Alternating-Current Motors

Alternating-current motors are classified as induc­tion motors or synchronous motors. Faraday found that a stationary wire in a magnetic field produced no current. However, when the wire continues to move across magnetic lines of force, it produces a continu­al current. When the motion stops, so does the cur­rent. Thus Faraday proved that electric current is only produced from relative motion between the wire and magnetic field. It is called an induced cur­rent—an electromagnetic induction effect.

Induction motors usually entail insulated wiring windings for both the rotor and the stator, with the stator connected to an external electric power source. Between the narrow gap of the stator and the rotor, a revolving magnetic field is established. A current can be established only when the waves of the rotor and stator windings are not in phase—not at a maximum simultaneously.

The induction motor is the most common motor in industrial applications, and are also very prevalent for smaller applications because of their simple construction, reliability, efficiency, and low cost. Historically they have been found in applications that call for a constant speed drive, since the alternating-current power supply is of constant voltage and fre­quency; however, the continual development of more powerful and less inexpensive solid-state elec­tronic devices has allowed for electronic inverters (which control voltage and frequency) to more accu­rately control the speed and torque of induction motors, thereby matching the control performance of a motor. Since induction motors are less expensive, more compact, more efficient, and more reliable (better voltage overload capabilities), it is likely that induction motors will continue to replace motors in most applications.

Synchronous motors operate like induction motors in that they rely on the principle of a rotating magnetic field, usually produced by the stator. Synchronous motors differ in that the rotor generates a constant unidirectional field from a direct-current winding powered by a direct-current source. This field interacts with the rotating field. To get around the need for direct current-power, the stator can be constructed from permanent magnets so that the per­manent magnetic field and rotating field can be syn­chronized. Synchronous motors are most useful for low-load applications where constant speed control is crucial, such as in phonographs, tape recorders, and electric clocks.

Дж.Зумерчик-Макмиллан. Энциклопедия энергии. Том 1.
Электродвигатели

Электродвигатели есть везде. Эти устройства повсеместно используются в широком диапазоне размеров и мощностей от долей ватта до огромных киловаттных устройств. Крошечные электродвигатели обслуживают приводы компьютерных дисков, электрические стеклоподъемники и зеркала и стеклоочистители; на двигателях средних размеров работают такие приборы, как вентиляторы, миксеры, электробритвы и пылесосы; большие приводы обслуживают насосы, лифты, лесопилки, а так же электропоезда и транспортные средства.

Произошел не только рост общего количества электродвигателей (более стандартных устройств в использовании), но и появление новых сфер их использования двигателей. Обе тенденции будут продолжать расти, так же, как и спрос на электроэнергию для питания электродвигателей. В Соединенных Штатах электродвигатели потребляют более половины всей электроэнергии, а для промышленного сектора в отдельности – почти две трети. Так как стоимость электроэнергии для питания этих двигателей является огромной (по оценкам, более $ 90 млрд в год), научные исследования сосредоточены на поиске путей повышения энергетической эффективности двигателей и двигательных систем.

Раннее развитие

Электродвигатели представляют собой устройства, которые преобразуют электрическую энергию в механическую энергию. Устройства, которые совершают обратное преобразование механической энергии в электрическую, называются генераторами. Важным примером являются электростанции, где большие газовые, паровые турбины и турбины гидроэлектростанций вращают генераторы для производства электроэнергии. Так как и генераторы, и двигатели работают по одним и тем же принципам, а различия в конструкции минимальны, часто генераторы могут работать как двигатели, а двигатели, как генераторы, лишь с незначительными изменениями. Раннее развитие электродвигателей и генераторов начинается с открытия Ганса Христиана Эрстеда в 1820 году о том, что электричество в движении генерирует магнитное поле. Эрстед доказал идею, которую долго не могли подтвердить, что действительно существует связь между электричеством и магнетизмом. Вскоре после этого Майкл Фарадей построил примитивный электрический мотор, который показал, что эффект Эрстеда может быть использованы для производства непрерывного движения.

Электродвигатели состоят из двух основных частей: ротора, который может свободно вращаться, и статора, который является неподвижным (рис. 1). Обычно каждый из них производит магнитное поле, либо за счет использования постоянных магнитов, либо с помощью электрического тока, протекающего через электромагнитные обмотки (электромагниты производят магнитное поле с помощью электрического тока, а не с помощью постоянных магнитов). Эти силы притяжения и отталкивания между полюсами на роторе и статоре заставляют электромагнит вращаться. Сила отталкивания максимальна, когда линии тока перпендикулярны магнитному полю. Левая часть ратора получает толчок вверх, а правая получает толчок вниз, таким образом, вращение происходит по часовой стрелке. Когда положение ротора параллельно магнитному полю (как показано на рисунке 1) то по бокам ротора силы нет. Когда ротатор перпендикулярен магнитному полю, силы, действующие на все его стороны в равной степени, взаимно уничтожаются. Таким образом, для получения непрерывного движения, ток должен менять направление при достижении вертикального положения ротора. При переменном токе двигателей это происходит автоматически, так как переменная сила магнитного притяжения и сила отталкивания изменяет направление 120 раз в секунду; а при постоянном токе питания электродвигателя, это изменение обычно осуществляется с помощью устройства под названием коммутатор.

Прежде чем появилась возможность разработать полезный электродвигатель, необходимо было прежде всего разработать практичные электромагниты, которые в первую очередь были результатом работы, проделанной англичанином Уильямом Старджном, а также Джозефом Генри и Томасом Дэвенпортом из США. В 1873 году Зеноб-Теофиль Грамм, бельгийский инженер-электрик, продемонстрировала первый коммерческий электрический двигатель. Десять лет спустя Никола Тесла, сербско-американский инженер, изобрел первый асинхронный двигатель переменного тока, которой стал прототипом для большинства современных электродвигателей. Магнитные поля сегодня измеряются в единицах Тесла (символ Тл), чтобы признать вклад Теслы в область электромагнетизма.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: