вызовите добровольца вперед и попросите ученика держать резинку за два конца.Вставьте пластиковую ложку в центр резинки и крутите ее, пока резинка не станет туго натянутой и перекрученной. Попросите класс предсказать, что произойдет, когда вы отпустите ложку. Отпустите ложку. Объясните, что при приложении кручения, скручивающего движения к резиновой ленте, была создана сила вращения, называемая крутящим моментом. Крутящий момент может использоваться для питания механических устройств, таких как роботизированные руки и системы передвижения, где шестерни используются для регулирования скорости, с которой этот крутящий момент применяется.Крутящий момент — это также сила вращения, которую вы используете, открывая бутылку с газировкой или используя гаечный ключ для ослабления или затягивания гайки.

Скажите классу, что крутящий момент может быть создан с помощью сил электричества и магнетизма — притяжения и отталкивания, проявляемых магнитами, свидетелями которых они были ранее. Объясните, что они будут строить в классе простой мотор, в котором используются эти принципы.

5. Учащиеся разрабатывают гипотезу о двигателях, слушают инструкции по технике безопасности, а затем конструируют простой двигатель для проверки своей гипотезы.

Задайте вопрос: Как можно использовать движение, создаваемое простым двигателем, для движения другого объекта? Напишите предложения студентов на доске. Продолжайте задавать вопросы, пока предложения не сведутся к одной проверяемой гипотезе, разработанной как класс. (Гипотеза приводится в разделе «Советы», если она вам нужна.) Объясните, что учащиеся построят простой мотор, который будет использовать в эксперименте для проверки этой гипотезы.

Перед тем, как раздавать материалы, скажите студентам, что они никогда не должны соединять положительную и отрицательную стороны батареи напрямую друг с другом с помощью провода или чего-либо еще, что является проводящим, так как это вызовет короткое замыкание и приведет к сильному разряду батареи. горячий и может привести к болезненному шоку.Кроме того, попросите студентов немедленно разобрать свой проект, если какая-либо часть станет горячей, а затем сообщите об этом инструктору.

Разделите студентов на группы по 2-4 человека. Раздайте каждой группе раздаточный материал «Как построить простой двигатель» и рабочий лист «Научный метод ». Просмотрите с классом шаги в раздаточном материале «Как построить простой мотор», затем попросите каждую группу отправить по одному члену для сбора предметов, которые потребуются группе для создания мотора.Попросите каждую группу заполнить разделы с проблемами / вопросами и гипотезами в своем рабочем листе по научным методам. Студенты также будут записывать информацию о создании своего двигателя в разделе процесса. Следите за прогрессом каждой группы по мере ее создания. Спроецируйте фотогалерею «Построить простой двигатель», в которой при необходимости документируется каждый шаг раздаточного материала «Как построить простой двигатель». Задавайте вопросы каждой группе и помогайте по мере необходимости.

6. Учащиеся планируют эксперимент, чтобы проверить свою гипотезу, используя простой мотор.

Когда все группы успешно построят свои моторы, предложите им поделиться своим опытом с остальным классом. Затем, работая в группах, попросите учащихся разработать эксперимент, используя свои двигатели, чтобы проверить гипотезу, разработанную классом ранее. Попросите учащихся нарисовать схему эксперимента в своих группах, пометить свои рисунки и написать полное описание шагов, которые они предпримут, в процедурной части рабочего листа «Научный метод».

7.Попросите группы поделиться своими описаниями экспериментов и обсудить в классе сходства и различия между всеми экспериментами, чтобы проверить одну и ту же гипотезу .

Задайте вопрос: Что общего между экспериментами? Чем отличались эксперименты? Если позволяет время, организуйте демонстрацию и расскажите, где группы могут изучить схемы экспериментов других групп. Предложите студентам представить, как двигатель может приводить в движение более крупные объекты, например робота. (Двигатели обычно используются для обеспечения движения механических структур робота; примерами являются колеса для перемещения робота или руки для взаимодействия с окружающей средой.)

20.2 Двигатели, генераторы и трансформаторы — физика

Электродвигатели, генераторы и трансформаторы

Как мы узнали ранее, на провод с током в магнитном поле действует сила — вспомним, F = IℓBsinθF = IℓBsinθ. Электродвигатели, которые преобразуют электрическую энергию в механическую, являются наиболее распространенным приложением магнитной силы к токоведущим проводам. Двигатели состоят из витков провода в магнитном поле. Когда ток проходит через петли, магнитное поле оказывает на петли крутящий момент, который вращает вал.При этом электрическая энергия преобразуется в механическую работу. На рисунке 20.23 показан схематический чертеж электродвигателя.

Рисунок 20.23 Крутящий момент в токовой петле. Вертикальная петля из проволоки в горизонтальном магнитном поле прикреплена к вертикальному валу. Когда ток проходит через проволочную петлю, на нее действует крутящий момент, заставляющий вращать вал.

Давайте исследуем силу на каждом сегменте контура на рисунке 20.23, чтобы найти крутящие моменты, возникающие вокруг оси вертикального вала — это приведет к полезному уравнению для крутящего момента на контуре.Считаем, что магнитное поле однородно по прямоугольной петле, которая имеет ширину w и высоту, ℓ, как показано на рисунке. Сначала рассмотрим силу, действующую на верхний сегмент петли. Чтобы определить направление силы, мы используем правило правой руки. Ток идет на страницу слева направо, а магнитное поле идет слева направо в плоскости страницы. Согните пальцы правой руки от вектора тока к вектору магнитного поля, а большой палец правой руки направлен вниз.Таким образом, сила на верхнем сегменте направлена ​​вниз, что не создает крутящего момента на валу. Повторение этого анализа для нижнего сегмента — пренебрегая небольшим зазором, где выходят подводящие провода — показывает, что сила на нижнем сегменте направлена ​​вверх, снова не создавая крутящего момента на валу.

Рассмотрим теперь левый вертикальный сегмент петли. Снова используя правило правой руки, мы обнаруживаем, что сила, действующая на этот сегмент, перпендикулярна магнитному полю, как показано на рисунке 20.23. Эта сила создает крутящий момент на валу.Повторение этого анализа на правом вертикальном сегменте петли показывает, что сила на этом сегменте направлена ​​в направлении, противоположном направлению силы на левом сегменте, тем самым создавая равный крутящий момент на валу. Таким образом, общий крутящий момент на валу вдвое превышает крутящий момент на одном из вертикальных сегментов петли.

Чтобы определить величину крутящего момента при вращении проволочной петли, рассмотрите рисунок 20.24, на котором показан вид проволочной петли сверху. Напомним, что крутящий момент определяется как τ = rFsinθ, τ = rFsinθ, где F — приложенная сила, r — расстояние от оси до места приложения силы, а θ — угол между r . и F .Обратите внимание, что при вращении петли ток в вертикальных сегментах петли всегда перпендикулярен магнитному полю. Таким образом, уравнение F = IℓBsinθF = IℓBsinθ дает величину силы на каждом вертикальном сегменте как F = IℓB.F = IℓB. Расстояние х от вала до места приложения этой силы составляет х /2, поэтому крутящий момент, создаваемый этой силой, равен

. τsegment = rFsinθ = w / 2IℓBsinθ = (w / 2) IℓBsinθ.τsegment = rFsinθ = w / 2IℓBsinθ = (w / 2) IℓBsinθ.

20,10

Поскольку есть два вертикальных сегмента, общий крутящий момент в два раза больше, или

τ = wIℓBsinθ.τ = wIℓBsinθ.

20,11

Если у нас есть многократный контур с Н витков, мы получаем Н, раз превышающий крутящий момент одиночного контура. Используя тот факт, что площадь петли равна A = wℓ; A = wℓ; выражение для крутящего момента становится

τ = NIABsinθ. τ = NIABsinθ.

20.12

Это крутящий момент на токоведущей петле в однородном магнитном поле. Можно показать, что это уравнение справедливо для петли любой формы.

Рисунок 20.24 Вид сверху на проволочную петлю с рисунка 20.23. Магнитное поле создает силу F на каждом вертикальном сегменте проволочной петли, которая создает крутящий момент на валу. Обратите внимание, что токи Iin, IoutIin и Iout имеют одинаковую величину, потому что они оба представляют ток, протекающий в проводной петле, но IinIin течет на страницу, а IoutIout вытекает из страницы.

Из уравнения τ = NIABsinθ, τ = NIABsinθ, мы видим, что крутящий момент равен нулю, когда θ = 0.θ = 0. По мере вращения проволочной петли крутящий момент увеличивается до максимального положительного крутящего момента wℓBwℓB при θ = 90 °.θ = 90 °. Затем крутящий момент уменьшается до нуля, когда проволочная петля поворачивается на θ = 180 ° .θ = 180 °. От θ = 180 ° θ = 180 ° до θ = 360 °, θ = 360 ° крутящий момент отрицательный. Таким образом, крутящий момент меняет знак каждые пол-оборота, поэтому проволочная петля будет колебаться вперед и назад.

Чтобы катушка продолжала вращаться в том же направлении, ток меняется на противоположный, когда катушка проходит через θ = 0 и θ = 180 ° θ = 0 и θ = 180 ° с использованием автоматических переключателей, называемых щетками , как показано на рисунке 20.25.

Рисунок 20.25 (a) Поскольку угловой момент катушки переносит ее через θ = 0, θ = 0, щетки меняют направление тока, и крутящий момент остается по часовой стрелке. (b) Катушка непрерывно вращается по часовой стрелке, при этом ток меняет направление на каждую половину оборота, чтобы поддерживать вращающий момент по часовой стрелке.

А теперь подумайте, что произойдет, если запустить двигатель в обратном направлении; то есть мы прикрепляем ручку к валу и механически заставляем катушку вращаться в магнитном поле, как показано на рисунке 20.26. Согласно уравнению F = qvBsinθF = qvBsinθ, где θθ — угол между векторами v → v → и B → -chargesB → — заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, потому что они движутся в магнитном поле.Снова используя правило правой руки, когда мы сгибаем пальцы от вектора v → v → к вектору B → B →, мы обнаруживаем, что заряды в верхнем и нижнем сегментах ощущают силу, перпендикулярную проводу, которая не вызывает тока. . Однако заряды в вертикальных проводах испытывают силы, параллельные проводу, заставляя ток течь через провод и через внешнюю цепь, если она подключена. Такое устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую, называется генератором.

Рисунок 20.26 Когда эта катушка вращается на одну четверть оборота, магнитный поток Φ изменяется от максимального до нуля, вызывая ЭДС, которая пропускает ток через внешнюю цепь.

Поскольку ток индуцируется только в боковых проводах, мы можем определить наведенную ЭДС, рассматривая только эти провода. Как объясняется в разделе «Наведенный ток в проводе», ЭДС движения в прямом проводе, движущемся со скоростью v через магнитное поле B , равна E = Bℓv, E = Bℓv, где скорость перпендикулярна магнитному полю.В генераторе скорость составляет угол θθ с B (см. Рисунок 20.27), поэтому составляющая скорости, перпендикулярная B , равна vsinθ.vsinθ. Таким образом, в этом случае ЭДС, наведенная на каждом вертикальном сегменте провода, равна E = Bℓvsinθ, E = Bℓvsinθ, и они направлены в одном направлении. Полная ЭДС вокруг контура тогда составляет

E = 2Bℓvsinθ.E = 2Bℓvsinθ.

20,13

Хотя это выражение действительно, оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы узнать, как ЭДС изменяется во времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью ω.ω. Угол θθ связан с угловой скоростью соотношением θ = ωt, θ = ωt, так что

E = 2Bℓvsinωt.E = 2Bℓvsinωt.

20,14

Напомним, что тангенциальная скорость v связана с угловой скоростью ωω соотношением v = rω.v = rω. Здесь r = w / 2r = w / 2, так что v = (w / 2) ωv = (w / 2) ω и

E = 2Bℓ (w2ω) sinωt = Bℓwωsinωt. E = 2Bℓ (w2ω) sinωt = Bℓwωsinωt.

20,15

Учитывая, что площадь петли A = ℓwA = ℓw и учитывая N петель, мы находим, что

E = NABωsinωtE = NABωsinωt

20.16

— ЭДС, индуцированная в катушке генератора Н, витков и области A , вращающейся с постоянной угловой скоростью ωω в однородном магнитном поле B . Это также можно выразить как

E = E0sinωtE = E0sinωt

20,17

где

— максимальная (пиковая) ЭДС.

Рис. 20.27. Мгновенная скорость вертикальных отрезков провода составляет угол θθ с магнитным полем. Скорость показана на рисунке зеленой стрелкой, и указан угол θθ.

На рис. 20.28 показан генератор, подключенный к лампочке, и график зависимости ЭДС от времени. Обратите внимание, что ЭДС колеблется от положительного максимума E0E0 до отрицательного максимума −E0. − E0. Между тем, ЭДС проходит через ноль, что означает, что в это время через лампочку протекает нулевой ток. Таким образом, лампочка на самом деле мигает с частотой 2 f , потому что за период происходит два перехода через ноль. Поскольку такой переменный ток используется в домах по всему миру, почему мы не замечаем мерцания света? В Соединенных Штатах частота переменного тока составляет 60 Гц, поэтому свет мигает с частотой 120 Гц.Это быстрее, чем частота обновления человеческого глаза, поэтому вы не заметите мерцания огней. Кроме того, другие факторы препятствуют такому быстрому включению и выключению различных типов лампочек, поэтому светоотдача сглаживается немного .

Рис. 20.28 ЭДС генератора направляется на лампочку с показанной системой колец и щеток. График показывает зависимость ЭДС генератора от времени. E0E0 — пиковая ЭДС. Период равен T = 1 / f = 2π / ω, T = 1 / f = 2π / ω, где f — частота, с которой катушка вращается в магнитном поле.

Виртуальная физика

Генератор

Используйте это моделирование, чтобы узнать, как работает электрический генератор. Управляйте подачей воды, которая заставляет водяное колесо вращать магнит. Это вызывает ЭДС в соседней катушке провода, которая используется для зажигания лампочки. Вы также можете заменить лампочку вольтметром, который позволяет увидеть полярность напряжения, которая меняется с положительной на отрицательную.

Проверка захвата

Установите количество проволочных петель равным трем, силу стержневого магнита примерно на 50 процентов и площадь петли на 100 процентов.Обратите внимание на максимальное напряжение на вольтметре. Предполагая, что одно из основных делений вольтметра составляет 5 В, какое максимальное напряжение при использовании только однопроводной петли вместо трехпроводной петли?

1. 5 В
2. 15 В
3. 125 В
4. 53 В

В реальной жизни электрические генераторы сильно отличаются от рисунков в этом разделе, но принципы те же. Источником механической энергии, вращающей катушку, может быть падающая вода — гидроэнергия — пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра.Рисунок 20.29 показывает паровую турбину в разрезе; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора.

Рисунок 20.29 Паротурбинный генератор. Пар, образующийся при сжигании угля, ударяет по лопаткам турбины, вращая вал, соединенный с генератором. (Источник: Nabonaco, Wikimedia Commons)

Еще одно очень полезное и распространенное устройство, использующее магнитную индукцию, называется трансформатором. Трансформаторы делают то, что подразумевает их название — они преобразуют напряжение из одного значения в другое; термин напряжение используется, а не ЭДС, потому что трансформаторы имеют внутреннее сопротивление.Например, многие сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшие приборы имеют встроенный в подключаемый модуль трансформатор, который преобразует 120 В или 240 В переменного тока в любое напряжение, используемое устройством. На рисунке 20.30 показаны два разных трансформатора. Обратите внимание на катушки проводов, которые видны на каждом устройстве. Назначение этих катушек поясняется ниже.

Рисунок 20.30 Слева — обычный трансформатор с многослойным сердечником, который широко используется в передаче электроэнергии и в электроприборах.Справа — тороидальный трансформатор, который меньше трансформатора с многослойным сердечником для той же мощности, но более дорогой в изготовлении из-за оборудования, необходимого для наматывания проводов в форме пончика.

На рисунке 20.31 показан трансформатор с многослойной обмоткой, который основан на законе индукции Фарадея и очень похож по конструкции на устройство Фарадея, которое использовалось для демонстрации того, что магнитные поля могут генерировать электрические токи. Две катушки с проволокой называются первичной и вторичной катушками.При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную катушку, а вторичная обмотка создает преобразованное выходное напряжение. Железный сердечник не только улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, но также его намагниченность увеличивает напряженность поля, что аналогично тому, как диэлектрик увеличивает напряженность электрического поля в конденсаторе. Поскольку входное напряжение переменного тока, изменяющийся во времени магнитный поток проходит через вторичную катушку, вызывая выходное напряжение переменного тока.

Рисунок 20.31 Типичная конструкция простого трансформатора имеет две катушки, намотанные на ферромагнитный сердечник. Магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, в основном ограничивается и увеличивается сердечником, который передает его на вторичную катушку. Любое изменение тока в первичной катушке вызывает ток во вторичной катушке.

Ссылки на физику

Магнитная веревочная память

Чтобы отправить людей на Луну, программе Apollo пришлось спроектировать бортовую компьютерную систему, которая была бы надежной, потребляла мало энергии и была достаточно маленькой, чтобы поместиться на борту космического корабля.В 1960-х годах, когда была запущена программа Apollo, целые здания регулярно выделялись для размещения компьютеров, вычислительная мощность которых была бы легко превзойдена самыми простыми современными портативными калькуляторами.

Чтобы решить эту проблему, инженеры Массачусетского технологического института и крупного оборонного подрядчика обратились к памяти с магнитным тросом , которая была ответвлением аналогичной технологии, использовавшейся до того времени для создания запоминающих устройств с произвольным доступом. В отличие от памяти с произвольным доступом, память с магнитным тросом была постоянным запоминающим устройством, которое содержало не только данные, но и инструкции.Таким образом, на самом деле это было больше, чем память: это была компьютерная программа, зашитая зашитой.

Компонентами магнитной веревочной памяти были проволока и железные кольца, которые назывались сердечниками . Железные сердечники служили трансформаторами, как показано на предыдущем рисунке. Однако вместо того, чтобы наматывать провода несколько раз вокруг сердечника, отдельные провода проходили через сердечники только один раз, что делало эти одновитковые трансформаторы. До 63 word проводов может проходить через одну жилу вместе с одним bit проводом.Если словарный провод проходит через данный сердечник, импульс напряжения на этом проводе вызывает в разрядном проводе ЭДС, которая интерпретируется как 1 . Если бы провод слова не проходил через сердечник, на разрядном проводе не наведалась бы ЭДС, что было бы интерпретировано как ноль .

Инженеры будут создавать программы, которые будут жестко встраиваться в эти магнитные тросы. Процесс подключения мог занять до месяца, так как рабочие кропотливо протягивали провода через одни жилы и вокруг других.Если были допущены какие-либо ошибки в программировании или подключении, отладка была бы чрезвычайно трудной, если не невозможной.

Эти модули неплохо справились со своей задачей. Им приписывают исправление ошибки астронавта в процедуре посадки на Луну, что позволило Аполлону-11 совершить посадку на Луну. Сомнительно, чтобы Майкл Фарадей когда-либо мог представить себе такое применение магнитной индукции, когда открыл ее.

Проверка захвата

Если бы разрядный провод был дважды обмотан вокруг каждой жилы, как это повлияло бы на напряжение, индуцированное в разрядном проводе?

1. Если количество витков вокруг провода удвоено, ЭДС уменьшается вдвое.
2. Если количество витков вокруг провода удвоится, ЭДС не изменится.
3. Если количество витков вокруг провода удваивается, то удваивается и ЭДС.
4. Если количество витков вокруг провода удвоено, ЭДС в четыре раза превышает начальное значение.

Для трансформатора, показанного на рисунке 20.31, выходное напряжение VSVS из вторичной катушки почти полностью зависит от входного напряжения VPVP на первичной катушке и количества петель в первичной и вторичной катушках.Закон индукции Фарадея для вторичной обмотки дает наведенное выходное напряжение VSVS равным

. VS = −NSΔΦΔt, VS = −NSΔΦΔt,

20,19

где NSNS — количество витков во вторичной катушке, а ΔΦ / ΔtΔΦ / Δt — скорость изменения магнитного потока. Выходное напряжение равно индуцированной ЭДС (VS = ES), (VS = ES) при небольшом сопротивлении катушки — разумное предположение для трансформаторов. Площадь поперечного сечения катушек одинакова с каждой стороны, как и напряженность магнитного поля, поэтому ΔΦ / ΔtΔΦ / Δt одинаковы с каждой стороны.Входное первичное напряжение VPVP также связано с изменением магнитного потока на

VP = −NPΔΦΔt.VP = −NPΔΦΔt.

20,20

Из соотношения этих двух последних уравнений получаем полезное соотношение

VSVP = NSNP (3,07) .VSVP = NSNP (3,07).

20,21

Это известно как уравнение трансформатора. Он просто заявляет, что отношение вторичного напряжения к первичному напряжению в трансформаторе равно отношению количества петель во вторичной катушке к количеству петель в первичной катушке.

Передача электроэнергии

Трансформаторы

широко используются в электроэнергетике для повышения напряжения — так называемые повышающие трансформаторы — перед передачей на большие расстояния по высоковольтным проводам. Они также используются для снижения напряжения — так называемые понижающие трансформаторы — для подачи энергии в дома и на предприятия. Подавляющая часть электроэнергии вырабатывается с помощью магнитной индукции, когда катушка из проволоки или медный диск вращается в магнитном поле.Первичная энергия, необходимая для вращения катушек или диска, может быть получена различными способами. Гидроэлектростанции используют кинетическую энергию воды для привода электрогенераторов. Угольные или атомные электростанции создают пар для привода паровых турбин, вращающих змеевики. Другие источники первичной энергии включают ветер, приливы или волны на воде.

После выработки энергии ее необходимо передать потребителю, что часто означает передачу мощности на сотни километров. Для этого напряжение электростанции увеличивается с помощью повышающего трансформатора, который повышается, и ток уменьшается пропорционально, потому что

Ptransmitted = ItransmittedVtransmitted⋅Ptransmitted = ItransmittedVtransmitted⋅

20.22

Более низкий ток ItransmittedItransmitted в передающих проводах снижает потери Дж. , которые представляют собой нагрев провода из-за протекания тока. Этот нагрев вызван небольшим, но ненулевым сопротивлением RwireRwire проводов передачи. Потери энергии в окружающую среду из-за этого тепла составляют

. Plost = Itransmitted2Rwire, Plost = Itransmitted2Rwire,

20,23

, который пропорционален текущему в квадрате в проводе передачи.Вот почему передаваемый ток ItransmittedItransmitted должен быть как можно меньше, и, следовательно, напряжение должно быть большим для передачи мощности Ptransmitted⋅Ptransmitted⋅

Для передачи мощности на большие расстояния используются напряжения от 120 до 700 кВ. Напряжение повышается на выходе из электростанции повышающим трансформатором, как показано на рисунке 20.32.

Рисунок 20.32 Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках системы распределения электроэнергии.Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжениях от 120 до 700 кВ для ограничения потерь энергии. Распределение электроэнергии по районам или промышленным предприятиям осуществляется через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния с напряжением от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для безопасности на месте отдельного пользователя.

После подачи электроэнергии в населенный пункт или промышленный центр напряжение на подстанции понижается до 5–30 кВ.Наконец, в частных домах или на предприятиях мощность снова понижается до 120, 240 или 480 В. Каждое повышающее и понижающее преобразование выполняется с помощью трансформатора, разработанного на основе закона индукции Фарадея. Мы прошли долгий путь с тех пор, как королева Елизавета спросила Фарадея, как можно использовать электричество.

.