Электр қозғалтқыштары қалай жұмыс істейді
Электр қозғалтқышы - электр энергиясын айналмалы қозғалыс түрінде механикалық энергияға айналдыратын құрылғы. Бұл технология желдеткіштер мен су сорғыларынан бастап зауыттық жабдықтарға және тіпті электр көліктеріне дейінгі әртүрлі заманауи құрылғылардың негізін құрайды. Электр қозғалтқыштарының жұмыс принциптерін түсіну тек инженерия студенттері үшін ғана емес, сонымен қатар айналамыздағы құрылғылардың тек электр қуатымен қалай жұмыс істей алатынын түсінгісі келетін кез келген адам үшін де маңызды. Бұл мақалада негізгі ұғымдар, негізгі компоненттер және электр қозғалтқыштарының қалай жұмыс істейтіні қысқаша, бірақ жан-жақты талқыланады.
1. Негізгі түсінік: Электромагниттік күш
Электр қозғалтқышының негізгі принципі электр тогы мен магнит өрістерінің өзара әрекеттесуіне негізделген. Электр тогы магнит өрісіндегі өткізгіш (мысалы, сым) арқылы өткенде, өткізгіш күшке ұшырайды. Бұл құбылыс Лоренц күші деп аталады. Пайда болған күштің бағыты ток бағытына және магнит өрісінің бағытына байланысты. Электр қозғалтқышында бұл күш ротордың айналуы үшін айналу моментін (бұрылыс моментін) жасау үшін қолданылады.
Қарапайым тілмен айтқанда, электр қозғалтқышы үнемі өзгеріп отыратын магниттік итеру мен тарту күшіне байланысты айналмалы бөлікті (роторды) қозғалысын жалғастыруға «мәжбүрлейді». Бұл өзгерістер айналу бір орында тоқтап қалмай, жалғасатындай етіп реттеледі.
2. Электр қозғалтқышының негізгі компоненттері
Электр қозғалтқыштарының көптеген түрлері болғанымен, олардың негізгі құрылымы әдетте келесі компоненттерден тұрады:
1. Статор
Статор - қозғалтқыштың қозғалмайтын бөлігі. Оның қызметі - магнит өрісін жасау. Кейбір қозғалтқыштарда статордың магнит өрісі тұрақты магниттермен жасалады, ал басқаларында статор электромагниттік өрісті жасау үшін ток өткізетін катушканы пайдаланады.
2. Ротор (арматура)
Ротор - айналмалы бөлік. Роторда әдетте статордың магнит өрісімен әрекеттесетін катушкалар немесе магниттер болады. Бұл әрекеттесу күш тудырған кезде, ротор білік бойынша айналады.
3. Катушка (орама)
Катушка - ток өткізетін сым катушкасы. Орамдар қозғалтқыш түріне байланысты статорда немесе роторда орналасуы мүмкін. Бұл катушкалар магнит өрісі мен айналу моментін тудыруда маңызды рөл атқарады.
4. Қуат көзі және басқару жүйесі
Қуат көзі тұрақты ток (ТТ) немесе айнымалы ток (АЙ) болуы мүмкін. Қазіргі заманғы қозғалтқыштар, әсіресе өнеркәсіптік қозғалтқыштар мен электр көліктері, жиілікті, кернеуді және токты реттеу үшін инверторлар немесе драйверлер сияқты контроллерлерді пайдаланады, бұл жылдамдық пен моментті басқаруға мүмкіндік береді.
5. Коллектор және щеткалар (кейбір тұрақты ток қозғалтқыштарында)
Щеткалы тұрақты ток қозғалтқышында коллектор мен щеткалар бір бағытты айналу моментін сақтау және үздіксіз айналуды қамтамасыз ету үшін ротор катушкаларындағы ток бағытын мезгіл-мезгіл өзгертеді. Щеткасыз қозғалтқышта бұл коммутация функциясы электрондық схемамен ауыстырылады.
6. Мойынтіректер және корпус
Мойынтіректер ротордың минималды үйкеліспен айналуына көмектеседі, ал қозғалтқыш корпусы ішіндегі компоненттерді қорғайды және жылудың таралуына көмектеседі.
3. Тұрақты ток қозғалтқышының жұмыс принципі
Тұрақты ток қозғалтқышы - түсінуге ең оңай қозғалтқыш түрлерінің бірі, себебі оның тұжырымдамасы өте қарапайым. Тұрақты ток кернеуі қолданылған кезде, ток статордың магнит өрісінде орналасқан ротор катушкалары арқылы ағады. Нәтижесінде катушкалардың қарама-қарсы жақтарына әсер ететін Лоренц күші пайда болады, бұл айналу моментін тудырады. Ротор айнала бастайды.
Дегенмен, бір қиындық бар: егер катушкалардағы ток бағыты тұрақты болып қалса, ротор белгілі бір позицияға жеткенде тоқтайды, себебі пайда болған күш нөлге тең болуы мүмкін («теңгерімді» позиция). Дәл осы жерде коллектор жұмыс істейді. Коллектор катушкалардағы ток бағытын әрбір жарты айналым сайын өзгертеді. Бұл кері айналдыру момент бағытын тұрақты ұстайды, бұл ротордың айналуын жалғастыруға мүмкіндік береді.
Тұрақты ток қозғалтқыштарының жылдамдықты салыстырмалы түрде оңай басқару артықшылығы бар. Жылдамдықты кернеуді өзгерту арқылы басқаруға болады, ал айналу моменті ток күшіне байланысты. Осы сипаттамаларына байланысты тұрақты ток қозғалтқыштары белгілі бір электрондық құрылғылар, ойыншық қозғалтқыштар немесе шағын қозғалтқыштар сияқты жылдамдықты дәл басқаруды қажет ететін қолданбаларда кеңінен қолданылады.
4. Айнымалы ток қозғалтқышының жұмыс принципі
Айнымалы ток қозғалтқыштары айналмалы магнит өрісі принципі бойынша жұмыс істейді. Мысалы, үш фазалы асинхронды қозғалтқышта статорда фазалық айырмашылығы 120 градус болатын айнымалы токпен қамтамасыз етілген үш катушка бар. Бұл фазалық айырмашылық статор тудыратын магнит өрісінің қозғалтқыш осі айналасында айналатындай көрінуіне әкеледі.
Айналмалы статор магнит өрісі роторды да айналдыру үшін «тартады». Индукциялық қозғалтқыштарда ротор әдетте екі ұшында жалғанған өткізгіш жолақтардан тұратын тиін торының пішінін алады. Айналмалы магнит өрісі ротор арқылы өткен кезде, ротор жолақтарында индукциялық ток пайда болады (Фарадейдің электромагниттік индукция заңына сәйкес). Бұл индукциялық ток статор өрісімен әрекеттесетін ротордың магнит өрісін тудырады, бұл айналу моментін тудырады.
Индукциялық қозғалтқыштардың қызықты тұсы - ротор ешқашан статордың магнит өрісімен бірдей жылдамдықта айналмайды. Бұл жылдамдық айырмашылығы сырғанау деп аталады, ал сырғанау индукцияның пайда болуы үшін қажет. Индукциялық қозғалтқыштар беріктігімен, қарапайымдылығымен және қарапайым күтімімен танымал, себебі олар щеткаларды немесе механикалық коллекторларды пайдаланбайды.
Индукциялық қозғалтқыштардан басқа, синхронды қозғалтқыштар да бар. Синхронды қозғалтқышта ротор статордың магнит өрісінің жылдамдығымен дәл айналады. Ротор тұрақты магнит немесе электромагнит болуы мүмкін. Синхронды қозғалтқыштар жоғары тиімділік пен дәл басқару қажет болған кезде, соның ішінде кейбір өнеркәсіптік қолданбаларда және электр көліктерінде кеңінен қолданылады.
5. Жылдамдық пен айналу моментіне әсер ететін факторлар
Электр қозғалтқышының айналу жылдамдығына және оның айналу моментіне бірнеше негізгі факторлар әсер етеді:
– Кернеу және ток: Тұрақты ток қозғалтқыштарында кернеу жылдамдыққа, ал ток айналу моментіне әсер етеді. Айнымалы ток қозғалтқыштарында кернеу мен ток әлі де рөл атқарады, бірақ әдетте инвертормен басқарылады.
– Жиілік: Айнымалы ток қозғалтқыштарында статор магнит өрісінің жылдамдығы қуат көзінің жиілігіне байланысты. Сондықтан, жиілікті басқару айнымалы ток қозғалтқышының жылдамдығын реттеудің негізгі құралы болып табылады.
– Полюстер саны: Айнымалы ток қозғалтқыштарында статор полюстері неғұрлым көп болса, сол жиіліктегі синхронды жылдамдық соғұрлым төмен болады.
– Механикалық жүктеме: Жүктеме неғұрлым көп болса, қозғалтқышқа соғұрлым көп айналу моменті қажет болады. Индукциялық қозғалтқыштарда жүктеменің артуы сырғанау жылдамдығын арттырады.
– Дизайн және материалдар: Магнит материалының сапасы, катушка дизайны және салқындату жүйесі өнімділік пен тиімділікке әсер етеді.
6. Тиімділік және энергия шығыны
Барлық кіретін электр энергиясы механикалық энергияға айнала бермейді. Кейбіреулері келесі түрде жоғалады:
– Жылу шығаратын катушка кедергісіне байланысты мыстың жоғалуы.
– Гистерезис және құйынды токтар салдарынан темір материалдарындағы өзектің жоғалуы.
– Мойынтіректердегі үйкеліс пен ауа кедергісінен туындаған механикалық шығындар.
– Басқару жүйесіндегі жобалау кемшіліктері мен гармоникаларға байланысты қосымша шығындар.
Жақсы қозғалтқыш бұл шығындарды азайту үшін жасалған, мысалы, сапалы мыс сымды, құйынды токтарды азайту үшін өзекті ламинациялауды және желдету немесе салқындату жүйесін пайдалану арқылы.
7. Қорытынды
Электр қозғалтқышының жұмыс принципі негізінен электр тогының магнит өрісімен өзара әрекеттесуі болып табылады, бұл айналу моментін және айналмалы қозғалысты тудырады. Статор магнит өрісін тудырады, ротор сол өріске жауап береді, ал коммутация жүйесі - щеткалы тұрақты ток қозғалтқыштарында механикалық немесе қазіргі заманғы қозғалтқыштарда электронды - ротордың үздіксіз қозғалысын қамтамасыз ететін айналу моментін сақтайды. Айнымалы ток қозғалтқыштары айналмалы магнит өрісіне сүйенеді, ал тұрақты ток қозғалтқыштары катушкалардағы токтың кері айналуына көбірек сүйенеді.
Лоренц күші, электромагниттік индукция және статор, ротор және контроллер сияқты негізгі компоненттердің рөлін түсіну арқылы біз электр қозғалтқыштарының тек «айналмалы құрылғылардан» артық екенін, сонымен қатар қазіргі өмір үшін өте маңызды тиімді электромагниттік инженерия екенін көре аламыз. Егер сіз тереңірек зерттегіңіз келсе, келесі қадам - индукциялық қозғалтқыштар, синхронды қозғалтқыштар және щеткасыз қозғалтқыштар сияқты нақты қозғалтқыш түрлері туралы және олардың жылдамдығын инвертор немесе электрондық драйвер арқылы қалай басқару керектігін білу.
