Магнитный двигатель википедия: Лженаука и аферисты. Вечный двигатель / Хабр

Содержание

Лженаука и аферисты. Вечный двигатель / Хабр

Патенты США
• 3913004 от 14 октября 1975, Метод и аппаратура для увеличения электрической мощности, Роберт Александер.
• 4975608 от 4 декабря 1990, Мотор с переключаемым магнитным сопротивлением, Гарольд Аспден.
• 5288336 Преобразователь тепла в электричество, Гарольд Аспден.смотри также патенты номер 5,065,085 и 5,101,632
• 4622510 от 11 ноября 1986, Параметрическая электромашина, Фердинанд Кап.
• 2912244 от 1959 года, Гравитационная система, Отис Карр.
• 4006401 от 1 февраля 1977, Электромагнитный генератор, В Ривас.
• 3811058, 3879622 Моторы на постоянных магнитах.
• 2982261 Воздушный мотор Мак Клинтока.
• 4595843 от 17 июня 1986, Трансформатор вращающегося магнитного потока с сердечником с низкими потерями, Роберт Дель Вечио.
• 4567407 от 28 января 1986, Мотор — альтернатор, Джон Эклин.
• 3368141 от 6 января 1968, Трансформатор в сочетании с постоянными магнитами, Карлос Гарон.

• 3890548 от 17 июня 1975, Мотор с пульсирующим конденсаторным разрядом, Эдвин Грей.
• 4595852 от 17 июня 1986, Электростатический генератор, Роберт Гандлах.
• 4831299 от 16 мая 1989, Униполярный генератор переменного тока, Енакиши Хайсака.
• 4249096 от 3 февраля 1981, Электрическое динамо, Барбара Никокс.
• 3610971 от 5 октября 1971, Электродвижущий генератор электрического поля, Виллиямс Купер.
• 4897592 от 30 января 1990, Система, создающая мощность из энергии электростатического поля, Виллиямс Хайд.
• 4151431 от 24 апреля 1979, Мотор с постоянными магнитами, Говард Джонсон.
• 4806834 от 21 февраля 1989, Электрическая цепь индуктивных проводников, трансформаторов и моторов, Эрл Кениг.
• 3374376 от 19 марта 1968, Электрический генератор, Раймонд Кромри.
• 3977191 от 31 августа 1976, Источник мощности… Роберт Бритт.
• 3670494, Метод конвертирования атомной энергии в полезную кинетическую энергию.
• 4428193, Система извлечения полезной работы из топлива. В качестве топлива используется смесь инертных газов, циркулирующая в закрытой системе.
• 4709323 от 24 ноября 1987, Конвертор параллельного резонанса, Чарльз Лиен.
• 5146395 от 8 сентября 1992, Источник мощности, использующий две накопительные цепи, Ричард Мак Ки.
• 4210859 от 1 июня 1980, Индуктивное устройство, имеющее две ортогональные обмотки, Пауль Мерестский.
• 4500827 от 19 февраля 1985, Линейный электрический генератор, Томас Мерит.
• 4904926 от 27 февраля 1990, Электрический генератор магнитного движения, Марио Пацишинский.
• 4945273 от 31 июля 1990, Высокоэффективная электрическая машина, Джозеф Пинкертон.
• 4883977 от 28 ноября 1989, Преобразователь магнитной мощности, Деннис Реган.
• 4077001 Электромагнитный преобразователь со стационарными элементами, имеющими изменяемое магнитное сопротивление, Франк Ричардсон.
• 5018180 от 21 мая 1991, Конверсия энергии, использующая заряд высокой плотности, Кеннет Шолдерс.
• 4652771 от 24 марта 1987, Трансформатор с колебаниями магнитного потока, Теодор Спич.
• 4772816 от 20 сентября 1988, Система конверсии энергии, Джефри Спенс.
• 4748311 от 31 мая 1988, Инвертор с источником мощности для прерывателя параллельной резонансной цепи, настроенной на удвоенную частоту прерывателя, Фридрих-Вернер Томас.
• Международный патент H02K 31/00, 39/00 от 24 июня 1982, Замкнутая часть униполярной машины, Адам Тромбли.
• 4835433 1987 год, Аппаратура для непосредственного преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую энергию, Браун П.М.
• Патенты США по электрогравитации: 1363037 Goddard 21 Декабря 1920; 2004352 Simon 11 Июня, 1935; 2210918 Karlovitz 13 Августа, 1940; 2588427 Stringfield 11 Марта, 1952; 2231877 Bennet 18 Февраля 1941; 2279586 Bennet 14 Апреля 1942; 2305500 Slayter 15 Декабря 1942.
• Английский патент номер 300,311 от 15 Августа 1927, Устройство для производства силы или движения при помощи электродов, Таунсенд Браун.
• Французский патент номер 1003484 от 11/1951 года.
Электрогравитация.
• 3187206 от 1 июня 1965, Электрокинетическая аппаратура, Таунсенд Браун.
• 3022430 от 20 февраля 1962, Электрокинетический генератор, Таунсенд Браун.
• 3018394 от 23 января 1962, Электрокинетический преобразователь, Таунсенд Браун.
• 2949550 от 16 августа 1960, Электрокинетическая аппаратура, Таунсенд Браун.
• 1974483 от 25 сентября 1934, Электростатический мотор, Таунсенд Браун.
• 4687947 от 18 Августа 1987, Электрическая цепь сохранения мощности, Мельвин Кобб.
• 4772775 от 20 Сентября 1988, Генерация потока плазмы в электрической дуге, Сэм Лич.
• 4432098 и 4429280, Передача информации при помощи магнитного векторного потенциала, Рейнолдс Гелинас.
• Великобритания, No. 547668, 30 января ( 7 сентября ) 1942 года, Мотор с постоянными магнитами, автор Стенли Хичкок.
• Великобритания, Заявка No.2282708A, Мотор с постоянными магнитами, Роберт Адамс, Гарольд Аспден.

Патенты по расщеплению воды и использованию ее в качестве топлива, в том числе по «холодному синтезу»
• 4394230 патент США от 19 Июля 1983, Метод и аппаратура для расщепления молекул воды, Генри К. Пухарич.
• 2251775 патент Великобритании от 20 Апреля 1994, Термоэлектрическая конверсия, Гарольд Аспден.
• 5288336 патент США, Термоэлектрическая конверсия, Гарольд Аспден.

Организации и центры по изучению технологий свободной энергии
• Русское Физическое Общество, 141002, Московская обл., Мытищи, Б.Шараповская 3. Факс 095-2926511. Издает журналы.
• Институт Свободной Энергии, Санкт-Петербург, 193024, а/я 37. Общественная организация, база данных по исследованиям в области гравитации и альтернативной энергетике.
• Academy for Future Sciences, P.O.Box FE, Los Gatos, CA 95031, USA.
• AERI, Advanced Energy Research Institute, 14 Devonshire Mews West, London W1N 1Fp, Great Britain.

• ADAS, Association of Distinguished American Scientists,P.O.Box 1472, Huntsville, AL 35807, USA. Fax 205-536-0411.
• Borderland Sciences Research Foundation, P.O.Box 429, Garberville, CA 95440-0429, USA.
• Centre for Action, P.O.Box 472, HCR 31, Sandy Valley, NT 89019, USA. Издает книги, журнал и распространяет видеоленты.
• COSRAY, The Research Institute, Inc., 2505 South Forth Street East, P.O.Box 651045, Salt Lake City, UT 84165-1045, USA.
• Delta Spectrum Research, Inc., 5608 South 107th East Av., Tusla, Oklahoma 74146 USA. Fax 918-459-3789. База данных по коммерческим проектам в области свободной энергии, в электронном виде — около 11 Мб. Высылает статьи по работам NASA в области электрогравитации:
Electrostatic levitator with feedback control; Hybrid contactless heating and levitator; Precision fabrication of electromagnetic-levitation coils и другие.
• Electrodynamic Gravity, Inc., 35 W.Tallmadge Ave., Akron, Ohio 44310, USA.
• Fusion Information Center, P.O.Box 58639, Salt Lake City, Utah 84158-0369, издает журнал о работах по «холодному синтезу» Fusion Facts, fax 801-583-6245.
• Gravity Power Research Association, 36 Mountain Road, Burlington, MA 01803, USA.
• GRI, Group Research Institute, P.O.Box 438, Nelson, New Zealand. Dr. Ashley Gray.
• High Energy Enterprises, P.O.Box 5636, Security, CO 80931, USA. Fax 719-4750582. Издает книги Тесла и результаты работ его последователей. International Tesla Society Books.
• Institute for Advanced Studies at Austin, 4030 Braker Lane W., Suite 300, Austin, TX 78759, USA.
• INE, Institute for New Energy, 1304 South College Avenue, Fort Collins, CO 80524, USA. Издает журнал New Energy News, P.O.Box 58639, Salt Lake City, UT 84158-8639, USA. Доступ по EMAIL: [email protected]
Выслает сборник докладов конфренции по развивающимся проектам свободной энергии Denver Report’94.
• Intergrity Institute, 1377 K Street, NW, Suite 16, Washington DC, USA. Fax 202-543-3069. Исследования по электрогравитации, инерциальным движителям, отрицательная масса, как энергетический источник.
Распространение материалов о работах Т.Т.Брауна по электрогравитации.
• JPI, Japan Psychrotronic Institute, Dr. Shiuji Inomata, Electrotechnical Laboratory, 1-1-4 Umezono, Tsukuba-shi, Ibaraki 305, Japan.
• Cosmic Energy Association, 37-2 Nisigoshonouti, Kinugasa, Kitaku, Kyoto, 603, Japan. Dr. Masayoshi Ihara.
• Orgone Biophysical Research Laboratory, Inc.,P.O.Box 1395, E1 Cerrito, CA 94530, USA. Fax 510-526-5978.
• Quantum Biology Research Laboratory, Cotati Research Institute, P.O.Box 60653, Palo Alto, CA 94306, USA.
• PACE, Planetary Association for Clean Energy, Главный оффис в Канаде: 100 Bronson Av., Suite 1001, Ottawa, Ontario, Canada T1R 6G8. Fax 613-235-5876. Европейское представительство в Германии:
Planetartsche Vereinigung fur Saubere Energie, Inc. Feyermuhler Strasse 12, D-53894 Mechernich, FRG. Fax 49-24438221, EMAIL [email protected] Представительство в Латинской Америке:
FUNDAPAC Allayme 1719, San Jose, Guaymallen, Argentina.
• SEA, Space Energy Association, P.O.Box 11422, Clearwater, FL 34616, USA.
• Tesla Book Company, P.O.Box 121873, Chula Vista, CA 91912, USA.
• Tesla Incorporated, 760 Prairie Av., Craig, CO 81625, USA. Fax 303-824-7864. Модем 300/1200/2400 для Tesla BBS по телефону 719-486-2775.
• ExtraOrdinary Science, Resource Guide, fax 719-475-0582. Официальный каталог книг, статей, видеоматериалов и баз даных Общества Тесла.
• Журнал Explore, The New Dimension in Scientific Approach,P.O.Box 1508, Mount Vernon, Washington 98273, USA.
• Журнал Electric Spacecraft Journal, P.O.Box 18387, Asheville, NC 28814, USA. Fax 704-683-3511.
• Журнал Nexus New Times Magazine, P.O.Box 30, Maplepton Qld 4560, Australia. Fax 074-429381.
• Журнал Cold Fusion Times, P.O.Box 81135, Wellesley Hills MA 02181, USA.
• Журнал Infinite Energy, P.O.Box 2816, Concord, NH 03302-2816, USA. Издается центром Cold Fusion Technology, fax 603-224-5975, email: [email protected]
• Журнал 21th Century Science & Technology, P.O.Box 16285, Washington, DC, 20041, USA.
• Журнал Cold Fusion, 70 b Route 202N, Petersborough, NH 03458, USA.
• Brown’s Gas International, 5063 Densmore Av., ENCINO, California 91436, USA. Изобретатель «газа Брауна», Yull Brown. Факс 818-990-4873 в США.
• ENECO, Inc., 391-B Chipeta Way, Salt LAke City, Utah 84108, USA. Fax 801-5836245. Развивает несколько устройств генерации мощности за счет холодного синтеза как с тяжелой, так и с легкой водой.
• «Robert Adams and Company» 46 Landing Road, Whakatane, Bay of Plenty, New Zealand. Роберт Адамс, исследования по созданию мотора-генератора с постоянными магнитами.
• Methernitha, 3517 Linden, Switzerland. Менеджер Francis Bosshard.
• Swiss Association for Free Energy, P.O.Box 10, 5704 Egliswilli, Switzerland.
• Space Research Institute, Box 33, Uwajima, Ehime 79, Japan. Dr. Shinichi Seike. Fax 895-24-7325. Эксперименты по гравитации и изменению темпа хода времени при работе генераторов свободной энергии, измерения хрональных потенциалов.
• Nuclear Power Corporation, 581 400 Karnataka, India. Project Director, Kaiga Project, Dr. Paramahamsa Tewari.
• Cosmic Energy Foundation, Neptunuslaan 11, 3318 E1 Dordrecht Netherlands. Dr. Martin Holwerda, Director.
• World Harmony, P.O.Box 361 Applecross 6153, Western Australia.
Другой оффис данной группы: U.S.World Harmony, P.O.Box 317, Rainier, WA 98576, USA.
• Sabberton Research, P.O.Box 35, Southampton SO9 7BU, England, Dr. Harold Aspden.

Источник: Персональные системы свободной энергии

Шаговые двигатели: описание, примеры, обзоры, характеристики

Шаговый электродвигатель это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками. Ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения ротора, они же шаги. Именно поэтому двигатель называется шаговым. Для управления шаговым двигателем используется специальный контроллер, который называют драйвером шагового двигателя.

Шаговые двигатели стандартизованы национальной ассоциацией производителей электрооборудования NEMA по посадочным размерам и размеру фланца. Самые ходовые типоразмеры это NEMA 17 с фланцем 42*42мм, NEMA 23 с фланцем 57*57мм и NEMA 34 размером 86*86мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 17 могут создавать крутящий момент приблизительно до 6 кг*см, NEMA 23 до 30 кг*см и NEMA 34 до 120 кг*см.


Как устроен шаговый двигатель

Конструктивно шаговые двигатели можно поделить на три больших класса – это двигатели с переменным магнитным сопротивлением, двигатели с постоянными магнитами и гибридный класс, сочетающий характеристики первых двух. 


Шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют несколько полюсов на статоре и ротор из магнитомягкого материала, который не сохраняет остаточную намагниченность. Для простоты ротор на рисунке имеет 4 зубца, а статор имеет 6 полюсов. Двигатель имеет 3 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах статора. Двигатель на рисунке имеет шаг 30 град.

При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять положение, когда магнитный поток замкнут, т.е. зубцы ротора будут находиться напротив тех полюсов, на которых находится запитанная обмотка. Если затем выключить эту обмотку и включить следующую, то ротор поменяет положение, снова замкнув своими зубцами магнитный поток. Таким образом, чтобы осуществить непрерывное вращение, нужно включать фазы попеременно. Такой двигатель не чувствителен к направлению тока в обмотках, а из-за того, что ротор не имеет магнитных свойств, данный тип двигателя может работать на высоких оборотах. Так же данный тип двигателя легко отличить от других шаговиков, просто повращав его за вал, когда он отключен. Вал будет крутиться свободно, тогда как у остальных типов явно будут ощущаться шаги. Иногда поверхность каждого полюса статора выполняют зубчатой, что вместе с соответствующими зубцами ротора обеспечивает уменьшение значения угла шага до нескольких градусов. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением сейчас почти не используют.


Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора с обмотками и ротора, содержащего постоянные магниты. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением.

Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Статор имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на двух противоположных полюсах. Двигатель на рисунке имеет величину шага 30 град, так же, как и предыдущий. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга и для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют от 48 до 24 шагов на оборот, что соответствует углам шага 7.5 – 15 град).


На практике двигатель с постоянными магнитами выглядит, например, вот так. Увидеть такой двигатель можно в лазерном принтере.
Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной ЭДС со стороны ротора, которая ограничивает максимальную скорость. Это значит, что при свободном выбеге на больших оборотах двигатель сработает как генератор и может сжечь драйвер током, который сам и сгенерирует. Это же относится и к гибридным двигателям.


Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты шаговых двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Гибридные шаговые двигатели обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость, чем двигатели с переменным магнитным сопротивлением и двигатели с постоянными магнитами.

Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400, что соответсвует углам шага 3.6 – 0.9 градусов. Ротор показанного на рисунке двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель имеет 2 фазы, поэтому полное количество полюсов – 200, а шаг, соответственно, 1.8 град.

Выглядит гибридный двигатель, например, вот так.


Большинство современных шаговых двигателей являются именно гибридными, поэтому давайте подробней рассмотрим устройство шаговых двигателей этого типа.

 

Ротор двигателя разделен поперек на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Благодаря этому зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки – южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для двигателей с шагов в 3,6 градуса и 8 основных полюсов в случае шагов в 1.8 и 0.9 градусов. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.


Посмотрим на продольное сечение гибридного шагового двигателя. Стрелками показано направление магнитного потока постоянного магнита ротора. Часть потока (на рисунке показана черной линией) проходит через полюсные наконечники ротора, воздушные зазоры и полюсный наконечник статора. Эта часть не участвует в создании момента.

Как видно на рисунке, воздушные зазоры у верхнего и нижнего полюсного наконечника ротора разные. Это достигается благодаря повороту полюсных наконечников на половину шага зубьев, что очень хорошо было видно на предыдущем фото. Поэтому существует другая магнитная цепь, которая содержит минимальные воздушные зазоры и, как следствие, обладает минимальным магнитным сопротивлением. По этой цепи замыкается другая часть потока (на рисунке показана штриховой белой линией), которая и создает момент. Часть цепи лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку, поэтому она не показана. В этой же плоскости создают магнитный поток катушки статора. В гибридном двигателе этот поток частично замыкается полюсными наконечниками ротора и слабо влияет на постоянный магнит. Поэтому в отличие от двигателей постоянного тока, магнит гибридного шагового двигателя невозможно размагнитить ни при какой величине тока обмоток.

Величина зазора между зубцами ротора и статора очень небольшая, около 0.1 мм. Это требует высокой точности при сборке, поэтому шаговый двигатель не стоит разбирать ради удовлетворения любопытства, иначе на этом его служба может закончиться.

Чтобы магнитный поток не замыкался через вал, который проходит внутри магнита, его изготавливают из немагнитных марок стали.
Для получения больших моментов необходимо увеличивать как поле, создаваемое статором, так и поле постоянного магнита . При этом требуется больший диаметр ротора, что ухудшает отношение крутящего момента к моменту инерции. Поэтому мощные шаговые двигатели иногда конструктивно выполняют из нескольких секций в виде этажерки. Крутящий момент и момент инерции увеличиваются пропорционально количеству секций, а их отношение не ухудшается.


Мы рассмотрели устройство самого «железа» шаговых двигателей, но помимо этого двигатели можно еще поделить по количеству и способу коммутации их обмоток.

Тут всего два основных вида – биполярный и униполярный


Биполярный двигатель имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменения направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. Для такого типа двигателя требуется мостовой или полумостовой драйвер. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода. Примером распространенного биполярного двигателя может быть шаговый двигатель марки 17HS4401


Униполярный двигатель также имеет одну обмотку в каждой фазе, но от середины обмотки сделан отвод. Это позволяет изменять направление магнитного поля, создаваемого обмоткой, простым переключением половинок обмотки. При этом существенно упрощается схема драйвера, который в случае униполярного двигателя должен иметь только 4 простых ключа. Средние выводы обмоток могут быть объединены внутри двигателя, поэтому такой двигатель может иметь 5 выводов, как на рисунке, или 6 выводов в случае если выводы AB и CD разъединены. Униполярный двигатель с двумя обмотками и отводами можно использовать в биполярном режиме, если отводы оставить неподключенными.


Примером распространенного униполярного двигателя с пятью выводами может быть шаговый двигатель марки 28BYJ-48. Данный двигатель можно переделать в биполярный, разделив выводы AB и CD, для чего достаточно перерезать одну из перемычек на плате под синей крышкой.

 

Иногда двигатели имеют 4 раздельные обмотки, по этой причине их ошибочно называют 4-х фазными или четырехобмоточными двигателями. Каждая обмотка имеет отдельные выводы, поэтому всего выводов 8. При соответствующем соединении обмоток такой двигатель можно использовать и как униполярный, и как биполярный.


Если сравнивать между собой биполярный и униполярный двигатели, то биполярный имеет более высокую удельную мощность, а значит при одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент. Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Путей для повышения магнитного поля два – это увеличение тока или числа витков обмоток. Естественным ограничением при повышении тока обмоток является опасность насыщения железного сердечника, однако на практике гораздо более существенным является ограничение по нагреву двигателя в следствии потерь из-за омического сопротивления обмоток. Тут и проявляется преимущество конструкции биполярных двигателей. В униполярном двигателе в каждый момент времени используется лишь половина обмоток, а другая половина просто занимает место в окне сердечника, что вынуждает делать обмотки проводом меньшего диаметра или увеличивать габариты двигателя. В то же время в биполярном двигателе всегда работают все обмотки. Иными словами, на биполярный двигатель той же мощности надо намотать в два раза меньше медного обмоточного провода, чем на униполярный, а случае, если обмотки равны по массе, то биполярный двигатель будет мощнее примерно на 40%.

На практике можно встретить оба типа двигателей, так как биполярные дешевле из-за меньшей материалоемкости, а униполярные требуют значительно более простых драйверов. В настоящее время наиболее широко распространены гибридные биполярные двигатели.

Где приобрести ШД? Вы можете купить шаговые двигатели в нашем магазине 3DIY с доставкой по всей России!

Управление шаговым двигателем

Независимо от того, какой драйвер или двигатель использован, управление шаговым двигателем может осуществляться в одном из трёх режимов:

  • полношаговое

  • полушаговое

  • микрошаговое

Полношаговый режим управления ШД подразумевает попеременную коммутацию фаз без перекрытия, при этом единовременно к источнику напряжения подключена только одна из фаз. При таком способе управления на каждый полный шаг электродвигателя приходится одна фаза и точки равновесия ротора идентичны полюсам статора. Данный режим имеет и недостаток: в случае с биполярным двигателем в полношаговом режиме в один и тот же момент задействуется только половина обмоток, с униполярным – четверть. Существует и другой вариант полношагового управления, подразумевающий единовременное включение двух фаз. Такой способ управления ШД основан на фиксации ротора между полюсами статора благодаря подаче питания на обмотки, при этом на полный шаг приходится две фазы. При этом способе управления точка равновесия ротора смещается на половину шага относительно способа с одной фазой, а момент возрастает примерно на 40 процентов.

Применение полушагового режима управления шаговым двигателем позволяет увеличить количество шагов, приходящихся на один оборот ротора, в два раза. При работе ШД в таком режиме на каждый второй шаг приходится включение одной из фаз, а между шагами включаются сразу обе. Фактически это комбинация переменного включения однофазного и двухфазного полношаговых режимов.

Микрошаговый режим управления ШД применяется тогда, когда необходимо получение максимально большого количества шагов, приходящихся на оборот ротора. При работе в таком режиме так же работают две фазы, однако токи обмоток в данном случае распределяются неравномерно, а не 50/50, как в полушаговом. Величина микрошага зависит от конкретного устройства и настроек драйвера. При работе в микрошаговом режиме точность позиционирования ШД значительно повышается, однако требуется более сложный драйвер двигателя.

Где приобрести драйвера ШД? Купить драйвера шаговых двигателей можно у нас в онлайн магазине с доставкой!


 Конструктивные исполнения ШД


Обычный шаговый двигатель 

Тут нет никаких изысков – корпус, вал, в общем стандарт. Широко распространен в разном оборудовании, начиная от фрезеров и 3д принтеров, заканчивая приводом заслонки или мешалки.

Двигатель с полым валом


Шаговые двигатели с полым валом применяются когда существует необходимость передачи крутящего момента без применения соединительных муфт, например для использования в ограниченном пространстве. Так же сквозь него можно продеть длинный вал, который будет торчать с двух сторон и синхронно крутить что-то с одной и с другой стороны.

Двигатель со встроенной в вал приводной гайкой 

Такой вид двигателя может найти применение в том случае, если требуется быстрое перемещение на большое расстояние. Длинный винт на высоких оборотах ведет себя подобно скакалке, а при использовании такого мотора винт можно неподвижно натянуть между опорами, а сам мотор закрепить на подвижной части оборудования. Тогда длина и нежесткость винта не будет влиять на максимальную скорость.

Двигатель с двойным валом

В этом исполнении двигатель имеет удлиненный вал, длинный конец которого выступает со стороны задней крышки. На этот удлиненный вал можно повесить барашек, чтоб можно было выставить положение вала вручную, повесить энкодер и получить сервошаговый двигатель, а можно повесить дополнительный шкив или винт, которые будут работать абсолютно синхронно с передним валом.

Двигатель с винтом вместо вала


Находят себе применение например в 3д принтерах или в любом другом месте, где хочется сэкономить место не только на муфте между валом и винтом, но и на подшипниковой опоре винта, роль которой в данном случае выполняют подшипники двигателя.

Двигатель со встроенным тормозом

Позволяет зафиксировать вал в нужной позиции дополнительно к удержанию самим шаговиком. Так же позволяет удерживать вал в случае отключения питания двигателя.

Двигатель с редуктором

Редуктор позволяет понизить обороты двигателя и поднять его крутящий момент. Данное исполнение редко встречается в связи с тем, что шаговые двигатели и так имеют значительный момент на низких оборотах и сами по себе могут достигать весьма низких скоростей вращения.

Двигатель с энкодером

Он же сервошаговый двигатель. Фактически это сервопривод на шаговом двигателе. На удлиненный вал со стороны задней крышки монтируется энкодер в корпусе и благодаря этому мы получаем обратную связь о положении вала двигателя. В случае пропуска шагов двигателем контроллер узнает об этом и ориентируясь на показания энкодера будет подавать дополнительные импульсы до тех пор, пока вал не займет нужное положение. Сервошаговый двигатель используется со своим специальным драйвером, который имеет вход для подключения энкодера.


Преимущества шагового двигателя

  • угол поворота ротора определяется числом поданных импульсов. Шаговый двигатель крутится не плавно, а шагами, шаг имеет определенную величину. Поэтому чтобы повернуть вал в нужное положение мы просто подаем известное нам количество импульсов.
  • зависимость положения от входных импульсов обеспечивает позиционирование без обратной связи. Один шаг – один импульс. Какое количество импульсов подали, в то положение двигатель и шагнул.
  • двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки. Это хорошо тем, что для фиксации положения вала запитанному двигателю не нужен тормоз, можно тормозить его при помощи драйвера.
  • прецизионное позиционирование и повторяемость. Хорошие шаговые двигатели имеют точность от 3 до 5% от величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу, так как на один оборот двигателя приходится неизменное количество шагов, совершив которые мы всегда получим поворот на 360 градусов.
  • высокая надежность. Высокая надежность двигателя связанна с отсутствием щеток. Срок службы фактически определяется сроком службы подшипников
  • возможность получения низких скоростей вращения. Для получения низкой скорости вращения двигателя достаточно замедлить скорость подачи импульсов, тогда двигатель будет медленнее шагать и скорость его вращения будет небольшой.
  • большой крутящий момент на низких скоростях. Большой крутящий момент на низких оборотах позволяет отказаться от применения редуктора, что упрощает конструкцию оборудования
  • может быть перекрыт довольно большой диапазон скоростей. Скорость вращения двигателя пропорциональна частоте входных импульсов, подавая их быстрее или медленнее мы так же влияем и на скорость вращения.

Недостатки шагового двигателя:

  • шаговым двигателем присуще явление резонанса. Шаговые двигатели обладают собственной резонансной частотой. Это связано с тем, что ротор после подачи тока в обмотку некоторое время колеблется, прежде чем зафиксироваться в конечном положении, и колебания тем сильней, чем больше инерция ротора. Резонанс приводит к повышенному шуму, вибрациям и падению крутящего момента двигателя. Один из способов победить резонанс – увеличить деление шага. Мелкие перемещения в микрошаге не требуют длительных разгона и фиксации ротора, быстро останавливают его между шагами и увеличивают частоту шагания выше резонансной.
  • возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи. При превышении усилия на валу выше того, который может создать двигатель, он начнет пропускать шаги. Так как у двигателя нет обратной связи, то контроллер не может узнать об этом и даже если двигатель начнет вращаться снова, стартует он уже из неправильного рабочего положения. Для устранения этого недостатка можно использовать сервошаговый двигатель или увеличить момент на валу, повысив напряжение, настроив драйвер на больший ток или заменив двигатель на более мощный.
  • потребляет энергию независимо от нагрузки. Шаговый двигатель в промежуточном положении фиксируется с полным моментом. Шагает он тоже с полным моментом. Поэтому он продолжает потреблять электричество без особой зависимости от нагрузки на валу. Снизить общее потребление энергии двигателем мы можем применив драйвера, которые уменьшают подаваемый в режиме удержания ток.
  • затруднена работа на высоких скоростях. На высоких скоростях вращения шаговый двигатель значительно теряет момент и при достижении определенной частоты оборотов момент становится настолько мал, что вал не может дальше крутиться. В этом момент двигатель останавливается и гудит с частотой подаваемых импульсов. Этот недостаток можно устранить, повысив питающее напряжение, что увеличит крутящий момент как на повышенных, так и на пониженных оборотах, использовать более продвинутый драйвер, который на высоких скоростях вращения переходит на полношаговый режим управления двигателем или попросту заменив шаговик на сервопривод, который рассчитан на высокие скорости.
  • невысокая удельная мощность.Шаговый двигатель по удельной мощности на грамм веса не самый энергонасыщенный электропривод. Сделать с этим мы ничего не можем.
  • относительно сложная схема управления.Драйвера шаговых двигателей насыщены электроникой. Тут мы тоже не можем что-то изменить.

Как выбрать шаговый двигатель? На какие параметры обратить внимание.

По большому счету, выбор двигателя сводится к выбору нескольких вещей:
  1. вида двигателя (его размеры)
  2. тока фазы
  3. индуктивность

Что касается вида двигателя, то при отсутствии каких-то определенных предпочтений мы бы рекомендовали использовать биполярные шаговые двигатели с 4 выводами, так как они наиболее распространены и, что не менее важно, не менее распространены драйвера для них. То есть случае какой-либо поломки вы легко найдете замену и отремонтируете станок.
Размер двигателя и его ток проще всего подобрать, ориентируясь на готовые станки от известных производителей, которые близки к конструируемому по размерам и характеристикам — проверенная конструкция означает, что двигатели уже подобраны оптимальным образом и можно взять их характеристики за основу. Производитель двигателя в данном случае не особо важен, так как ввиду отработанной технологии производства их характеристики у разных производителей примерно одинаковые.
Остается одна характеристика – индуктивность.

При одинаковом напряжении питания двигатели с большей индуктивностью имеют больший момент на низких оборотах, и меньший – на высоких, как видно из графика. Но большая индуктивность потенциально дает вам возможность получить больший крутящий момент, повысив напряжение питания, тогда как при использовании двигателей с небольшой индуктивностью повышение напряжения может привести к тому, что двигатель будет перегреваться без заметной прибавки в характеристиках. Это связано с тем, что нарастание тока в обмотках с низкой индуктивностью идет быстрее и мы легко можем получить среднее значение тока выше номинального, а как следствие этого – перегрев. Таким образом при прочих равных лучше выбрать двигатель с большим значением индуктивности.


4. Магнитные вечные двигатели . Возможен ли вечный двигатель?

В погоне за успехом многие изобретатели вечного двигателя пытались использовать явление магнетизма. Магнитный вечный двигатель был предложен в 1269 году Пьером де Маринкур — одним из первых изобретателей вечных двигателей вообще. После Пьера де Маринкура было предложено много конструкций магнитных вечных двигателей. Нет смысла здесь рассказывать о всех этих «изобретениях». Приведём лишь некоторые наиболее интересные.

В XVII веке английский епископ Джон Вилькенс предложил магнитный вечный двигатель (рис. 25).

Рис. 25. Магнитный вечный двигатель епископа Джона Вилькенса (XVII век).

По мысли автора, металлический шарик, притягиваемый магнитом, по наклонной плоскости А поднимается вверх. Наверху он проваливается в отверстие под действием силы тяжести и катится вниз по специальному лотку Б. Спустившись вниз, он снова, оказавшись под действием магнита, поднимается по наклонной плоскости А вверх, затем вновь, провалившись в отверстие, покатится вниз… и так бесконечно.

На проект вечного двигателя, подобный описанному, один изобретатель получил в Германии патент в 1878 году. Однако ни первый, ни второй магнитный вечный двигатель не действовал. Происходило примерно следующее: шарик, докатившись до отверстия, не проваливался, а перескакивал через него, притягиваясь сильным магнитом. При более слабом магните он, проскочив в отверстие, не мог, докатившись до закругления внизу, перескочить на наклонную плоскость, потому что оказывался под действием силы притяжения магнита, тормозившей движение шарика.

Чтобы вечный двигатель Джона Вилькенса действовал, необходимо некоторое его усовершенствование, состоящее в том, что наклонная плоскость А изготовляется из двух изолированных между собой пластинок. У верхней части наклонной плоскости закреплён электромагнит. Первый конец обмотки электромагнита присоединён к одной пластинке, а второй — к клемме аккумулятора. Другая клемма его посредством электропровода присоединяется ко второй пластинке наклонной плоскости (рис. 26). Под наклонной плоскостью установлен направляющий лоток Б, как у вечного двигателя Д. Вилькенса. Стальной шарик, оказавшись на наклонной плоскости А, замыкает электрическую цепь. Электромагнит притягивает шарик (рис. 26, слева). Докатившись до отверстия, шарик проваливается. Электрическая цепь размыкается, действие электромагнита прекращается (рис. 26, справа).

Рис. 26. «Усовершенствование» вечного двигателя Д. Вилькенса.

Шарик под действием силы тяжести катится вниз по направляющему лотку и в конце по закруглению вновь попадёт на наклонную плоскость. Электрическая цепь замкнётся. Электромагнит притягивает шарик… Словом, шарик действительно будет беспрерывно передвигаться до тех пор, пока не… иссякнет электрическая энергия, расходуемая для намагничивания электромагнита, притягивающего шарик. Но это уже не вечный двигатель, создающий энергию из ничего.

Английский сатирик Джонатан Свифт в описании путешествий Гулливера высмеивает широко распространенное в начале XVIII века в Англии увлечение различными химерическими несбыточными проектами быстрого обогащения, известными под именем «Мыльных пузырей». Гулливер, попав на летающий остров Лапутию, осматривал механизм, позволяющий перемещаться этой стране — острову в пространстве по любым направлениям, на любой высоте. Механизм находился в центре острова и состоял из большого магнита, закреплённого на алмазной оси. В зависимости от угла наклона магнита, взаимодействующего с магнитным полем Земли, и происходило перемещение Лапутии в том или ином направлении.

Описание невероятного двигателя лапутян, подобного вечному двигателю, послужило Д. Свифту средством усиления его сатиры. Однако в «Ежегоднике французского оккультизма» за 1908 год предлагалось самым серьёзным образом использовать магнитное поле Земли как неисчерпаемый источник энергии.

Почему не работает вечный двигатель?

Почему не работает вечный двигатель?

Вотяков Я.В. 1

1МАОУ «СОШ № 25» г. Перми

Бармина М.Ф. 1

1МАОУ «СОШ № 25» г. Перми

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение.

Побывав летом в «Парке научных развлечений» г. Перми меня заинтересовала работа механизма «Вечный двигатель» и мне захотелось узнать принцип его работы.

Двигатель — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую работу. Например, водяное колесо, или ветреная мельница — это простейшие виды двигателя. То есть, чтобы привести в работу мельницу, ветер дует на лопасти мельницы, приводя в движение жернова. Но как только ветер прекращается, лопасти останавливаются. А значит и работа двигателя останавливается. [1]

Вечный двигатель (лат. PERPETUUM MOBILE) – воображаемое неограниченно долго работающее устройство без затрат топлива, получающее большее количество энергии, чем истрачено при его запуске.

В настоящее время ученые считают, что согласно закону сохранения энергии, все попытки создать такой двигатель обречены на провал. Однако идея вечного двигателя настолько привлекательна, что попытки его создать не прекращаются.[1]

Так почему же при наличии большого количества моделей вечный двигатель не работает без остановки? Постараемся в этом разобраться.

Цель работы: выявить принципы работы вечного двигателя.

Задачи исследования:

Изучить литературу и интернет источники о вечном двигателе.

Провести испытание работы модели вечного двигателя, его прототипов и выявить время их работы.

Перечислить причины почему ни одна его модель до сих пор не работает.

Гипотеза: мы предполагаем, что среди всех моделей есть такие механизмы, которые в будущем при устранении некоторых воздействующих на них сил смогут работать.

Причины для изучения проблемы: заинтересованность особенностями работы вечного двигателя.

Практическая значимость работы: изучение данной проблемы позволило мне ознакомиться с техническими характеристиками вечного двигателя и основными законами физики, связанными с работой вечного двигателя.

Методы исследования:

Анализ прочитанной литературы;

Анкетирование;

Эксперимент.

Глава 1. Основные модели вечного двигателя.

С древности люди пытались создать нечто, работающее само по себе, безо всяких воздействий извне. Позже этому устройству дали определение Perpetuum Mobile или Вечный двигатель. Многие знаменитые ученые разных времен безуспешно пытались его создать, включая и великого Леонардо да Винчи. Он потратил несколько лет на создание вечного двигателя, используя как уже открытые модели, так и пытаясь создать что-то новое. В конце концов, разобравшись, почему же ничего не работает, он первым сформулировал заключение о невозможности создания подобного механизма. Однако изобретателей его формулировка не убедила, и они до сих пор пытаются создать невозможное. [2]

В настоящее время родиной вечных двигателей считается Индия. Так, Бхаскара в своем стихотворении, датируемом примерно 1150 г., описывает колесо с прикрепленными по ободу длинными, узкими сосудами, наполовину заполненными ртутью. Принцип его действия был основан на различии перемещающейся тяжести внутри сосудов.

Когда вращалось колесо, ртуть перетекала из одного конца ёмкости в другой, заставляя колесо совершить очередной оборот и должно само по себе вращаться бесконечно. Но двигатель в итоге останавливался, так как здесь срабатывает закон физики, который был позже открыт.

Первые проекты вечного двигателя в Европе относятся ко времени развития механики в 13-14 веках. Среди рисунков знаменитого Леонардо да Винчи была найдена гравюра с чертежом подобной машины. [https://ru.wikipedia.org/wikiВеч]

К 16-17 векам идея вечного двигателя получила особо широкое распространение. «Эпидемия» создания вечного двигателя разразилась в Англии и во Франции в середине 17 века. В 1678г. во Франции даже издавался научный журнал, в котором систематически публиковалась информация о вечных двигателях. Создавали такие двигатели не для собственного удовольствия, а в надежде на применение. В 1775 году Парижская академия наук приняла решение не рассматривать заявки на патентование вечного двигателя из-за очевидной невозможности их создания. И даже после этого создание их не прекратилось. В течение 150 последующих лет патентные ведомства стран Европы и США выдали на подобные механизмы около тысячи патентов. На сегодняшний день существуют тысячи проектов вечного двигателя. Все они, разумеется, по разным причинам, не работают так как хотелось бы.

Наиболее часто встречающейся моделью является колесо с различными спицами, зубьями или просто с грузами внутри.

По идее перемещение различных тяжестей внутри колеса должно обеспечивать его вращение. Однако, колесо, даже если и вращается какое-то время, затем всегда останавливается. Причина проста — закон всемирного тяготения или, проще говоря, сила тяжести. Любой предмет вниз будет двигаться быстрее чем вверх. Рано или поздно это и остановит вращение.

Для преодоления этого закона необходимо все движущиеся детали вечного двигателя располагать строго горизонтально. Тогда сила тяжести, при их движении, будет оказывать одинаковое воздействие на все детали в любом их положении. [https://ru.wikipedia.org/wikiВеч]

Похожая проблема возникает в проектах вечного двигателя, основанных на силе магнита. Изобретатели, как правило не учитывают, что сила магнитного притяжения будет уравновешиваться силой тяжести. [6]

Шарик, поднявшись вверх по желобу, не сможет свободно спуститься. Магнит будет его тормозить. В результате у шарика не хватит энергии повторить подъем.

Следующая модель работает на основе закона Архимеда. Вода, поднимаясь по винту Архимеда в верхней точке переливается последовательно в чаши при этом вращая лопасти водяных колес, которые вращают Архимедов винт, который поднимает воду и так по кругу до бесконечности.

Эта модель действительно могла бы работать если бы не сила трения, возникающая при вращении винта, которая в конечном итоге его и остановит.

Если когда-нибудь наши ученые создадут вещество, которое сможет устранить полностью силу трения….тогда целый ряд моделей вечного двигателя окажутся реально работающими и ученым придется пересмотреть закон сохранения энергии. [https://ru.wikipedia.org/wikiВеч]

Глава 2. Современные прототипы вечных двигателей.

В настоящее время мы тоже можем наблюдать механизмы основанные на идее работы вечного двигателя. Это декоративные конструкции, работающие по принципу маятника. Они имеются в продаже, мы можем их приобрести и испытать. Одни механизмы вращаются вокруг оси. Другие работают за счет постоянного смещения движущихся деталей.

В «Парке научных развлечений» мы смогли понаблюдать за работой следующих механизмов.

Маятник Ньютона.

Потянув крайний правый шарик, мы наблюдаем странную картину: средние шарики остаются неподвижными и лишь крайний слева взмывает вверх и возвращает толчок кой же силы снова правому шару. На самом деле, если присмотреться средние шарики чуть заметно «вздрагивают», то есть то же совершают действие, успевая передать импульс соседнему шарику и остановиться. Последний шарик, не имея перед собой «препятствия», свободно движется, поднимаясь на высоту, затем возвращается, и все повторяется в обратном направлении.

Маятник Максвелла.

Чтобы маятник начал двигаться, необходимо намотать на ось ленты, на которых держится колесо. Отпустив колесо, ленты будут то разматываться, то

обратно заматываться на ось. Колесо будет то опускаться, то подниматься, но скоро остановится из-за того, что в системе присутствует сила трения и земное притяжение. В окружающем мире маятник можно увидеть в виде игрушки йо-йо, прародителем которой является маятник Максвелла.

Волновой маятник.

Шарики подвешены на оси на нити разной длины. Приводится в движение рычагом, который сначала выравнивает положение всех шаров, а затем приводит их в движение. Почему движения маятника на синхронны? Дело в том, что частота колебаний маятника зависит от длины подвеса. Чем длиннее подвес, тем меньше частота. Частота подобрана так, что через некоторое время после синхронного запуска мы увидим модель «бегущей волны». Потом эта «бегущая волна» пропадает, и мы можем наблюдать «стоячую волну».

Хаотичный маятник.

Приводится в движении при помощи ручки, которую необходимо прокрутить по часовой или против часовой стрелке. Через некоторое время он начинает двигаться хаотично. Его части взаимно влияют друг на друга, и энергия может перераспределяться между ними абсолютно непредсказуемо и уникально. Одна из них может остановиться, а другая в это же время начать вращаться. Движения данного маятника – наглядный пример хаотических процессов, который нельзя (или очень сложно) описать математически.

Вечный двигатель.

П о идее древних инженеров, продумавших данный механизм, это колесо должно крутиться вечно. В основе задумки лежит правило рычага. Одна из его формулировок: для уравновешивания груза на длинном рычаге требуется больше усилия, чем для уравновешивания груза на коротком. Проверить утверждение просто. Попробуйте удержать сумку (или предмет потяжелее) на вытянутой руке. Затем прижмите руку ближе к груди. Чувствуете разницу? На вытянутой руке труднее удержать, так как рука — это как бы рычаг. Прижав руку к груди, мы утрачиваем рычаг, поэтому и удержать проще. Так думали и создатели двигателя. Более длинные рычаги должны перевешивать. При повороте будут подключаться новые шарниры – рычаги, откидываясь под действием своей тяжести. В идеале это должно продолжаться вечно. Причина, по которой данный двигатель не работает вечно проста. Да, рычаги справа – длиннее. Но слева грузиков-рычагов больше, чем справа. Их количество компенсирует действие длинных рычагов. И еще, при вращении, работает сила трения. Именно поэтому колесо не будет вращаться вечно.

Глава 3. Практическая часть.

Анкетирование. (приложение 1)

Цель: Выявление информированности учащихся 3-х классов о возможности создания вечного двигателя.

В анкетировании приняли участие 21 ученик 3 Б класса МАОУ «СОШ № 25».

Вопрос

Ответ учащихся (знает)

Знаете ли вы что такое магнит?

100 %

Где используются магниты

100 %

Что вы знаете о вечном двигателе?

4,7 %-знают; 95,3% — не знают ничего

Возможно ли создание вечного двигателя

33% — ответили «ДА»; 48 % — «НЕТ»

19 % — ответили «ВОЗМОЖНО»

Анализируя результаты анкетирования, можно сделать следующие выводы:

Все ученики (100 %) знают, что такое магнит.

Большая часть анкетируемых (100%) знают, где используется магниты.

Большинство учащихся (95, 3%) не знают, о вечном двигателе.

На вопрос «Возможно, ли создание вечного двигателя?»

— 33 % ответили «ДА»;

— 48 % — ответили «НЕТ»;

— 19 % — ответили «ВОЗМОЖНО».

Это подтверждает, что человечество все-таки задумывается о создании вечного двигателя. При этом зная, что это невозможно.

Испытание механизмов

Проанализировав работу вечного двигателя и его прототипов, мы решили испытать некоторые механизмы, имеющихся в «Парке научных развлечений» города Перми и определить время их фактической работы.

№ п/п

Название механизма

Вид маятника

Время работы механизма до момента остановки

1.

Маятник Ньютона

 

1 минута 42 сек.

2.

Маятник Максвелла

 

2 минуты 44 сек.

3.

Волновой маятник

 

22минуты 53 сек.

4.

Хаотичный маятник

 

1 минута 24 сек.

5.

Вечный двигатель

 

3 минут 26 сек.

В результате испытаний механизмов можно сделать вывод, что ни один механизм не будет работать вечно. Но вечный двигатель и волновой маятник проработали дольше остальных. Если бы можно было устранить силу трения и земное притяжение эти модели могли бы работать вечно.

Мы с папой попробовали собрать и испытать простую модель вечного двигателя в виде поливочной машины для комнатного цветка. Его устройство: рычаг, груз, грелка с водой, горшок с растением. На одном плече рычага – горшок с растением, а на другом – уравновешивающий его груз. Под гирей эластичная емкость (медицинская грелка) с водой. Когда земля подсыхает, масса горшка уменьшается, и гиря нажимает на грелку. Вода по трубке льется в горшок до тех пор, пока его масса не достигнет массы груза. Но практика показала, что вода когда-то за кончится в грелке и ее потребуется долить.Значит, считать это вечным двигателем невозможно.

Заключение

Таким образом, я узнал об авторах «вечных двигателей» и узнал из истории, что их созданием люди начали интересоваться еще в древности и нашел ответ на вопрос «Почему не работает вечный двигатель?». 
В результате работы над этим проектом я понял, что при работе любого механизма действуют законы физики, которые объясняют причины остановки механизма. Вечный двигатель не может работать, так как мешает сила трения и земная гравитация.

Представление о невозможности вечного двигателя является одним из самых важных положений физики. У многих создается внутренняя убежденность, что тот, кто пытается построить вечный двигатель, — или неграмотный, или сумасшедший. При таком подходе мы незаслуженно принижаем роль в развитии науки и техники многих поколений средневековых ученых. Занимаясь изобретением вечного двигателя, человечество открывает новое, идущее на создание высоких технологий. Возможно, что те мои одноклассники, которые ответили, что создание вечного двигателя, возможно, создадут уникальные мировые открытия.

Но мы можем предположить, что если бы эти причины были устранены, то вечный двигатель смог бы работать ВЕЧНО!

Список используемых источников и литературы

1. Бродянский В.М. Вечный двигатель – прежде и теперь. От утопии – к науке, от науки – к утопии. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 256с. – (Научно-популярная библиотека школьника).

2. Вечный двигатель вчера и сегодня. Перельман Я. И М.: Мир, 1984

3. Занимательная физика. Книга 1, 2 Я.И. Перельман. М.: Наука,1979

4. Физика 7 класс: учеб. для общеобраз. учеб. учреждений\ Перышкин

5. Хочу стать Кулибиным. И.И.Эльшанский .М.: Дрофа.2008

6. Чернышов В.А. «Магнитный двигатель публикации: 17.02.2011 г.

7. https://ru.wikipedia.org/wikiВеч

р

Приложение 1

Анкета

Цель: Выявление информированности учащихся 3 -го класса о возможности создания вечного двигателя. Отметь галочкой вариант ответа или впиши свой вариант.


1. Знаете ли вы что такое магнит? 

— да

-нет
2. Где используется магниты? 
____________________________________________________________________
3. Что вы знаете о вечном двигателе? 
____________________________________________________________________
4. Возможно ли создание вечного двигателя?
— да

— нет

— не знаю

— свой вариант ответа __________________________________________________
и решении некоторых чисто практических проблем создать вечный двигатель возможно, только решить эти проблемы очень сложно при нашем развитии цивилизации.

Просмотров работы: 541

Женщина-физик разработала двигатель, который разгонит космический корабль почти до 2 миллионов километров в час

Термоядерный двигатель позволит перемещаться по Солнечной системе с пристойной скоростью.

Фатима Ибрагими (Fatima Ebrahimi) – исследовательница из Принстонской лаборатории физики плазмы США (Princeton Plasma Physics Laboratory — PPPL) Департамента энергетики США (U.S. Department of Energy’s — DOE) разработала термоядерный двигатель для космических кораблей. Если получится построить такой, как она задумала, то перемещения по Солнечной системе не будут занимать столько времени, сколько сейчас – месяцы, а то и годы. К примеру, 55 миллионов километров до Марса можно будет преодолеть меньше, чем за двое суток. Ведь двигатель Ибрагими будет разгонять космический корабль вплоть до 500 километров в секунду – это 1,8 миллиона километров в час.

Для сравнения, стремительный Вояджер-1 (Voyager 1) летит прочь из Солнечной системы со скоростью 17 километров в секунду (62000 км/час). Зонд «Паркер» (Parker Solar Probe), отправившийся к Солнцу, временами разгонялся до 700 000 километров в час (194 км/с). Но не за счет тяги двигателей, а в результате гравитационных маневров.

Двигатель Ибрагими работает подобно термоядерному реактору — токамаку. Собственно участие в проекте по его созданию (National Spherical Torus Experiment — NSTX) и увлекло женщину-физика в космические дали. Реактивную тягу у неё создают и собственно плазма и плазмоиды – сгустки, образованные замкнутым магнитным полем. Похожие объекты, кстати, возникают не только в токамаках, но и в атмосфере Солнца. Но там они находятся внутри, а в двигателе Ибрагими – вылетают наружу с огромной скоростью.

Принципиальная схема двигателя Ибрагими.

Из расчетов следует, что скорость выхлопов плазмы и плазмоидов можно изменять в пределах от 20 до 500 километров в секунду. Равно, как и регулировать тягу космического корабля, меняя напряженность магнитного поля.

Принцип действия своего двигателя Ибрагими подробно описала в журнале Journal of Plasma Physics, на который ссылается портал Рhys.org.

Фатима Ибрагими: ей самой её двигатель явно нравится.

Космические корабли с термоядерными двигателями, конечно, будут гораздо быстрее всех нынешних. Но чтобы добраться в приемлемые сроки до других звездных систем, придется придумать нечто более стремительное. Иначе придется рассчитывать лишь на автоматические миссии длительностью в сотни, а то и в тысячи лет. А встрече с братьями по разуму и не вспоминать.

Оптимальный вариант: найти так называемые «кротовые норы» или червоточины – тоннели в ткани пространства-времени, соединяющие кратчайшими путями отдаленные области Вселенной. Ученые уверяют, что такие «норы» существуют, в том числе и те, сквозь которые можно перемещаться. Знают, как их распознать. Подробнее об этом в нашем материале.

Шансы добраться до других звездный систем дают только «кротовые норы».

Мотор-колесо Дмитрия Дуюнова для электровелосипеда

Дмитрий Дуюнов – российский изобретатель асинхронного мотор-колеса, в котором вместо пояса сильных редкоземельных магнитов, как в классических электродвигателях, используется широкое кольцо из медной обмотки. Мощность уже имеющегося прототипа около 2,5 кВт при крутящем моменте в 200Нм. 


Дмитрий Дуюнов.

  В этом моторе реализован гениальный и простой принцип инженерии — принцип комбинированного или совместного воздействия. Используются две взаимозависимые совмещенные обмотки, одна из которых собрана в «звезду», а вторая в «треугольник».


  Данная идея была возможна и ранее, но только в теории, на практике же всё упиралось в необходимость дополнительных, в том числе и эмпирических расчетов, что Дмитрию, как видим успешно удалось. Мотор также управляется внешним контроллером, как и классический тип, и питается от литиевой батареи.

Видео про разработку Дмитрия Дуюнова от канала АвтоВести.

Преимущества мотор-колеса Дуюнова

  Все существующие на сегодняшний день электромоторы любого назначения это, либо коллекторные моторы, где контакт происходит с помощью графитовых стержней «щеток», либо моторы, использующие внешний пояс из редкоземельных магнитов.

  Коллекторные электромоторы имеют недостаток в виде трущихся деталей, а соответственно вытекающих из этого недостаточной надежности, долговечности и шумности.

  Бесщеточные моторы на постоянных магнитах такого недостатка лишены, но они требуют промышленную добычу этих самых магнитов, их обработку и установку, что требует высокопрофессионального производства. К тому же, запасы данных магнитов на нашей планете не безграничны и рано или поздно придется искать им замену или обращаться к другим принципам самого электромотора.

  Мотор, представленный Дмитрием, не требует установки магнитов, их место занимает значительного размера обмотка из простой медной проволоки. Данная конструкция в том числе позволила значительно увеличить крутящий момент мотора. Для сравнения, обычное мотор-колесо выдает около 40-60 Нм, против 200 Нм у рассматриваемого прототипа Дуюнова.


Мотор-колесо Дуюнова

  Также как и бесщеточные моторы на магнитах, мотор Дмитрия имеет малую неподрессоренную массу, что позволяет рассматривать его использование в том числе в автомобиле в качестве основного движителя. Тем более это возможно благодаря значительному росту мощности мотор-колеса при увеличении размеров внешней обмотки.

  Со слов изобретателя — ограничиваясь внутренними габаритами классического автомобильного колеса – возможно расположить в нем мотор 20 и даже более киловатт при частоте вращения 1000 об/мин, что при установке в каждое колесо даст более 80 кВт а это уже более 100 л.с. — чего достаточно для современного городского автомобиля. Вес данной конструкции составит около 18 кг, что не так уж и много, если учесть что данная конструкция будет лишена ступичного узла и приводных валов используемых в классической компоновке автомобиля.

  Увеличение мощности в таком моторе, помимо остального, в первую очередь достигается за счет увеличения толщины слоя внешней обмотки мотора – для представленной мощности в 2,5 кВт требуется около 3,5 см слоя обмотки, в то время как для 20 кВт потребуется слой, увеличенный всего до 7 см.

  Данное изобретение Дмитрий естественно запатентовал, что не позволяет другим интересующимся организациям по всему миру «украсть» данную идею, хотя постоянные попытки обойти патент не прекращаются – что ожидаемо для изобретения такого уровня.

  В ближайшее время данный мотор будет передан в Германию в немецкую независимую лабораторию для получения точных паспортных характеристик и сертификата.

Фотонный двигатель — Вики

Фотонный двигатель — гипотетический ракетный двигатель, где источником энергии служит тело, которое излучает свет. Фотон имеет импульс, и, соответственно, при истекании из двигателя, свет создаёт реактивную тягу. Теоретически фотонный двигатель может развить максимально возможную для реактивного двигателя тягу в пересчёте на затраченную массу космического аппарата, позволяя достигать скоростей, близких к скорости света, однако практическая разработка таких двигателей, судя по всему, дело далёкого будущего.

Проект фотонной ракеты Эйгена Зенгера (1957 год)

Аннигиляционный фотонный двигатель

Чаще всего обсуждаются и упоминаются в научно-фантастической литературе идеи создания такого двигателя с использованием антивещества. Энтузиасты считают, что взаимодействие вещества и антивещества позволяет перевести практически всю вступающую в реакции массу в излучение.

Тем не менее надо отметить, что распространённая в литературе формулировка «при аннигиляции выделяются гамма-кванты» в принципе физически неверна. Гамма-кванты прямо выделяются только при электрон-позитронной аннигиляции[1]. В случае аннигиляции покоящейся (не релятивистской) пары протон-антипротон происходит сложно-цепочечная реакция: образование (часто) адронного мезоатома со временем жизни порядка 10−27 секунды, затем распад этого атома (собственно аннигиляция) с образованием пионного комплекса, состоящего из 2—12 (в среднем 5—7) нейтральных (1/3) и заряженных (2/3) пи-мезонов (пионов), затем за время порядка 10−17 секунды нейтральные пионы распадаются с выделением гамма-квантов с пиком энергии в спектре около 70 МэВ, в то время, как заряженные пионы, имеющие значительно большее время жизни, до ~1,5×10−4 секунды, удаляются с околосветовыми скоростями из области реакции (в вакууме и разреженной среде — до 20—40 м, в плотном веществе, например, графите — порядка 0,1—0,2 м) и затем распадаются с образованием мюонов, в свою очередь распадающихся (в основном, 99,998 %, канале распада) на нейтрино и электроны.

Таким образом, при аннигиляции антивещества — то есть вещества, состоящего из антипротонов и позитронов, примерно 1/3 энергии выделится в виде жёсткого гамма-излучения с энергией квантов 511 кэВ (от позитронно-электронной аннигиляции) и 70 МэВ от распада нейтральных пионов, ~1/3 энергии — в виде заряженных частиц с достаточно большим пробегом, а ~1/3 — в виде нейтрино, то есть безвозвратно будет потеряна. И «реальный» ракетный двигатель на антиматерии скорее должен выглядеть, как магнитная ловушка для заряженных частиц, а не как некое «зеркало».

При такой невысокой массовой отдаче, порядка 23 %[2], эксплуатация фотонного двигателя становится менее выгодной. Значительно повысить его эффективность позволяет использование внешних ресурсов. Прямоточный аннигиляционный фотонный двигатель и магнитные ловушки, собирающие рассеянный в межзвёздной среде водород и гелий, дают возможность существенно уменьшить запасы рабочего вещества. К сожалению, количество антивещества в межзвёздной среде очень мало — порядка одного атома антиводорода или антигелия на 5×106 атомов обычного водорода, что делает невозможным использовать этот внешний ресурс. Поэтому проблема получения большой массы антивещества и его хранения на борту остаётся актуальной и для прямоточного аннигиляционного фотонного двигателя.[3]

Технические проблемы

В сегодняшнем состоянии идея фотонного реактивного двигателя очень далека от технического воплощения. Она содержит ряд проблем, которые сейчас даже теоретически не могут быть решены. Это:

  1. Проблема получения большого количества антивещества.
  2. Проблема его хранения.
  3. Проблема полного использования при «сжигании» — чтобы аннигиляция происходила полностью, и в основном с выделением именно фотонов.
  4. Проблема создания «зеркала», способного очень хорошо отражать гамма-излучение и другие продукты аннигиляции.

Фотонный двигатель на магнитных монополях

Если справедливы некоторые варианты теорий Великого объединения, такие как модель ‘т Хоофта — Полякова, то можно построить фотонный двигатель, не использующий антивещество, так как магнитный монополь гипотетически может катализировать распад протона[4][5] на позитрон и π0-мезон:

p→e++π0{\displaystyle p\rightarrow e^{+}+\pi ^{0}}

π0 быстро распадается на 2 фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, в итоге атом водорода превращается в 4 фотона, и нерешённой остаётся только проблема зеркала.

В то же время в большинстве современных теорий Великого объединения магнитные монополи отсутствуют, что ставит под сомнение эту привлекательную идею.

Упоминания в научной фантастике

  • В романе Олафа Стэплдона «Последние и первые люди» (1930) даётся первое в мировой литературе подробное и научно правдоподобное описание космического корабля на аннигиляционном двигателе.
  • В советских фильмах «Москва — Кассиопея» и «Отроки во Вселенной» главные герои отправляются в звёздную систему Альфы Кассиопеи на звездолёте «ЗАРЯ» (Звездолёт Аннигиляционный Релятивистский Ядерный), очевидно использующем в качестве источника энергии распад протонов, так как иначе звездолёт не может быть одновременно аннигиляционным и ядерным.
  • В сериале «Star Trek» («Звёздный путь») бортовая энергосистема звездолётов Федерации и многих других звёздных и галактических держав использует антивещество в качестве энергоносителя, но главные маршевые двигательные установки звездолётов не фотонные.
  • В романе Ивана Ефремова «Туманность Андромеды» звездолёты землян используют фантастическое вещество анамезон «с разрушенными мезонными связями ядер атомов, обладающее близкой к световой скоростью истечения»[6]. В романе «Час Быка» земляне используют более совершенные звездолёты прямого луча, принцип действия которых был основан на работах Рен Боза и исследованиях найденного землянами корабля жителей туманности Андромеды.
  • В произведениях Станислава Лема «Непобедимый» и «Фиаско» космический корабль летает на фотонной тяге.
  • В рассказе В. Михайлова «Ручей на Япете» (1971) — космический корабль «Синяя птица» использует фотонную тягу.
  • В произведениях братьев Стругацких (смотри Хиус, Страна багровых туч).
  • В произведении Бернара Вербера «Звёздная бабочка».
  • В компьютерной игре «Sins of a Solar Empire» вся техника всех рас использует антивещество.
  • В компьютерной игре «Петька 007: Золото Партии» Петька и Василий Иванович включают фотонные двигатели на корабле, чтобы полететь в космос.
  • В книге «Сомнамбула» (все части) Александра Зорича крейсер «Справедливый» летает в досветовом режиме на фотонной тяге, в книгах «Три капитана» и «Звездопроходцы» два фотонных звездолёта — «Восход» и «Звезда» отправляются с Земли к планете Сильвана.
  • В книге «Автостопом по галактике» Дугласа Ноэля Адамса космический корабль «Золотое сердце», летает на «невероятностной тяге», в том числе и на «обычной фотонной тяге».
  • В песне «Тау Кита» Владимира Высоцкого астронавт путешествует на космическом корабле, имеющем в своей конструкции отражатель и двигающемся «по световому лучу».
  • В серии произведений Андрея Ливадного «Экспансия: История Галактики» неоднократно упоминаются корабли на фотонной тяге, имеющие в конструкции характерную «чашу фотонного отражателя», и считаются устаревшими.

Фотонный двигатель в реальности

Согласно одной из гипотез, аномальное ускорение космических аппаратов «Пионер-10» и «Пионер-11» вызвано анизотропией теплового излучения аппаратов. Если это так, то таким образом зафиксирован эффект, аналогичный фотонному двигателю. Аналогично при определении параметров гравитационного поля Земли из траекторий движения геофизических спутников LAGEOS в расчёты входит давление солнечного света (солнечный парус) и анизотропия теплового излучения спутников.

См. также

Примечания

Ссылки

Двигатель с постоянными магнитами — Повторная публикация в Википедии // WIKI 2

Схема двигателя с постоянными магнитами

Двигатель с постоянными магнитами — это тип электродвигателя, в котором в дополнение к обмоткам на поле возбуждения используются постоянные магниты, а не только обмотки.

Энциклопедия YouTube

  • 1/3

    Просмотры:

    171 304

    212 682

    169 356

  • Двигатель с постоянными магнитами — Говард Джонсон

  • Электродвигатель / генератор с осевым потоком Magnax с постоянным магнитом

  • Двигатели переменного тока с постоянными магнитами — Управление двигателем и принцип его работы

Содержание

Использование в электромобилях

Этот тип двигателя используется в автомобилях GM Chevrolet Bolt [1] и Volt, а также в заднем приводе Tesla Model 3. [2] В последних моделях Tesla с двумя двигателями используется комбинация двигателя с постоянными магнитами сзади и традиционного асинхронного двигателя спереди. [3]

Двигатели с постоянными магнитами более эффективны, чем асинхронные двигатели или двигатели с обмоткой возбуждения для некоторых высокоэффективных приложений, таких как электромобили. При обсуждении этих преимуществ приводился главный конструктор двигателей Tesla:

Хорошо известно, что машины с постоянными магнитами обладают преимуществом предварительного возбуждения от магнитов, и, следовательно, у вас есть некоторый выигрыш в эффективности для этого.Индукционные машины имеют идеальную регулировку потока, поэтому вы можете оптимизировать свою эффективность. Оба варианта имеют смысл для одноступенчатой ​​трансмиссии с регулируемым приводом в качестве приводных устройств автомобилей. Итак, как вы знаете, в нашей Модели 3 теперь есть машина с постоянными магнитами. Это связано с тем, что для спецификации производительности и эффективности машина с постоянными магнитами лучше решала нашу функцию минимизации затрат и была оптимальной для диапазона и целевых показателей производительности. В количественном отношении разница заключается в том, что определяет будущее машины, и именно компромисс между стоимостью двигателя, запасом хода и стоимостью батареи определяет, какая технология будет использоваться в будущем. [2]

Проблемы, связанные с окружающей средой и снабжением

В двигателях с постоянными магнитами используются несколько типов материалов с постоянными магнитами, включая твердые ферриты, алнико, самарий, кобальт и неодим, железо, бор. Жесткие ферриты — это материал постоянного магнита, наиболее часто встречающийся (по весу) в двигателях с постоянными магнитами. Это связано с их невысокой стоимостью. Если важны другие факторы (размер, температурные характеристики, калибровка, коэрцитивная сила и т. Д.), Инженеры-конструкторы двигателей обычно используют один из других материалов для постоянных магнитов.

Производство редкоземельных элементов приводит к образованию отходов с повышенной радиоактивностью по сравнению с естественной радиоактивностью руд (отходы, которые Агентство по охране окружающей среды США именует TENORM или технологически усовершенствованными радиоактивными материалами естественного происхождения). Китай, крупнейший производитель неодима, ограничил поставки в Японию в 2010 году из-за разногласий по поводу спорного права собственности на острова. Китай ввел строгие экспортные квоты на несколько редкоземельных металлов, заявив, что хочет контролировать загрязнение и сохранить ресурсы.Квоты были отменены в 2015 году. Несмотря на то, что неодима относительно много, мировой спрос на неодим в 2017 году превысил объем производства примерно на 10%. [3]

См. Также

Список литературы

Внешние ссылки

Эта страница последний раз была отредактирована 12 ноября 2021 в 14:25 Электродвигатель

— Википедия, бесплатная энциклопедия

Из Википедии, свободной энциклопедии

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическое движение.Обратная задача — преобразование механического движения в электрическую энергию — выполняется генератором или динамо-машиной. Во многих случаях два устройства различаются только своим применением и незначительными деталями конструкции, а в некоторых приложениях используется одно устройство для выполнения обеих ролей. Например, тяговые двигатели, используемые на локомотивах, часто выполняют обе задачи, если локомотив оборудован динамическими тормозами.

Эксплуатация

Большинство электродвигателей работают за счет электромагнетизма, но также существуют двигатели, основанные на других электромеханических явлениях, таких как электростатические силы и пьезоэлектрический эффект.Фундаментальный принцип, на котором основаны электромагнитные двигатели, заключается в том, что на любой провод действует механическая сила, когда он проводит электричество, находясь в магнитном поле. Сила описывается законом силы Лоренца и перпендикулярна как проводу, так и магнитному полю. Большинство магнитных двигателей являются вращающимися, но существуют и линейные типы. В роторном двигателе вращающаяся часть (обычно внутри) называется ротором, а неподвижная часть — статором. Ротор вращается, потому что провода и магнитное поле расположены так, что вокруг оси ротора создается крутящий момент.Двигатель содержит электромагниты, намотанные на раму. Хотя эту раму часто называют арматурой, этот термин часто используют ошибочно. Правильно, якорь — это та часть двигателя, на которую подается входное напряжение. В зависимости от конструкции машины якорь может служить как ротор, так и статор.

Двигатели постоянного тока

Электродвигатели различных типоразмеров.

Один из первых электромагнитных роторных двигателей был изобретен Майклом Фарадеем в 1821 году и состоял из свободно висящего провода, погруженного в бассейн с ртутью.Постоянный магнит был помещен в середину ртутной ванны. Когда через провод пропускался ток, он вращался вокруг магнита, показывая, что ток порождал круговое магнитное поле вокруг провода. Этот двигатель часто демонстрируется на школьных уроках физики, но иногда вместо токсичной ртути используется рассол (соленая вода). Это простейшая форма класса электродвигателей, называемых униполярными двигателями. Более поздняя доработка — Колесо Барлоу.

В другой ранней конструкции электродвигателя использовался поршень возвратно-поступательного действия внутри переключаемого соленоида; концептуально его можно рассматривать как электромагнитную версию двухтактного двигателя внутреннего сгорания.

Современный двигатель постоянного тока был изобретен случайно в 1873 году, когда Зеноб Грамм соединил вращающуюся динамо-машину со вторым аналогичным устройством, управляя им как двигателем.

Классический двигатель постоянного тока имеет вращающийся якорь в виде электромагнита. Поворотный переключатель, называемый коммутатором, меняет направление электрического тока дважды за цикл, чтобы он протекал через якорь, так что полюса электромагнита толкают и притягивают постоянные магниты на внешней стороне двигателя. Когда полюса электромагнита якоря проходят через полюсы постоянных магнитов, коммутатор меняет полярность электромагнита якоря.В момент переключения полярности инерция поддерживает классический двигатель в нужном направлении. (См. Схемы ниже.)

Простой электродвигатель постоянного тока. Когда катушка запитана, вокруг якоря создается магнитное поле. Левая сторона якоря отодвигается от левого магнита и тянется вправо, вызывая вращение. Якорь продолжает вращаться. Когда якорь становится выровненным по горизонтали, коммутатор меняет направление тока через катушку на противоположное, изменяя направление магнитного поля.Затем процесс повторяется.

Электродвигатель постоянного тока с возбуждением от возбуждения

Постоянные магниты на внешней стороне (статоре) двигателя постоянного тока могут быть заменены электромагнитами. Изменяя ток возбуждения, можно изменять соотношение скорость / крутящий момент двигателя. Обычно обмотка возбуждения размещается последовательно (последовательно намотанная) с обмоткой якоря для получения низкоскоростного двигателя с высоким крутящим моментом, параллельно (параллельная обмотка) с якорем для получения высокоскоростного двигателя с низким крутящим моментом или для частичной обмотки. параллельно и частично последовательно (составная намотка) для баланса, обеспечивающего стабильную скорость в диапазоне нагрузок.Дальнейшее уменьшение тока возбуждения возможно для получения даже более высокой скорости, но, соответственно, более низкого крутящего момента, что называется режимом «слабого поля».

Регулятор скорости

Вообще говоря, скорость вращения двигателя постоянного тока пропорциональна приложенному к нему напряжению, а крутящий момент пропорционален току. Регулировка скорости может быть достигнута с помощью регулируемых выводов аккумуляторной батареи, переменного напряжения питания, резисторов или электронного управления. Направление двигателя постоянного тока с обмоткой возбуждения можно изменить, поменяв местами подключения возбуждения или якоря, но не то и другое вместе, это обычно делается с помощью специального набора контакторов (контакторов направления).

Эффективное напряжение можно изменять, вставляя последовательный резистор или с помощью переключающего устройства с электронным управлением, состоящего из тиристоров, транзисторов или, исторически, ртутных дуговых выпрямителей. В цепи, известной как прерыватель, среднее напряжение, приложенное к двигателю, изменяется путем очень быстрого переключения напряжения питания. Поскольку отношение «включено» к «выключено» изменяется для изменения среднего приложенного напряжения, скорость двигателя изменяется. Быстрое переключение требует меньше энергии, чем последовательные резисторы.Выходные фильтры сглаживают среднее напряжение, подаваемое на двигатель, и уменьшают шум двигателя.

Поскольку двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой развивает максимальный крутящий момент на низкой скорости, он часто используется в тяговых устройствах, таких как электровозы и трамваи. Другое применение — стартеры для бензиновых и небольших дизельных двигателей. Серийные двигатели никогда не должны использоваться в приложениях, где привод может выйти из строя (например, ременные передачи). По мере ускорения двигателя ток якоря (и, следовательно, возбуждения) уменьшается.Уменьшение поля заставляет двигатель ускоряться (см. «Слабое поле» в последнем разделе). Как следствие, скорость двигателя стремится к бесконечности, но двигатель самоуничтожится, прежде чем начнет вращаться так быстро.

Одним из интересных методов управления скоростью двигателя постоянного тока был Ward-Leonard Control. Это метод управления двигателем постоянного тока (обычно с шунтирующей или составной обмоткой) и был разработан как метод обеспечения двигателя с регулируемой скоростью от источника переменного тока, хотя он имел свои преимущества в схемах постоянного тока.Источник переменного тока используется для привода двигателя переменного тока, обычно асинхронного двигателя, который приводит в действие генератор постоянного тока или динамо-машину. Выход постоянного тока из якоря напрямую подключен к якорю двигателя постоянного тока (обычно идентичной конструкции). Шунтирующие обмотки возбуждения обеих машин постоянного тока возбуждаются через переменный резистор от якоря генератора. Этот переменный резистор обеспечивает исключительно хорошее управление скоростью от состояния покоя до полной скорости и постоянный крутящий момент. Этот метод управления был фактически методом с момента его разработки до тех пор, пока его не вытеснили твердотельные тиристорные системы.Она нашла применение практически в любой среде, где требовалось хорошее управление скоростью, от пассажирских лифтов до обмотки головок больших шахтных карьеров и даже промышленного технологического оборудования и электрических кранов. Его принципиальным недостатком было то, что для реализации схемы требовалось 3 машины (5 в очень больших установках, поскольку машины постоянного тока часто дублировались и управлялись тандемным переменным резистором). Во многих случаях установка двигатель-генератор часто оставалась постоянно работающей, чтобы избежать задержек, которые в противном случае были бы вызваны ее запуском по мере необходимости.На момент написания (май 2006 г.) существует множество устаревших установок Ward-Leonard.

Универсальные двигатели

Вариантом электродвигателя постоянного тока является универсальный электродвигатель . Название происходит от того факта, что он может использовать переменный или постоянный ток питания, хотя на практике они почти всегда используются с источниками переменного тока. Принцип заключается в том, что в полевом двигателе постоянного тока с обмоткой ток в поле и в якоре (и, следовательно, в результирующих магнитных полях) будет чередоваться (обратная полярность) в одно и то же время, и, следовательно, генерируемая механическая сила всегда в одном и том же направлении. .На практике двигатель должен быть специально спроектирован для работы с переменным током (необходимо учитывать импеданс, а также пульсирующую силу), и получаемый в результате двигатель обычно менее эффективен, чем эквивалентный чистый двигатель постоянного тока . При работе на нормальных частотах линии электропередачи максимальная мощность универсальных двигателей ограничена, а двигатели мощностью более одного киловатта встречаются редко. Но универсальные двигатели также составляют основу традиционного железнодорожного тягового двигателя. В этом приложении, чтобы поддерживать высокий электрический КПД, они работали от источников переменного тока с очень низкой частотой с частотой 25 Гц и 16 2/3 Гц.Поскольку это универсальные двигатели, локомотивы, использующие эту конструкцию, также обычно могли работать от третьего рельса с питанием от постоянного тока.

Преимущество универсального двигателя заключается в том, что источники питания переменного тока могут использоваться на двигателях, которые имеют типичные характеристики двигателей постоянного тока, в частности, высокий пусковой момент и очень компактную конструкцию, если используются высокие скорости вращения. Отрицательный аспект — проблемы с обслуживанием и коротким сроком службы, вызванные коммутатором. В результате такие двигатели обычно используются в устройствах переменного тока, таких как миксеры для пищевых продуктов и электроинструменты, которые используются только с перерывами.Непрерывное управление скоростью универсального двигателя, работающего на переменном токе, очень легко достигается с помощью тиристорной схемы, в то время как ступенчатое регулирование скорости может осуществляться с помощью нескольких отводов на катушке возбуждения. Бытовые блендеры, рекламирующие множество скоростей, часто сочетают в себе катушку возбуждения с несколькими ответвлениями и диод, который может быть вставлен последовательно с двигателем (в результате чего двигатель работает на полуволновом постоянном токе с половиной среднеквадратичного напряжения линии питания переменного тока).

В отличие от двигателей переменного тока, универсальные двигатели могут легко превысить один оборот за цикл сетевого тока.Это делает их полезными для таких приборов, как блендеры, пылесосы и фены, где требуется высокая скорость работы. Моторы многих пылесосов и триммеров для сорняков превышают 10 000 об / мин, Dremel и другие подобные миниатюрные шлифовальные машины часто превышают 30 000 об / мин. Теоретический универсальный двигатель, которому разрешено работать без механической нагрузки, будет превышать скорость, что может привести к его повреждению. В реальной жизни, однако, различное трение подшипников, «парусность» якоря и нагрузка любого встроенного охлаждающего вентилятора — все это предотвращает превышение скорости.

Из-за очень низкой стоимости полупроводниковых выпрямителей в некоторых приложениях, в которых раньше использовался универсальный двигатель, теперь используется чистый двигатель постоянного тока, обычно с полем постоянного магнита. Это особенно верно, если полупроводниковая схема также используется для регулирования скорости.

Преимущества универсального двигателя и распределения переменного тока сделали установку низкочастотной системы распределения тягового тока экономичной для некоторых железнодорожных установок. На достаточно низких частотах характеристики двигателя примерно такие же, как если бы двигатель работал от постоянного тока.Использовались частоты всего 16 2/3 Гц.

Двигатели переменного тока

Типичный двигатель переменного тока состоит из двух частей:

  1. Внешний неподвижный статор с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля, и;
  2. Внутренний ротор, прикрепленный к выходному валу, которому крутящий момент создается вращающимся полем.

Существует два основных типа двигателей переменного тока в зависимости от типа используемого ротора:

  • Синхронный двигатель, который вращается точно с частотой питающей сети или долей частоты питающей сети, и;
  • Асинхронный двигатель, который вращается немного медленнее и обычно (хотя и не всегда) имеет форму двигателя с короткозамкнутым ротором.

Принцип вращающегося магнитного поля, который обычно приписывают Николе Тесле в 1882 году или около того, использовался такими учеными, как Майкл Фарадей в 1820-х годах, а затем Джеймс Клерк Максвелл. Тесла, однако, использовал этот принцип для разработки уникального двухфазного асинхронного двигателя в 1883 году. Майкл фон Доливо-Добровльски изобрел первый современный трехфазный «ротор с клеткой» в 1890 году. Введение двигателя с 1888 года и далее положило начало тому, что известно. как Вторая промышленная революция, сделавшая возможным эффективное производство и распределение электроэнергии на большие расстояния с использованием системы передачи переменного тока, также изобретение Теслы (1888 г.) [1].Первая успешная коммерческая трехфазная система генерации и передачи на большие расстояния была спроектирована Альмерианом Декером в Милл-Крик № 1 [2] в Редлендс, Калифорния. [3]

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока мощностью 1 л.с. (746 Вт) и 25 Вт с небольшими двигателями от проигрывателя компакт-дисков, игрушек и привода считывателя компакт-дисков и DVD-дисков.

Там, где имеется многофазный источник питания, обычно используется трехфазный (или многофазный) асинхронный двигатель переменного тока, особенно для двигателей большей мощности.Разность фаз между тремя фазами многофазного источника питания создает вращающееся электромагнитное поле в двигателе.

Благодаря электромагнитной индукции вращающееся магнитное поле индуцирует ток в проводниках в роторе, который, в свою очередь, создает уравновешивающее магнитное поле, которое заставляет ротор вращаться в направлении вращения поля. Ротор всегда должен вращаться медленнее, чем вращающееся магнитное поле, создаваемое многофазным источником питания; в противном случае в роторе не будет создаваться уравновешивающее поле.

Асинхронные двигатели

являются «рабочими лошадками» промышленности, и двигатели мощностью до 500 кВт производятся в строго стандартизированных типоразмерах, что делает их почти полностью взаимозаменяемыми между производителями (хотя стандартные размеры в Европе и Северной Америке отличаются). Очень большие синхронные двигатели могут иметь выходную мощность в десятки тысяч кВт для трубопроводных компрессоров и приводов в аэродинамической трубе.

В асинхронных двигателях используются два типа роторов.

Роторы с короткозамкнутым ротором: В большинстве двигателей переменного тока используется ротор с короткозамкнутым ротором, который можно найти практически во всех бытовых и легких промышленных двигателях переменного тока.Беличья клетка получила свое название от своей формы — кольца на обоих концах ротора, с стержнями, соединяющими кольца по длине ротора. Обычно это литой алюминий или медь, залитые между железными пластинами ротора, и обычно видны только концевые кольца. Подавляющее большинство токов ротора будет проходить через стержни, а не через ламинаты с более высоким сопротивлением и обычно покрытые лаком. Очень низкие напряжения при очень высоких токах типичны для шин и концевых колец; В высокоэффективных двигателях часто используется литая медь для уменьшения сопротивления ротора.

В работе двигатель с короткозамкнутым ротором можно рассматривать как трансформатор с вращающейся вторичной обмоткой — когда ротор не вращается синхронно с магнитным полем, индуцируются большие токи ротора; большие токи ротора намагничивают ротор и взаимодействуют с магнитными полями статора, чтобы синхронизировать ротор с полем статора. Двигатель с короткозамкнутым ротором без нагрузки на синхронной скорости будет потреблять электроэнергию только для поддержания скорости ротора с учетом потерь на трение и сопротивление; по мере увеличения механической нагрузки будет увеличиваться и электрическая нагрузка — электрическая нагрузка по своей природе связана с механической нагрузкой.Это похоже на трансформатор, где электрическая нагрузка первичной обмотки связана с электрической нагрузкой вторичной обмотки.

Вот почему, например, двигатель воздуходувки с короткозамкнутым ротором может приводить к затемнению света в доме при запуске, но не приглушает свет, когда его вентиляторный ремень (и, следовательно, механическая нагрузка) снимается. Кроме того, остановившийся двигатель с короткозамкнутым ротором (перегруженный или с заклинившим валом) будет потреблять ток, ограниченный только сопротивлением цепи, при попытке запуска. Если что-то еще не ограничивает ток (или не отключает его полностью), вероятным результатом является перегрев и разрушение изоляции обмотки.

Практически каждая стиральная машина, посудомоечная машина, отдельный вентилятор, проигрыватель и т. Д. Использует какой-либо вариант двигателя с короткозамкнутым ротором.

Ротор с обмоткой: Альтернативная конструкция, называемая ротором с обмоткой, используется, когда требуется регулировка скорости. В этом случае ротор имеет такое же количество полюсов, что и статор, а обмотки выполнены из проволоки, соединенной с контактными кольцами на валу. Угольные щетки подключают контактные кольца к внешнему контроллеру, например, к переменному резистору, который позволяет изменять скорость скольжения двигателя.В некоторых мощных приводах с регулируемой скоростью вращения ротора энергия частоты скольжения улавливается, выпрямляется и возвращается в источник питания через инвертор.

По сравнению с роторами с короткозамкнутым ротором, двигатели с фазным ротором дороги и требуют обслуживания контактных колец и щеток, но они были стандартной формой для регулирования скорости до появления компактных силовых электронных устройств. Транзисторные инверторы с частотно-регулируемым приводом теперь можно использовать для управления скоростью, а двигатели с фазным ротором становятся все реже.(Транзисторные инверторные приводы также позволяют использовать более эффективные трехфазные двигатели, когда доступен только однофазный сетевой ток, но это никогда не используется в бытовых приборах, потому что это может вызвать электрические помехи и из-за высоких требований к мощности. )

Используются несколько методов пуска многофазного двигателя. Там, где допустимы большой пусковой ток и высокий пусковой момент, двигатель можно запустить через линию, подав полное линейное напряжение на клеммы.Если необходимо ограничить пусковой пусковой ток (если мощность двигателя больше, чем у источника питания при коротком замыкании), используется пуск с пониженным напряжением с использованием последовательных катушек индуктивности, автотрансформатора, тиристоров или других устройств. Иногда используется метод пуска со звезды на треугольник, когда катушки двигателя сначала соединяются звездой для ускорения нагрузки, а затем переключаются на треугольник, когда нагрузка достигает скорости. Этот метод более распространен в Европе, чем в Северной Америке.Транзисторные приводы могут напрямую изменять приложенное напряжение в зависимости от пусковых характеристик двигателя и нагрузки.

Этот тип двигателя становится все более распространенным в тяговых приложениях, таких как локомотивы, где он известен как асинхронный тяговый двигатель.

Скорость двигателя переменного тока определяется в первую очередь частотой сети переменного тока и количеством полюсов в обмотке статора в соответствии с соотношением:

N s = 120 F / p

где

N с = Синхронная скорость, в оборотах в минуту
F = частота переменного тока
p = Количество полюсов на фазную обмотку

Фактическая частота вращения асинхронного двигателя будет меньше этой расчетной синхронной скорости на величину, известную как скольжение , которая увеличивается с создаваемым крутящим моментом.Без нагрузки скорость будет очень близка к синхронной. При нагрузке стандартные двигатели имеют скольжение 2-3%, специальные двигатели могут иметь скольжение до 7%, а класс двигателей, известный как моментные двигатели , рассчитан на работу при 100% скольжении (0 об / мин / полный останов).

Скольжение двигателя переменного тока рассчитывается по:

S = ( N s N r ) / N s

где

N r = Скорость вращения в оборотах в минуту.
S = нормализованное скольжение, от 0 до 1.

В качестве примера, типичный четырехполюсный двигатель, работающий на частоте 60 Гц, может иметь номинальное значение на паспортной табличке 1725 об / мин при полной нагрузке, в то время как его расчетная скорость равна 1800.

Скорость в этом типе двигателя традиционно изменялась за счет наличия дополнительных наборов катушек или полюсов в двигателе, которые можно включать и выключать для изменения скорости вращения магнитного поля. Однако развитие силовой электроники означает, что частота источника питания теперь также может быть изменена, чтобы обеспечить более плавное управление скоростью двигателя.

Трехфазные синхронные двигатели переменного тока

Если соединения с катушками ротора трехфазного двигателя сняты на контактных кольцах и пропустить отдельный ток возбуждения для создания непрерывного магнитного поля (или если ротор состоит из постоянного магнита), результат называется синхронным. двигатель, потому что ротор будет вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым многофазным источником питания.

Синхронный двигатель также может использоваться в качестве генератора переменного тока.

В настоящее время синхронные двигатели часто приводятся в действие транзисторными частотно-регулируемыми приводами. Это значительно облегчает запуск массивного ротора большого синхронного двигателя. Они также могут запускаться как асинхронные двигатели с использованием обмотки с короткозамкнутым ротором, которая имеет общий ротор: как только двигатель достигает синхронной скорости, в обмотке с короткозамкнутым ротором не индуцируется ток, поэтому он мало влияет на синхронную работу двигателя. помимо стабилизации скорости двигателя при изменении нагрузки.

Синхронные двигатели иногда используются в качестве тяговых двигателей; TGV может быть самым известным примером такого использования.

Однофазные асинхронные двигатели переменного тока

Трехфазные двигатели по своей природе создают вращающееся магнитное поле. Однако, когда доступна только однофазная мощность, вращающееся магнитное поле должно создаваться другими способами. Обычно используются несколько методов.

Обычным однофазным двигателем является двигатель с расщепленными полюсами, который используется в устройствах, требующих низкого крутящего момента, таких как электрические вентиляторы или другие небольшие бытовые приборы.В этом двигателе небольшие одновитковые медные «затеняющие катушки» создают движущееся магнитное поле. Часть каждого полюса окружена медной катушкой или лентой; индуцированный ток в перемычке противодействует изменению потока через катушку (закон Ленца), так что максимальная напряженность поля перемещается через поверхность полюса в каждом цикле, создавая необходимое вращающееся магнитное поле.

Другим распространенным однофазным электродвигателем переменного тока является асинхронный электродвигатель с расщепленной фазой , обычно используемый в основных бытовых приборах, таких как стиральные машины и сушилки для одежды.По сравнению с двигателями с экранированными полюсами эти двигатели, как правило, могут обеспечивать гораздо больший пусковой крутящий момент за счет использования специальной пусковой обмотки в сочетании с центробежным переключателем.

В электродвигателях с расщепленной фазой пусковая обмотка спроектирована с более высоким сопротивлением, чем рабочая обмотка. Это создает цепь LR, которая немного сдвигает фазу тока в пусковой обмотке. Когда двигатель запускается, пусковая обмотка подключается к источнику питания через набор подпружиненных контактов, на которые нажимает еще не вращающийся центробежный переключатель.Пусковая обмотка намотана с меньшим количеством витков провода меньшего диаметра, чем основная обмотка, поэтому она имеет меньшую индуктивность (L) и более высокое сопротивление (R). Более низкое отношение L / R создает небольшой фазовый сдвиг, не более примерно 30 градусов, между потоком, обусловленным основной обмоткой, и потоком пусковой обмотки. Начальное направление вращения можно изменить на противоположное, просто поменяв местами соединения пусковой обмотки относительно работающей обмотки.

Фаза магнитного поля в этой пусковой обмотке смещена по сравнению с фазой сетевого питания, что позволяет создать движущееся магнитное поле, которое запускает двигатель.Когда двигатель достигает скорости, близкой к расчетной, срабатывает центробежный переключатель, размыкая контакты и отсоединяя пусковую обмотку от источника питания. Тогда двигатель работает только на ходовой обмотке. Пусковую обмотку необходимо отключить, так как это приведет к увеличению потерь в двигателе.

В конденсаторном пусковом двигателе пусковой конденсатор вставлен последовательно с пусковой обмоткой, создавая LC-цепь, способную к гораздо большему фазовому сдвигу (и, следовательно, гораздо большему пусковому крутящему моменту).Конденсатор, естественно, увеличивает стоимость таких двигателей.

Другой вариант — двигатель с постоянным разделенным конденсатором (PSC) (также известный как конденсаторный двигатель запуска и работы). Этот двигатель работает аналогично двигателю с конденсаторным пуском, описанному выше, но здесь нет переключателя центробежного пуска, а вторая обмотка постоянно подключена к источнику питания. Двигатели PSC часто используются в кондиционерах, вентиляторах и воздуходувках, а также в других случаях, когда требуется регулируемая скорость. Изменяя ответвления на ходовой обмотке, но сохраняя постоянную нагрузку, двигатель можно заставить работать с разными скоростями.Также при условии, что все 6 соединений обмоток доступны по отдельности, трехфазный двигатель может быть преобразован в двигатель для запуска и запуска конденсатора путем объединения двух обмоток и подключения третьей через конденсатор, который будет действовать как пусковая обмотка.

Отталкивающие двигатели — это однофазные двигатели переменного тока с фазным ротором, аналогичные универсальным двигателям. В отталкивающем двигателе щетки якоря закорочены вместе, а не соединены последовательно с полем. Было изготовлено несколько типов отталкивающих двигателей, но наиболее часто использовался асинхронный двигатель с отталкивающим запуском и индукционным приводом (RS-IR).Двигатель RS-IR оснащен центробежным переключателем, который замыкает все сегменты коммутатора, так что двигатель работает как асинхронный после разгона до полной скорости. Двигатели RS-IR используются для обеспечения высокого пускового момента на ампер в условиях низких рабочих температур и плохого регулирования напряжения источника. По состоянию на 2006 год продано немного отталкивающих двигателей любого типа.

Однофазные синхронные двигатели переменного тока

Небольшие однофазные двигатели переменного тока также могут быть спроектированы с намагниченными роторами (или несколькими вариантами этой идеи).Роторы в этих двигателях не требуют индуцированного тока, поэтому они не скользят назад против частоты сети. Вместо этого они вращаются синхронно с частотой сети. Из-за высокой точности скорости такие двигатели обычно используются для питания механических часов, проигрывателей виниловых дисков и ленточных накопителей; раньше они также широко использовались в приборах точного времени, таких как ленточные самописцы или механизмы привода телескопов. Синхронный двигатель с расщепленными полюсами — это одна из версий.

Поскольку инерция затрудняет мгновенный разгон ротора с остановленной до синхронной скорости, этим двигателям обычно требуется какая-то особая функция для запуска.В различных конструкциях используется небольшой асинхронный двигатель (который может использовать те же катушки возбуждения и ротор, что и синхронный двигатель) или очень легкий ротор с односторонним механизмом (чтобы гарантировать, что ротор запускается в «прямом» направлении).

Моментные двигатели

Моментный двигатель — это особый вид асинхронного двигателя, который может работать неограниченное время при остановке (с заблокированным от вращения ротором) без повреждений. В этом режиме двигатель будет прикладывать постоянный крутящий момент к нагрузке (отсюда и название).Обычное применение моментного двигателя — это двигатели подающей и приемной катушек в ленточном накопителе. В этом приложении, приводимые в действие низким напряжением, характеристики этих двигателей позволяют приложить относительно постоянное легкое натяжение к ленте, независимо от того, протягивает ли ведущая лента мимо головок ленты. Управляемые более высоким напряжением (и, следовательно, обеспечивающие более высокий крутящий момент), моментные двигатели также могут работать в режиме быстрой перемотки вперед и назад, не требуя каких-либо дополнительных механизмов, таких как шестерни или муфты.

Шаговые двигатели

Основная статья: Шаговый двигатель

По конструкции тесно связаны с трехфазными синхронными двигателями переменного тока шаговые двигатели, в которых внутренний ротор, содержащий постоянные магниты или большой железный сердечник с выступающими полюсами, управляется набором внешних магнитов, которые переключаются электронно. Шаговый двигатель также можно рассматривать как нечто среднее между электродвигателем постоянного тока и соленоидом. Поскольку каждая катушка поочередно получает питание, ротор выравнивается с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения под напряжением.В отличие от синхронного двигателя, при его применении двигатель не может вращаться непрерывно; вместо этого он «шагает» от одного положения к другому, когда обмотки возбуждения последовательно включаются и отключаются. В зависимости от последовательности ротор может вращаться вперед или назад.

Простые драйверы шаговых двигателей полностью включают или полностью обесточивают обмотки возбуждения, приводя ротор к «зубчатой ​​передаче» в ограниченное количество положений; более сложные драйверы могут пропорционально регулировать мощность обмоток возбуждения, позволяя роторам располагаться «между» точками «шестеренки» и, таким образом, вращаться чрезвычайно плавно.Шаговые двигатели с компьютерным управлением — одна из самых универсальных форм систем позиционирования, особенно когда они являются частью цифровой системы с сервоуправлением.

Шаговые двигатели

можно легко поворачивать на определенный угол, и, следовательно, шаговые двигатели используются в дисководах компьютеров, где высокая точность, которую они предлагают, необходима для правильного функционирования, например, жесткого диска или привода компакт-дисков.

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Основная статья: Бесщеточный электродвигатель постоянного тока

Многие ограничения классического коллекторного двигателя постоянного тока связаны с необходимостью прижимания щеток к коммутатору.Это создает трение. На более высоких скоростях щеткам становится все труднее поддерживать контакт. Щетки могут отскакивать от неровностей на поверхности коллектора, создавая искры. Это ограничивает максимальную скорость машины. Плотность тока на единицу площади щеток ограничивает мощность двигателя. Неидеальный электрический контакт также вызывает электрические помехи. Щетки со временем изнашиваются и требуют замены, а сам коллектор подлежит износу и техническому обслуживанию. Сборка коммутатора на большой машине — дорогостоящий элемент, требующий точной сборки многих деталей.

Эти проблемы устранены в бесщеточном двигателе. В этом двигателе механический «вращающийся переключатель» или узел коммутатора / щеточного устройства заменен внешним электронным переключателем, синхронизированным с положением двигателя. Бесщеточные двигатели обычно имеют КПД 85-90%, тогда как двигатели постоянного тока с щеткой обычно имеют КПД 75-80%.

На полпути между обычными двигателями постоянного тока и шаговыми двигателями находится область бесщеточных двигателей постоянного тока. Построенные аналогично шаговым двигателям, они часто используют внешний ротор с постоянным магнитом , три фазы управляющих катушек, одно или несколько устройств на эффекте Холла для определения положения ротора и соответствующую приводную электронику.Катушки активируются, одна фаза за другой, электроникой привода в соответствии с сигналами датчиков Холла. Фактически, они действуют как трехфазные синхронные двигатели, содержащие собственную электронику частотно-регулируемого привода. В специализированном классе контроллеров бесщеточных двигателей постоянного тока для определения положения и скорости используется обратная связь по ЭДС через основные фазовые соединения вместо датчиков Холла. Эти двигатели широко используются в электромобилях с радиоуправлением.

Бесщеточные двигатели постоянного тока

обычно используются там, где требуется точное управление скоростью, в дисководах компьютеров или в кассетных видеомагнитофонах, когда шпиндели на компакт-дисках, компакт-дисках (и т. Д.)) приводы и механизмы в офисных товарах, таких как вентиляторы, лазерные принтеры и копировальные аппараты. Они имеют ряд преимуществ перед обычными двигателями:

  • По сравнению с вентиляторами переменного тока, использующими двигатели с экранированными полюсами, они очень эффективны и работают намного холоднее, чем эквивалентные двигатели переменного тока. Такой холодный режим работы приводит к значительному увеличению срока службы подшипников вентилятора.
  • Без изнашиваемого коммутатора срок службы бесщеточного двигателя постоянного тока может быть значительно больше по сравнению с двигателем постоянного тока, использующим щетки и коммутатор.Коммутация также имеет тенденцию вызывать большое количество электрических и радиочастотных помех; без коммутатора или щеток бесщеточный двигатель может использоваться в электрически чувствительных устройствах, таких как звуковое оборудование или компьютеры.
  • Те же устройства на эффекте Холла, которые обеспечивают коммутацию, могут также обеспечивать удобный сигнал тахометра для приложений с замкнутым контуром (сервоуправлением). В вентиляторах сигнал тахометра может использоваться для получения сигнала «вентилятор исправен».
  • Двигатель можно легко синхронизировать с внутренними или внешними часами, что позволяет точно регулировать скорость.
  • Щеточные двигатели нельзя использовать в космическом вакууме, потому что они привариваются к неподвижному положению.

Современные бесщеточные двигатели постоянного тока имеют мощность от долей ватта до многих киловатт. В электромобилях используются более мощные бесщеточные двигатели мощностью до 100 кВт. Они также находят значительное применение в высокопроизводительных электрических моделях самолетов.

Двигатели постоянного тока без сердечника

Ничто в конструкции любого из описанных выше двигателей не требует, чтобы железные (стальные) части ротора действительно вращались; крутящий момент действует только на обмотки электромагнитов.Этим фактом пользуется бесщеточный электродвигатель постоянного тока , специализированная форма щеточного электродвигателя постоянного тока. Эти двигатели, оптимизированные для быстрого разгона, имеют ротор без железного сердечника. Ротор может иметь форму заполненного обмоткой цилиндра внутри магнитов статора, корзины, окружающей магниты статора, или плоского блинчика (возможно, сформированного на печатной монтажной плате), проходящего между верхним и нижним магнитами статора. Обмотки обычно стабилизируются путем пропитки эпоксидной смолой.

Поскольку ротор намного легче по весу (массе), чем обычный ротор, сформированный из медных обмоток на стальных пластинах, ротор может ускоряться намного быстрее, часто достигая механической постоянной времени менее 1 мс. Это особенно верно, если в обмотках используется алюминий, а не более тяжелая медь. Но поскольку в роторе нет металлической массы, которая могла бы служить радиатором, даже небольшие двигатели без сердечника часто должны охлаждаться принудительным воздухом.

Эти двигатели обычно использовались для привода приводов магнитных лентопротяжных устройств и до сих пор широко используются в высокопроизводительных системах с сервоуправлением.

Линейные двигатели

Линейный двигатель — это, по сути, электродвигатель, который был «раскручен» так, что вместо создания крутящего момента (вращения) он создает линейную силу по всей своей длине, создавая бегущее электромагнитное поле.

Линейные двигатели чаще всего представляют собой асинхронные двигатели или шаговые двигатели. Вы можете найти линейный двигатель в поезде на магнитной подушке (Transrapid), где поезд «летит» над землей.

Нано мотор

Наномотор, сконструированный Калифорнийским университетом в Беркли.Диаметр двигателя составляет около 500 нм: в 300 раз меньше диаметра человеческого волоса.

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли разработали подшипники вращения на основе многослойных углеродных нанотрубок. Прикрепив золотую пластину (размером порядка 100 нм) к внешней оболочке подвешенной многослойной углеродной нанотрубки (например, вложенных углеродных цилиндров), они могут электростатически вращать внешнюю оболочку относительно внутреннего ядра. Эти подшипники очень прочные; Устройства колебались тысячи раз без признаков износа.Работа была сделана на месте в SEM. Эти наноэлектромеханические системы (НЭМС) являются следующим шагом в миниатюризации, которая в будущем может найти свое применение в коммерческих целях.

Примечание: тонкая вертикальная нить посередине — это нанотрубка, к которой прикреплен ротор. Когда внешняя трубка разрезана, ротор может свободно вращаться на подшипнике из нанотрубок.

Процесс и технология показаны на этом рендере.

См. Также

Компоненты:

Ученые и инженеры:

Заявки:

Другое:

Внешние ссылки

Учебники

  • Шейнфилд Д.J., Industrial Electronics for Engineers, Chemists, and Technician, William Andrew Publishing, Norwich, NY, 2001. Самоучитель, в котором кратко рассматриваются электродвигатели, трансформаторы, регуляторы скорости, коды проводки и заземление, транзисторы, цифровые, и т.д. Легко читать и понимать, вплоть до элементарного уровня по каждому предмету, не подходящий справочник для технологов, уже работающих в любой из этих областей.
  • Fitzgerald / Kingsley / Kusko (Fitzgerald / Kingsley / Umans в более поздние годы), * Electric Machinery , классический текст для младших и старших студентов-электриков.Первоначально опубликовано в 1952 году, 6-е издание вышло в 2002 году. Авторы по-прежнему указаны как Фицджеральд / Кингсли / Уманс, хотя Фицджеральд и Кингсли сейчас скончались.
  • Bedford, B.D .; Hoft, R.G. и др. (1964). Принципы инверторных схем . Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc .. 0 471 06134 4. (Для управления скоростью двигателя с переменной частотой используются схемы инвертора)
  • Б. Р. Пелли, «Тиристорные преобразователи с фазовым управлением и циклоконвертеры: работа, управление и производительность» (Нью-Йорк: Джон Вили, 1971).

Список литературы

  • Дональд Г. Финк и Х. Уэйн Бити, Стандартное руководство для инженеров-электриков, одиннадцатое издание , МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 1978, ISBN 007020974X.
  • Эдвин Дж. Хьюстон и Артур Кеннелли, Последние типы динамо-электрических машин , авторское право American Technical Book Company 1897, опубликовано P.F. Кольер и сыновья Нью-Йорк, 1902
  • Купхальдт, Тони Р. (2000–2006). «Глава 13 ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА», Уроки электрических цепей — Том II .Проверено 11 апреля 2006.
  • А.О. Смит: переменного и постоянного тока электродвигателей. Проверено 11 апреля 2006.

Знакомство с четырьмя типами двигателей постоянного тока

В современном промышленном секторе двигатели постоянного тока (DC) встречаются повсюду. От робототехники до автомобилей, малые и средние двигатели часто используют двигатели постоянного тока для их широкого диапазона функций.

Поскольку двигатели постоянного тока используются в таком большом количестве приложений, существуют различные типы двигателей постоянного тока, подходящие для различных задач в промышленном секторе.

Основные типы двигателей постоянного тока

Понимание различных типов двигателей постоянного тока также поможет вам понять, как они используются в различных приложениях и какой тип может применяться в вашем приложении.

Существует 4 основных типа двигателей постоянного тока:

1. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами

Двигатель с постоянными магнитами использует постоянный магнит для создания магнитного поля. Этот тип двигателя постоянного тока обеспечивает большой пусковой крутящий момент и имеет хорошее регулирование скорости, но крутящий момент ограничен, поэтому они обычно используются в приложениях с низкой мощностью.

2. Двигатели постоянного тока серии

В последовательном двигателе постоянного тока поле намотано несколькими витками большого провода, по которому проходит полный ток якоря. Обычно серийные двигатели постоянного тока создают большой пусковой крутящий момент, но не могут регулировать скорость и даже могут выйти из строя при работе без нагрузки. Эти ограничения означают, что они не подходят для применения в приводах с регулируемой скоростью.

3. Параллельные двигатели постоянного тока

В шунтирующих двигателях постоянного тока поле включено параллельно (шунтирующее) обмоткам якоря.Эти двигатели обеспечивают прекрасное регулирование скорости благодаря тому, что шунтирующее поле может возбуждаться отдельно от обмоток якоря, что также обеспечивает упрощенное управление реверсированием.

4. Составные двигатели постоянного тока

Составные двигатели постоянного тока, как и шунтирующие двигатели постоянного тока, имеют отдельно возбуждаемое шунтирующее поле. Составные двигатели постоянного тока имеют хороший пусковой момент, но могут испытывать проблемы с управлением в приводах с регулируемой скоростью.

Между 4 типами двигателей постоянного тока существует множество потенциальных применений.У каждого типа двигателя постоянного тока есть свои сильные и слабые стороны. Понимание этого может помочь вам понять, какие типы могут быть полезны для вашего приложения.

Чтобы узнать больше о двигателях постоянного тока и их применениях, просмотрите наш каталог поставщиков сервоприводов постоянного тока.

MAHLE разрабатывает высокоэффективный безмагнитный электродвигатель

Штутгарт / Германия, 5 мая 2021 г.

  • Новая разработка объединяет сильные стороны различных концепций электродвигателей в одном продукте
  • Преимущества с точки зрения затрат, безопасности ресурсов и экологической совместимости за счет отказа от использования редкоземельных элементов
  • Высокая общая эффективность 95%, ранее достигавшаяся только гоночными автомобилями Формулы E
  • Отсутствие износа благодаря индуктивной передаче энергии
  • Подходит для всех классов автомобилей

MAHLE в настоящее время разрабатывается новый тип безмагнитного электродвигателя, который не требует редкоземельных элементов.Это не только делает производство более экологически совместимым, но также дает преимущества с точки зрения затрат и безопасности ресурсов. Главной особенностью нового двигателя является индуктивная и, следовательно, бесконтактная передача мощности — это позволяет двигателю работать без износа и особенно эффективно на высоких скоростях. Эффективность превышает 95% почти во всех рабочих точках — уровень, который ранее был достигнут только гоночными автомобилями Формулы E. Таким образом, MAHLE удалось объединить сильные стороны различных концепций электродвигателей в одном продукте.Эта новая разработка легко масштабируется, поэтому ее можно использовать во всем, от малолитражек до коммерческих автомобилей.

«С нашим новым электродвигателем мы выполняем взятые на себя обязательства как экологически рациональная компания», — говорит Майкл Фрик, председатель правления MAHLE (временно исполняющий обязанности) и финансовый директор. «Отказ от магнитов и, следовательно, использование редкоземельных элементов предлагает большой потенциал не только с геополитической точки зрения, но и с точки зрения ответственного использования природы и ресурсов.«

» «Наш безмагнитный двигатель, безусловно, можно назвать прорывом, потому что он обеспечивает несколько преимуществ, которые еще не были объединены в продукте такого типа», — говорит д-р Мартин Бергер, вице-президент по корпоративным исследованиям и передовым разработкам в MAHLE. «В результате мы можем предложить нашим клиентам продукт с выдающейся эффективностью по сравнительно низкой цене».

Новый тяговый двигатель MAHLE отличается высокой эффективностью почти во всех рабочих точках и действительно демонстрирует эти преимущества в тех сегментах, где автомобили в основном эксплуатируются в условиях реального дорожного движения.

Новый электродвигатель также отличается высокой надежностью, поскольку необходимая передача электрического тока между вращающимися и неподвижными частями внутри двигателя происходит бесконтактно и, следовательно, не подвержена износу. Это делает двигатель необслуживаемым и пригодным для широкого спектра применений.

В процессе разработки компания MAHLE использует инновационный процесс моделирования, в котором различные конструкции двигателей корректируются по различным параметрам до тех пор, пока не будет найден оптимум.Этот подход значительно быстрее и дешевле, чем обычные процессы. Таким образом, MAHLE помогает быстро создать необходимые технические условия для устойчивого развития электронной мобильности во всем мире.

Контакты в отделе корпоративных коммуникаций MAHLE:

Рубен Даниш
Руководитель отдела корпоративных и продуктовых коммуникаций
Телефон: +49 711 501-12199
Эл. Почта: