государственное бюджетное общеобразовательное учреждение Самарской области

средняя общеобразовательная школа №1

имени Героя Советского Союза Зои Космодемьянской

Городского округа Чапаевск  Самарской области

Индивидуальный проект

На тему

«Электродвигатели»

Выполнил: ученик 9а класса

Мирзоян  Роман  Вадимович

Руководитель: учитель физики

Алёша Валентин Анатольевич

2022 г.

Содержание

1. Введение        2
2. Электродвигатель        4
3. Классификация электродвигателей        4
4. История        5
5. Устройство электродвигателя        8
6. Основные параметры электродвигателей        8
7. Принцип работы  электродвигателя        9
8. Особенности электродвигателя, его достоинства и недостатки        11
9. Применение        12
10. Заключение        13
11. Список литературы        13

Введение

  В 21-ом веке электродвигатели имеют особое место в нашей жизни. Сегодня они используются не только во всех отраслях промышленности, но и в транспорте, предметах и устройствах, окружающих нас в повседневной жизни, на работе, в школе и дома. Фены, вентиляторы, швейные машины, строительные инструменты, компьютеры – вот далеко не полный перечень устройств, где используются электродвигатели. И мне стало интересно, как они устроены. И  решил познакомиться с историей и устройством электродвигателя.

Для достижения цели своей работы мне необходимо решить следующие задачи:

• Электродвигатель ;
• Познакомиться с историей развития электродвигателя ;
• Устройство электродвигателя ;
• Выяснить принципы работы электродвигателя;
• Особенности и недостатки;
• Изучить область применения электродвигателей.

Гипотеза: Если мы изучим работу и устройство электродвигателя, то сможем определить его проблемы и варианты их решений.

---

Электродвигатель

Электродвигатель – это  устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую энергию.

В основе этого преобразования лежит магнетизм. В электродвигателях используются постоянные магниты и электромагниты, кроме того, используются магнитные свойства различных материалов, чтобы создавать эти удивительные устройства.

Электродвигатели с переменного тока вы можете найти в любой электрической розетке в доме.

Существует несколько типов электродвигателей.

Отметим два главных типа:

1. Электродвигатели первого типа использует для работы источник переменного тока.
2. Электродвигатели второго типа использует для работы источник постоянного тока.

Классификация электродвигателей

В зависимости от характеристик питающей сети выделяют 2 основных типа двигателя:

1. Постоянного тока

2. Переменного тока:

• Синхронные (где ротор вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения)

• Асинхронные (где частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля): однофазные, двухфазные, трехфазные, многофазные    

История

Электродвигатель был создан в 1834 году  Борисом  Якоби, русским пионером электротехники, и после некоторых усовершенствований в 1838 году был установлен на лодке, которая могла с его помощью перемещаться по реке со скоростью около 4 км\ч. Но несмотря на это  изобретение, электродвигатели не могли найти массового применения, до того момента, пока не был создан электрический генератор, поскольку осуществлять их питание от батареи было крайне неудобно.

Начальный период развития электродвигателя (1821 - 1834 гг.). Он тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую. В 1821 г. М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита, или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея стал толчком для большинства ученых, изобретатели электродвигателя получили лучик надежды.

Первый двигатель переменного тока был сконструирован и создан Чарльзом  Уитстоном  в 1841 году. Началом применения переменного тока для электродвигателей принято считать 1889 год, когда инженер Доливо - Добровольский сконструировал первый трехфазный асинхронный двигатель. Первая линия трехфазного переменного тока была создана в 1891 году. К началу 20-го века появились прототипы основных электромашин.

Первые электродвигатели напоминали по устройству паровые машины: двигатель Дж.  Генри (1832 г.) и двигатель У. Пейджа (1864 г.) имели коромысла, кривошип, шатун, а также золотники (переключатели тока в соленоидах, заменявших собой цилиндр).

Электродвигатель  У. Пэйджа

Второй этап развития электродвигателей (1834 – 1860 гг.) характеризуется конструкциями с вращательным движением явнополюсного якоря. Однако вращательный момент на валу у таких двигателей обычно был резко пульсирующим.

В 1834 г. Б.С.Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. Этот двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна группа (4 электромагнита) располагались на неподвижной раме, а другая аналогичная – на вращающемся диске. В качестве источника питания электромагнитов применялась батарея гальванических элементов. Для изменения полярности электромагнитов использовался простейший коммутатор. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно, и ток в них имел одно и тоже направление. Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них с помощью коммутатора изменялось 8 раз за один оборот вала, следовательно, изменялась их полярность, и они поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.

Такой двигатель получил название явнополюсного электродвигателя Якоби и был вполне работоспособным. В 1838 г.  этот  двигатель получил первое  практическое применение на реке Неве для приведения в движение лодки с пассажирами.

Электродвигатель  С. Якоби

Третий этап в развитии электродвигателей (1860 – 1887 гг.) связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом.

В 1860 г.  итальянец  А. Пачинотти  изобрёл электродвигатель.  Его двигатель состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. Подвод тока осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов включалась последовательно с обмоткой якоря.

Габариты двигателя были невелики, он имел практически постоянный вращающий момент. В двигателе  Пачинотти  явнополюсный  якорь был заменен неявнополюсным. Барабанный якорь, в котором рабочим является проводник, составляющий виток, был изобретен лишь в 1872 г. В. Сименсом. Еще через 10 лет в железе якоря появились пазы для обмотки .

Барабанный якорь машины постоянного тока стал таким, каким мы его можем видеть в настоящее время.

Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи, с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешевого источника электрической энергии – электромагнитного генератора постоянного тока.

В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции. В дальнейшем он все более и более совершенствовался.

Таким образом, общими усилиями множества ученых разных стран, на протяжении более полувека создавалась конструкция, которую можно назвать электродвигателем.

Электродвигатель А. Пачинотти

Устройство электродвигателя

Электродвигатель состоит из:

• Статора - это неподвижная его часть.

• Ротора - подвижная часть.

• Коллектора, выполняющего одновременно 2 функции: является датчиком углового положения ротора и переключателем тока со скользящими контактами.

• Щеток – скользящих контактов, расположенных вне ротора и прижатых к коллектору.

Основные параметры электродвигателей

Номинальными данными электрической машины называют данные, характеризующие ее работу в режиме, для которого она предназначена заводом-изготовителем. К номинальным данным относятся мощность, напряжение, ток, частота, КПД, коэффициент мощности, частота вращения и ряд других данных в зависимости от типа и назначения машины.

• Мощность, Вт

• Частота вращения, об/мин

• Крутящий (вращающий) момент, Нм

• Потребляемый ток, А

• КПД, %

• Напряжение сети, В

• Частота сети, Гц

Принцип работы  электродвигателя

Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из статора и ротора (якоря), разделенных воздушным зазором.

Статор электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного поля машины и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина служит для крепления основных и добавочных полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На главных полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины, на добавочных полюсах - специальная обмотка, служащая для улучшения условий коммутации.

Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянного тока.

Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе, связанной с корпусом электродвигателя. 

Итак, современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полюсами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе.

 Принцип его работы следующий. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части — «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо. Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение. Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя.

Таким образом, электрическая энергия, которая подается на статор, превращается в механическую энергию ротора. К вращающемуся валу можно подключать различные механизмы, выполняющие полезную работу.

Особенности электродвигателя, его достоинства и недостатки

На сегодня электродвигатели являются одними из самых распространенных видов силовых установок, и тому есть немало причин. У них высокий КПД порядка 90%, а иногда и выше, довольно низкая себестоимость и простая конструкция, они не выделяют вредных веществ в процессе эксплуатации, дают возможность плавно менять скорость во время работы без использования дополнительных механизмов типа коробки передач, надежны и долговечны.

Недостатки – это отсутствие высокоемкостного аккумулятора электроэнергии для автономной работы.

На сегодняшний день двигатели постоянного тока мало используются на производстве. Из недостатков этого типа электрических машин можно отметить можно ещё и быстрый износ щёточно-коллекторного узла.

Преимущества - это хорошие характеристики запуска, лёгкая регулировка частоты и направления вращения, простота устройства и управления. Электродвигатель переменного тока менее мощный, у него сложно регулировать скорость в широком диапазоне, он имеет меньший КПД.

Применение

С каждым днем количество приборов, работающих от электричества, всё возрастает. Электродвигатели получили широкое применение не только во многих отраслях промышленности, но и в предметах и устройствах, окружающих нас каждый день, так как простота их конструкции, надежность, долговечность и высокий показатель КПД делает их практически универсальными. Фены, вентиляторы, насосы, некоторые виды транспорта - вот лишь некоторый перечень устройств, работающих не без помощи электродвигателей. Относительной простотой конструкции и надежностью в эксплуатации отличаются именно асинхронные электродвигатели. Они хорошо используются в приводах деревообрабатывающих, металлообрабатывающих и других видов станков, кузнечнопрессовых, грузоподъемных, ткацких, швейных, землеройных машин, вентиляторов, насосов, компрессоров, в ручном электроинструменте, в центрифуге, в лифтах, в бытовых приборах и т.д. однако имеют ограниченный диапазон частоты вращения и низкий коэффициент мощности при малых оборотах.

Крановые электродвигатели применяются в жилищном и капитальном строительстве, в горнодобывающей и металлургической промышленности, энергетике, на транспорте. Одним из видов транспорта, где используются электродвигатели, является метро.

Со временем мощность электродвигателей выросла от пятидесяти ватт до двухсот киловатт. Притом новые модели электродвигателей имеют сравнительно небольшие габариты: они выглядят, примерно, как швейная машинка. Более того, новые электродвигатели могут разгоняться до десятков тысяч оборотов в минуту за считанные секунды. Согласитесь, время не стоит на месте, техника совершенствуется и имеет уже более широкие возможности.

Заключение

Жизнь современного человека немыслима без использования электродвигателей. Их можно найти в автомобиле и в пылесосе, электромясорубке, кухонном комбайне, кофемолке, в сложнейших станках и в обычных детских игрушках. Они есть практически везде, хотя и отличаются между собой типом, строением и рабочими характеристиками. Трудно представить, что каких-то 150 лет назад человечество даже не знало о возможности существования электродвигателя.

Задачи, поставленные мною в начале работы, были выполнины.

Список литературы

1. http://energo-vesta.com.ua/statiya/46-istoriya.html
2. http://elektrik24.net/elektrooborudovanie/elektrodvigateli/princip-raboty-3.html
3. http://jelektro.ru/elektricheskie-terminy/ustrojstvo-rabota-jelektrodvigatelja.html
4. http://electricalschool.info/main/osnovy/1603-principy-dejjstvija-i-ustrojjstvo.html

5. https://arve.ru/text-articles/elektrodvigatel-ustroystvo-princip-raboty-klassifikaciya-osnovnye-parametry. html