Ինչպես են աշխատում էլեկտրական շարժիչները
Էլեկտրական շարժիչը սարք է, որը էլեկտրական էներգիան վերածում է մեխանիկական էներգիայի՝ պտտական շարժման տեսքով: Այս տեխնոլոգիան կազմում է տարբեր ժամանակակից սարքերի հիմքը՝ սկսած օդափոխիչներից և ջրային պոմպերից մինչև գործարանային մեքենաներ և նույնիսկ էլեկտրական տրանսպորտային միջոցներ: Էլեկտրական շարժիչների աշխատանքային սկզբունքները հասկանալը կարևոր է ոչ միայն ճարտարագիտական ուսանողների, այլև բոլոր նրանց համար, ովքեր հետաքրքրված են հասկանալով, թե ինչպես կարող են մեզ շրջապատող սարքերը աշխատել միայն էլեկտրաէներգիայով: Այս հոդվածը համառոտ, բայց համապարփակ քննարկում է հիմնական հասկացությունները, հիմնական բաղադրիչները և թե ինչպես են աշխատում էլեկտրական շարժիչները:
1. Հիմնական հասկացություն՝ էլեկտրամագնիսական ուժ
Էլեկտրական շարժիչի հիմնական սկզբունքը հիմնված է էլեկտրական հոսանքի և մագնիսական դաշտերի փոխազդեցության վրա: Երբ էլեկտրական հոսանքը հոսում է հաղորդչի (օրինակ՝ լարի) միջով մագնիսական դաշտի ներսում, հաղորդչի վրա ազդում է ուժ: Այս երևույթը հայտնի է որպես Լորենցի ուժ: Արդյունքում առաջացող ուժի ուղղությունը կախված է հոսանքի ուղղությունից և մագնիսական դաշտի ուղղությունից: Էլեկտրական շարժիչում այս ուժն օգտագործվում է պտտման մոմենտ (պտտման մոմենտ) առաջացնելու համար, որպեսզի ռոտորը կարողանա պտտվել:
Պարզ ասած, էլեկտրական շարժիչը «ստիպում է» պտտվող մասին (ռոտորին) շարունակել շարժվել անընդհատ փոփոխվող մագնիսական հրման և քաշման ուժի շնորհիվ։ Այս փոփոխությունները կարգավորվում են այնպես, որ պտույտը չդադարի մեկ դիրքում, այլ շարունակվի։
2. Էլեկտրաշարժիչի հիմնական բաղադրիչները
Չնայած կան էլեկտրական շարժիչների բազմաթիվ տեսակներ, դրանց հիմնական կառուցվածքը սովորաբար բաղկացած է հետևյալ բաղադրիչներից.
1. Ստատոր
Ստատորը շարժիչի անշարժ մասն է: Դրա գործառույթը մագնիսական դաշտ ստեղծելն է: Որոշ շարժիչներում ստատորի մագնիսական դաշտը ստեղծվում է մշտական մագնիսների միջոցով, սակայն մյուսներում ստատորն օգտագործում է հոսանքատար կծիկ՝ էլեկտրամագնիսական դաշտ ստեղծելու համար:
2. Ռոտոր (Արմատուրա)
Ռոտորը պտտվող մասն է։ Ռոտորը սովորաբար ունի կծիկներ կամ մագնիսներ, որոնք փոխազդում են ստատորի մագնիսական դաշտի հետ։ Երբ այս փոխազդեցությունը ուժ է առաջացնում, ռոտորը պտտվում է լիսեռի վրա։
3. Կծիկ (փաթաթան)
Կծիկը մետաղալարից պատրաստված կծիկ է, որը հոսանք է փոխանցում: Փաթաթանները կարող են տեղակայված լինել ստատորում կամ ռոտորում՝ կախված շարժիչի տեսակից: Այս կծիկները մեծ դեր են խաղում մագնիսական դաշտի և պտտող մոմենտի ստեղծման գործում:
4. Էլեկտրաէներգիայի աղբյուր և կառավարման համակարգ
Հզորության աղբյուրը կարող է լինել հաստատուն (DC) կամ փոփոխական (AC): Ժամանակակից շարժիչները, մասնավորապես արդյունաբերական շարժիչները և էլեկտրական տրանսպորտային միջոցները, օգտագործում են կարգավորիչներ, ինչպիսիք են ինվերտորները կամ դրայվերները, հաճախականությունը, լարումը և հոսանքը կարգավորելու համար, ինչը թույլ է տալիս կարգավորել արագությունը և պտտող մոմենտը:
5. Կոմուտատոր և խոզանակներ (որոշակի հաստատուն հոսանքի շարժիչների վրա)
Խոզանակավոր մշտական հոսանքի շարժիչում կոմուտատորը և խոզանակները պարբերաբար փոխում են հոսանքի ուղղությունը ռոտորի կծիկներում՝ միակողմանի պտտող մոմենտը պահպանելու և անընդհատ պտույտը պահպանելու համար: Անխոզանակ շարժիչում այս կոմուտացիոն ֆունկցիան փոխարինվում է էլեկտրոնային սխեմաներով:
6. Առանցքակալներ և պատյան
Առանցքակալները օգնում են ռոտորին պտտվել նվազագույն շփումով, մինչդեռ շարժիչի պատյանը պաշտպանում է ներսի բաղադրիչները և նպաստում ջերմության ցրմանը։
3. Մշտական հոսանքի (DC) շարժիչի աշխատանքային սկզբունքը
Հաստատուն հոսանքի շարժիչը ամենահեշտ հասկանալի շարժիչներից մեկն է, քանի որ դրա կոնցեպտը բավականին պարզ է։ Երբ կիրառվում է հաստատուն հոսանքի լարում, հոսանքը հոսում է ռոտորի կծիկներով, որոնք գտնվում են ստատորի մագնիսական դաշտի ներսում։ Սա հանգեցնում է Լորենցի ուժի ազդեցությանը կծիկների հակառակ կողմերում՝ ստեղծելով պտտող մոմենտ։ Ռոտորը սկսում է պտտվել։
Սակայն կա մի խնդիր. եթե կծիկներում հոսանքի ուղղությունը մնում է անփոփոխ, ռոտորը կկանգնի, երբ հասնի որոշակի դիրքի, քանի որ արդյունքում առաջացող ուժը կարող է զրո լինել («հավասարակշռված» դիրք): Այստեղ է, որ գործի է մտնում կոմուտատորը: Կոմուտատորը յուրաքանչյուր կես պտույտով փոխում է կծիկներում հոսանքի ուղղությունը: Այս շրջադարձը պահում է պտտող մոմենտի ուղղությունը անփոփոխ, թույլ տալով ռոտորին շարունակել պտտվել:
Հաստատուն հոսանքի շարժիչները ունեն արագության համեմատաբար հեշտ կարգավորման առավելությունը։ Արագությունը կարելի է կառավարել լարման փոփոխությամբ, մինչդեռ պտտող մոմենտը կապված է հոսանքի հետ։ Այս բնութագրերի շնորհիվ հաստատուն հոսանքի շարժիչները լայնորեն կիրառվում են այն կիրառություններում, որոնք պահանջում են արագության նուրբ կարգավորում, ինչպիսիք են որոշակի էլեկտրոնային սարքերը, խաղալիք շարժիչները կամ փոքր շարժիչները։
4. AC (փոփոխական հոսանքի) շարժիչի աշխատանքային սկզբունքը
AC շարժիչները գործում են պտտվող մագնիսական դաշտի սկզբունքով: Օրինակ՝ եռաֆազ ասինխրոն շարժիչում ստատորն ունի երեք կծիկ, որոնք սնուցվում են 120 աստիճան փուլային տարբերությամբ AC հոսանքով: Այս փուլային տարբերությունը ստիպում է ստատորի կողմից առաջացած մագնիսական դաշտին թվալ, թե պտտվում է շարժիչի առանցքի շուրջը:
Այնուհետև պտտվող ստատորի մագնիսական դաշտը «քաշում» է ռոտորը՝ նույնպես պտտվելու համար։ Ասինխրոն շարժիչներում ռոտորը սովորաբար ունի սկյուռի վանդակի տեսք, որը բաղկացած է երկու ծայրերում միացված հաղորդիչ ձողերից։ Երբ պտտվող մագնիսական դաշտը անցնում է ռոտորի միջով, ռոտորի ձողերում ինդուկցվում է ինդուկցված հոսանք (ըստ Ֆարադեյի էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի օրենքի)։ Այս ինդուկցված հոսանքը առաջացնում է ռոտորի մագնիսական դաշտ, որը փոխազդում է ստատորի դաշտի հետ՝ ստեղծելով պտտող մոմենտ։
Ասինխրոն շարժիչների հետաքրքիր կողմն այն է, որ ռոտորը երբեք չի պտտվում ստատորի մագնիսական դաշտի հետ նույն արագությամբ։ Այս արագության տարբերությունը կոչվում է սահք, և սահքը անհրաժեշտ է ինդուկցիայի առաջացման համար։ Ասինխրոն շարժիչները հայտնի են իրենց կայունությամբ, պարզությամբ և քիչ սպասարկմամբ, քանի որ չեն օգտագործում խոզանակներ կամ մեխանիկական կոմուտատորներ։
Բացի ասինխրոն շարժիչներից, կան նաև սինխրոն շարժիչներ: Սինխրոն շարժիչում ռոտորը պտտվում է ճշգրիտ ստատորի մագնիսական դաշտի արագությամբ: Ռոտորը կարող է լինել մշտական մագնիս կամ էլեկտրամագնիս: Սինխրոն շարժիչները լայնորեն կիրառվում են այնտեղ, որտեղ պահանջվում է բարձր արդյունավետություն և ճշգրիտ կառավարում, այդ թվում՝ որոշ արդյունաբերական կիրառություններում և էլեկտրական տրանսպորտային միջոցներում:
5. Արագության և պտտող մոմենտի վրա ազդող գործոններ
Էլեկտրական շարժիչի պտտման արագությունը և արդյունքում առաջացող պտտող մոմենտը կախված են մի քանի հիմնական գործոններից.
– Լարում և հոսանք. հաստատուն հոսանքի շարժիչներում լարումը ազդում է արագության վրա, մինչդեռ հոսանքը՝ պտտող մոմենտի վրա: AC շարժիչներում լարումը և հոսանքը դեռևս դեր են խաղում, բայց սովորաբար կարգավորվում են ինվերտորի կողմից:
– Հաճախականություն. փոփոխական հոսանքի շարժիչներում ստատորի մագնիսական դաշտի արագությունը կախված է սնուցման աղբյուրի հաճախականությունից: Հետևաբար, հաճախականության կառավարումը փոփոխական հոսանքի շարժիչի արագությունը կարգավորելու հիմնական միջոցն է:
– Բևեռների քանակը. փոփոխական հոսանքի շարժիչներում, որքան շատ ստատորի բևեռներ կան, այնքան ցածր է սինխրոն արագությունը նույն հաճախականության համար։
– Մեխանիկական բեռ. Որքան մեծ է բեռը, այնքան մեծ է շարժիչի կողմից պահանջվող պտտող մոմենտը: Ասինխրոն շարժիչներում բեռի աճը հակված է մեծացնել սահքը:
– Դիզայն և նյութեր. Մագնիսական նյութի որակը, կծիկի դիզայնը և սառեցման համակարգը ազդում են աշխատանքի և արդյունավետության վրա։
6. Արդյունավետություն և էներգիայի կորուստ
Մուտքային էլեկտրական էներգիայի ոչ բոլոր մասերն են վերածվում մեխանիկական էներգիայի։ Մի մասը կորչում է հետևյալի տեսքով՝
– Պղնձի կորուստ՝ ջերմություն առաջացնող կծիկի դիմադրության պատճառով։
– Երկաթե նյութերի միջուկի կորուստը հիստերեզիսի և մրրիկային հոսանքների պատճառով։
– Մեխանիկական կորուստներ՝ պայմանավորված կրողներում շփման և օդի դիմադրության հետևանքով։
– Կառավարման համակարգում նախագծային թերությունների և հարմոնիկների պատճառով լրացուցիչ կորուստներ։
Լավ շարժիչը նախագծված է այդ կորուստները նվազագույնի հասցնելու համար, օրինակ՝ օգտագործելով որակյալ պղնձե մետաղալար, միջուկի շերտավորում՝ մրրկային հոսանքները նվազեցնելու համար, և օդափոխության կամ սառեցման համակարգ։
7. Եզրակացություն
Էլեկտրական շարժիչի աշխատանքային սկզբունքը, ըստ էության, էլեկտրական հոսանքի և մագնիսական դաշտի փոխազդեցությունն է՝ պտտող մոմենտ և պտտական շարժում առաջացնելու համար: Ստատորը ստեղծում է մագնիսական դաշտ, ռոտորը արձագանքում է այդ դաշտին, և կոմուտացիոն համակարգը՝ կամ մեխանիկական խոզանակային հաստատուն հոսանքի շարժիչներում, կամ էլեկտրոնային՝ ժամանակակից շարժիչներում, պահպանում է այն պտտող մոմենտը, որը պահպանում է ռոտորի անընդհատ շարժումը: AC շարժիչները հիմնված են պտտվող մագնիսական դաշտի վրա, մինչդեռ հաստատուն հոսանքի շարժիչները ավելի շատ հիմնված են կծիկներում հոսանքի շրջադարձի վրա:
Հասկանալով Լորենցի ուժի, էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի և հիմնական բաղադրիչների՝ ստատորի, ռոտորի և կարգավորիչի դերի հասկացությունները՝ մենք կարող ենք տեսնել, որ էլեկտրական շարժիչները ոչ միայն «պտտվող սարքեր» են, այլև արդյունավետ էլեկտրամագնիսական ճարտարագիտություն, որը կարևոր է ժամանակակից կյանքի համար: Եթե ցանկանում եք ավելի խորը ուսումնասիրել, հաջորդ քայլը շարժիչների որոշակի տեսակների՝ ինչպիսիք են ինդուկցիոն շարժիչները, սինխրոն շարժիչները և անխոզանակ շարժիչները, և դրանց արագությունը ինվերտորի կամ էլեկտրոնային դրայվերի միջոցով կառավարելու եղանակը սովորելն է:
