Як працуюць электрарухавікі
Электрарухавік — гэта прылада, якая пераўтварае электрычную энергію ў механічную ў выглядзе вярчальнага руху. Гэтая тэхналогія складае аснову розных сучасных прылад, ад вентылятараў і вадзяных помпаў да фабрычнага абсталявання і нават электрамабіляў. Разуменне прынцыпаў працы электрарухавікоў важна не толькі для студэнтаў-інжынераў, але і для ўсіх, хто зацікаўлены ў разуменні таго, як прылады вакол нас могуць працаваць выключна на электрычнасці. У гэтым артыкуле коратка, але падрабязна абмяркоўваюцца асноўныя паняцці, асноўныя кампаненты і тое, як працуюць электрарухавікі.
1. Асноўная канцэпцыя: электрамагнітная сіла
Асноўны прынцып электрарухавіка заснаваны на ўзаемадзеянні электрычнага току і магнітных палёў. Калі электрычны ток працякае праз праваднік (напрыклад, дрот) у магнітным полі, на праваднік дзейнічае сіла. Гэтая з'ява вядомая як сіла Лорэнца. Кірунак выніковай сілы залежыць ад кірунку току і кірунку магнітнага поля. У электрарухавіку гэтая сіла выкарыстоўваецца для стварэння крутоўнага моманту (круцільнага моманту), каб ротар мог круціцца.
Проста кажучы, электрарухавік «прымушае» круцільную частку (ротар) працягваць рух з-за пастаянна зменлівага магнітнага штуршка і прыцягнення. Гэтыя змены рэгулююцца такім чынам, каб кручэнне не спынялася ў адным становішчы, а працягвалася.
2. Асноўныя кампаненты электрарухавіка
Нягледзячы на тое, што існуе мноства тыпаў электрарухавікоў, іх асноўная канструкцыя звычайна складаецца з наступных кампанентаў:
1. Статар
Статар — гэта нерухомая частка рухавіка. Яго функцыя заключаецца ў стварэнні магнітнага поля. У некаторых рухавіках магнітнае поле статара ствараецца пастаяннымі магнітамі, а ў іншых статар выкарыстоўвае шпульку з токам для стварэння электрамагнітнага поля.
2. Ротар (якар)
Ротар — гэта круцільная частка. Звычайна ротар мае шпулькі або магніты, якія ўзаемадзейнічаюць з магнітным полем статара. Калі гэта ўзаемадзеянне стварае сілу, ротар круціцца на вале.
3. Шпулька (абмотка)
Шпулька — гэта спіраль з дроту, па якой праходзіць ток. Абмоткі могуць размяшчацца ў статары або ротары, у залежнасці ад тыпу рухавіка. Гэтыя шпулькі адыгрываюць важную ролю ў стварэнні магнітнага поля і крутоўнага моманту.
4. Крыніца харчавання і сістэма кіравання
Крыніцай харчавання можа быць пастаянны (DC) або пераменны (AC) ток. Сучасныя рухавікі, асабліва прамысловыя рухавікі і электрамабілі, выкарыстоўваюць кантролеры, такія як інвертары або драйверы, для рэгулявання частаты, напружання і току, што дазваляе кантраляваць хуткасць і крутоўны момант.
5. Калектар і шчоткі (на некаторых рухавіках пастаяннага току)
У рухавіку пастаяннага току са шчоткамі калектар і шчоткі перыядычна змяняюць кірунак току ў шпульках ротара, каб падтрымліваць аднанакіраваны крутоўны момант і бесперапыннае кручэнне. У бесшчоткавым рухавіку гэтая функцыя камутацыі замяняецца электроннай схемай.
6. Падшыпнікі і корпус
Падшыпнікі дапамагаюць ротару круціцца з мінімальным трэннем, а корпус рухавіка абараняе кампаненты ўнутры і дапамагае адводзіць цяпло.
3. Прынцып працы рухавіка пастаяннага току
Рухавік пастаяннага току — адзін з самых простых для разумення тыпаў рухавікоў, бо яго канцэпцыя даволі простая. Пры падачы пастаяннага напружання ток працякае праз абмоткі ротара, якія знаходзяцца ў магнітным полі статара. У выніку ўзнікае сіла Лорэнца, якая дзейнічае на процілеглыя бакі абмотак, ствараючы крутоўны момант. Ротар пачынае круціцца.
Аднак ёсць праблема: калі кірунак току ў шпульках застаецца пастаянным, ротар спыніцца, калі дасягне пэўнага становішча, таму што выніковая сіла можа быць роўная нулю («збалансаванае» становішча). Вось тут і ўступае ў справу камутатар. Камутатар змяняе кірунак току ў шпульках на адваротны кожныя паўабароту. Гэта змяненне кірунку крутоўнага моманту падтрымлівае пастаянны кірунак, дазваляючы ротару працягваць кручэнне.
Рухавікі пастаяннага току маюць перавагу адносна лёгкага кіравання хуткасцю. Хуткасць можна рэгуляваць, змяняючы напружанне, у той час як крутоўны момант залежыць ад сілы току. Дзякуючы гэтым характарыстыкам рухавікі пастаяннага току шырока выкарыстоўваюцца ў прыладах, якія патрабуюць дакладнага кіравання хуткасцю, такіх як некаторыя электронныя прылады, цацачныя рухавікі або невялікія рухавікі.
4. Прынцып працы рухавіка пераменнага току (AC)
Рухавікі пераменнага току працуюць па прынцыпе верцільнага магнітнага поля. Напрыклад, у трохфазным асінхронным рухавіку статар мае тры шпулькі, якія сілкуюцца пераменным токам з розніцай фаз 120 градусаў. Гэтая розніца фаз прымушае магнітнае поле, якое ствараецца статарам, здавацца круціцца вакол восі рухавіка.
Магнітнае поле статара, якое круціцца, затым «прыцягвае» ротар, каб ён таксама круціўся. У асінхронных рухавіках ротар звычайна мае форму вавёрчынай клеткі, якая складаецца з праваднікоў, злучаных на абодвух канцах. Па меры таго, як круцільнае магнітнае поле праходзіць праз ротар, у стрыжнях ротара індукуецца індукаваны ток (згодна з законам электрамагнітнай індукцыі Фарадэя). Гэты індукаваны ток генеруе магнітнае поле ротара, якое ўзаемадзейнічае з полем статара, ствараючы крутоўны момант.
Цікава, што асінхронныя рухавікі не круцяцца з дакладна такой жа хуткасцю, як і магнітнае поле статара. Гэтая розніца ў хуткасці называецца слізганнем, і слізгаценне неабходна для ўзнікнення індукцыі. Асінхронныя рухавікі вядомыя сваёй надзейнасцю, прастатой і нізкімі эксплуатацыйнымі выдаткамі, бо ў іх не выкарыстоўваюцца шчоткі або механічныя камутатары.
Акрамя асінхронных рухавікоў, існуюць таксама сінхронныя рухавікі. У сінхронным рухавіку ротар круціцца дакладна з хуткасцю магнітнага поля статара. Ротар можа быць пастаянным магнітам або электрамагнітам. Сінхронныя рухавікі шырока выкарыстоўваюцца там, дзе патрабуецца высокая эфектыўнасць і дакладнае кіраванне, у тым ліку ў некаторых прамысловых установах і электрамабілях.
5. Фактары, якія ўплываюць на хуткасць і крутоўны момант
На хуткасць кручэння электрарухавіка і атрыманы крутоўны момант уплывае некалькі асноўных фактараў:
– Напружанне і ток: у рухавіках пастаяннага току напружанне ўплывае на хуткасць, а ток — на крутоўны момант. У рухавіках пераменнага току напружанне і ток усё яшчэ гуляюць ролю, але звычайна кіруюцца інвертарам.
– Частата: У рухавіках пераменнага току хуткасць магнітнага поля статара залежыць ад частаты крыніцы харчавання. Таму кіраванне частатой з'яўляецца асноўным сродкам рэгулявання хуткасці рухавіка пераменнага току.
– Колькасць полюсаў: у рухавіках пераменнага току, чым больш полюсаў статара, тым ніжэйшая сінхронная хуткасць для той жа частаты.
– Механічная нагрузка: чым большая нагрузка, тым большы крутоўны момант патрабуецца рухавіку. У асінхронных рухавіках павелічэнне нагрузкі, як правіла, павялічвае слізгаценне.
– Канструкцыя і матэрыялы: якасць матэрыялу магніта, канструкцыя шпулькі і сістэма астуджэння ўплываюць на прадукцыйнасць і эфектыўнасць.
6. Эфектыўнасць і страты энергіі
Не ўся паступаючая электрычная энергія пераўтвараецца ў механічную. Частка губляецца ў выглядзе:
– Страты медзі з-за супраціўлення шпулькі, якая выпрацоўвае цяпло.
– Страты ў стрыжні ў жалезных матэрыялах з-за гістэрэзісу і віхравых токаў.
– Механічныя страты з-за трэння ў падшыпніках і супраціўлення паветра.
– Дадатковыя страты з-за недасканаласцей канструкцыі і гармонік у сістэме кіравання.
Добры рухавік распрацаваны так, каб мінімізаваць гэтыя страты, напрыклад, шляхам выкарыстання якаснага меднага дроту, ламінавання стрыжня для памяншэння віхравых токаў і сістэмы вентыляцыі або астуджэння.
7. Заключэнне
Прынцып працы электрарухавіка заключаецца ва ўзаемадзеянні электрычнага току з магнітным полем для стварэння крутоўнага моманту і вярчальнага руху. Статар генеруе магнітнае поле, ротар рэагуе на гэтае поле, а сістэма камутацыі — механічная ў шчоткавых рухавіках пастаяннага току або электронная ў сучасных рухавіках — падтрымлівае крутоўны момант, які забяспечвае бесперапыннае рух ротара. Рухавікі пераменнага току абапіраюцца на вярчальнае магнітнае поле, у той час як рухавікі пастаяннага току больш абапіраюцца на зваротную кірунак току ў шпульках.
Разумеючы канцэпцыі сілы Лорэнца, электрамагнітнай індукцыі і ролі ключавых кампанентаў, такіх як статар, ротар і кантролер, мы можам убачыць, што электрарухавікі — гэта больш, чым проста «вярчальныя прылады», а хутчэй эфектыўная электрамагнітная тэхніка, якая мае вырашальнае значэнне для сучаснага жыцця. Калі вы хочаце паглыбіцца, наступны крок — даведацца пра канкрэтныя тыпы рухавікоў, такія як асінхронныя рухавікі, сінхронныя рухавікі і бесшчоткавыя рухавікі, і пра тое, як кіраваць іх хуткасцю з дапамогай інвертара або электроннага драйвера.
