|
 |
Silnik elektryczny został po raz pierwszy opracowany w latach 30. XIX wieku, 30 lat po pierwszej baterii. Co ciekawe, silnik został opracowany przed pierwszym dynamem lub generatorem.
|
|
1.) Historia i wynalazcy:1834 – Thomas Davenport z Vermont opracował pierwszy prawdziwy silnik elektryczny („prawdziwy” oznacza wystarczająco mocny, aby wykonać zadanie), chociaż Joseph Henry i Michael Faraday stworzyli wczesne urządzenia ruchowe wykorzystujące pola elektromagnetyczne. Wczesne „silniki” tworzyły wirujące tarcze lub dźwignie, które kołysały się tam i z powrotem. Urządzenia te nie mogły wykonać żadnej pracy dla ludzkości, ale były ważne dla wytyczenia drogi do lepszych silników w przyszłości. Różne silniki Davenporta były w stanie napędzać model wózka na okrężnym torze i wykonywać inne zadania. Wózek ten okazał się później pierwszym ważnym zastosowaniem energii elektrycznej (nie była to żarówka). Rudymentarne, pełnowymiarowe wózki elektryczne zostały ostatecznie zbudowane 30 lat po śmierci Davenporta, w latach pięćdziesiątych XIX wieku. Dopiero w 1873 roku silnik elektryczny osiągnął sukces komercyjny. Od lat 30. XIX wieku tysiące pionierskich inżynierów ulepszyło silniki i stworzyło wiele ich odmian. Zobacz inne strony, aby uzyskać więcej szczegółów na temat szerokiej historii silnika elektrycznego. |
Silnik prowadzi do generatora:
Po opracowaniu słabych silników elektrycznych przez Faradaya i Henry’ego, inny pionier o nazwisku Hippolyte Pixii odkrył, że uruchamiając silnik wstecz, może tworzyć impulsy elektryczne. W latach sześćdziesiątych XIX wieku zaczęto opracowywać potężne generatory. Przemysł elektryczny nie mógł się rozpocząć, dopóki nie opracowano generatorów, ponieważ baterie nie były ekonomicznym sposobem na zaspokojenie potrzeb społeczeństwa. Przeczytaj o generatorach i dynamach tutaj >
2.) Jak działają silnikiSilniki elektryczne mogą być zasilane prądem zmiennym (AC) lub stałym (DC). Silniki prądu stałego zostały opracowane jako pierwsze i mają pewne zalety i wady. Każdy typ silnika działa inaczej, ale wszystkie wykorzystują siłę pola elektromagnetycznego. Porozmawiamy o bardzo podstawowych zasadach pola elektromagnetycznego w silnikach, zanim będzie można przejść do różnych typów silników. Silniki elektryczne prądu przemiennego wykorzystują uzwojenie wtórne i pierwotne (magnes), uzwojenie pierwotne jest podłączone do sieci prądu przemiennego (lub bezpośrednio do generatora) i jest pod napięciem. Uzwojenie wtórne odbiera energię z uzwojenia pierwotnego, nie dotykając go bezpośrednio. Dzieje się tak dzięki złożonemu zjawisku zwanemu indukcją. Po prawej: inżynier pracuje nad modyfikacjami drona octocoptera. Osiem maleńkich silników prądu stałego wytwarza wystarczającą moc, aby unieść kilogramy ładunku. Nowsze projekty silników, takie jak ten, wykorzystują metale ziem rzadkich w stojanie, aby stworzyć silniejsze pola magnetyczne w mniejszych, lżejszych pakietach. |
 |
 |
 |
| Powyżej: silnik uniwersalny spotykany zazwyczaj w większości elektronarzędzi. Posiada on ciężki, gęsty wirnik. | Powyżej: silnik indukcyjny może mieć „klatkę wiewiórczą” lub pustą cewkę obrotową lub ciężką armaturę. |
2.a) Części silnika elektrycznego:
Istnieje wiele rodzajów silników elektrycznych, ale ogólnie rzecz biorąc mają one pewne podobne części. Każdy silnik ma stojan, który może być magnesem stałym (jak pokazano na zdjęciu powyżej) lub zwiniętym przewodem (elektromagnes, jak na zdjęciu powyżej po prawej). Wirnik znajduje się w środku (przez większość czasu) i podlega polu magnetycznemu wytworzonemu przez stojan. Wirnik obraca się, ponieważ jego bieguny są przyciągane i odpychane przez bieguny w stojanie. Obejrzyj nasz film poniżej pokazujący jak to działa. Ten film dotyczy bezszczotkowego silnika prądu stałego, w którym wirnik znajduje się na zewnątrz, w innych silnikach ta sama zasada jest odwrotna, z elektromagnesami na zewnątrz. Film (1 minuta):
Wytrzymałość silnika:
Siła silnika (moment obrotowy) jest określana przez napięcie i długość drutu w elektromagnesie w stojanie, dłuższy drut (co oznacza więcej cewek w stojanie) silniejsze pole magnetyczne. Oznacza to większą moc do obracania wirnika. Zobacz nasz film, który dotyczy zarówno generatorów, jak i silników, aby dowiedzieć się więcej.
Armatura – obracająca się część silnika – dawniej nazywano ją wirnikiem, podtrzymuje ona obracające się cewki miedziane. Na zdjęciu poniżej nie widać cewek, ponieważ są one ciasno schowane w armaturze. Gładka obudowa chroni cewki przed uszkodzeniem.
Stator – Obudowa i cewki, które tworzą zewnętrzną część silnika. Stojan wytwarza stacjonarne pole magnetyczne.
Powyżej: cztery wyraźne cewki są wyraźnie widoczne w tym stojanie (armatura została usunięta)
Zwojnica – miedziane druty nawinięte wokół rdzenia, używane do tworzenia lub odbierania energii elektromagnetycznej.
Drut używany w uzwojeniach MUSI być izolowany. Na niektórych zdjęciach widać, że wygląda to jak gołe uzwojenia z drutu miedzianego, ale tak nie jest, jest to po prostu emaliowany drut z przezroczystą powłoką.
Miedź jest najczęściej stosowanym materiałem na uzwojenia. Aluminium jest również stosowane, ale musi być grubsze, aby bezpiecznie przenosić to samo obciążenie elektryczne. Miedziane uzwojenia pozwalają na zastosowanie silnika o mniejszym rozmiarze. Więcej o miedzi >
Wypalenie silnika, rozwiązywanie problemów:
Jeśli silnik jest uruchomiony zbyt długo lub przy nadmiernym obciążeniu, może „spalić się”. Oznacza to, że wysoka temperatura spowodowała pęknięcie lub stopienie izolacji uzwojenia, a następnie zwarcie uzwojeń, gdy się stykają i silnik ulega uszkodzeniu. Silnik można również spalić poprzez wprowadzenie do niego większego napięcia niż to, na które są przewidziane przewody uzwojenia. W takim przypadku drut stopi się w najsłabszym miejscu, przerywając połączenie. Można sprawdzić, czy silnik spalił się w ten sposób, testując oporność (Ohm) na multimetrze. Ogólnie rzecz biorąc, podczas sprawdzania silnika należy szukać czarnych śladów w uzwojeniach.
Klatka na wiewiórki – druga cewka w silniku indukcyjnym, zobacz poniżej, jak działa
Indukcja – wytwarzanie siły elektromotorycznej w zamkniętym obwodzie przez zmienny strumień magnetyczny w obwodzie. W prądzie zmiennym poziom mocy wzrasta i spada, co powoduje naładowanie uzwojenia na chwilę tworząc pole magnetyczne. Kiedy moc spada w cyklu, pole magnetyczne nie może być utrzymane i zapada się. To działanie przenosi moc poprzez magnetykę do drugiego uzwojenia lub cewki. DOWIEDZ SIĘ WIĘCEJ o indukcji tutaj.
3.) Rodzaje silników elektrycznych prądu przemiennego
Silniki prądu przemiennego (AC):
3.a) Silnik indukcyjny
3.b) Silnik uniwersalny (może wykorzystywać prąd stały lub zmienny)
3.c) Silniki synchroniczne
3.d) Silniki o zacieniowanym biegunie
3.a) Silnik indukcyjny
Zobacz naszą stronę poświęconą silnikowi indukcyjnemu tutaj >
3.b) Silnik uniwersalny
Jest to mocny silnik, który może być używany zarówno z prądem zmiennym jak i stałym.
Wady:
-Wysoki początkowy moment obrotowy i mały rozmiar (dobry do powszechnego stosowania w elektronarzędziach konsumenckich)
-Może pracować z dużymi prędkościami (świetny do pralek i wiertarek elektrycznych)
Wady:
-szczotki zużywają się z czasem
Użycia: urządzenia, ręczne elektronarzędzia
Zobacz film poniżej:
3.c) Silniki synchroniczne (silnik Selsyn)
Silnik ten jest podobny do silnika indukcyjnego, z wyjątkiem tego, że porusza się z częstotliwością liniową.
Silnik Selsyn został opracowany w 1925 roku i jest obecnie znany jako Synchro. Dowiedz się więcej na ich temat tutaj.
Zalety: Zapewnia stałą prędkość, która jest określana przez liczbę biegunów i dostarczaną częstotliwość prądu zmiennego.
Wady: Nie radzi sobie ze zmiennym momentem obrotowym, ten silnik zatrzyma się lub „wyciągnie” przy danym momencie obrotowym.
Użycia: Zegar wykorzystuje silniki synchroniczne, aby zapewnić dokładną prędkość obrotową dla rąk. Jest to silnik analogowy i choć prędkość jest dokładna, silnik krokowy byłby lepszy do pracy z komputerami, ponieważ działa na sztywnych „kroków” kolei.
3.d) Shaded-Pole Motor
 |
|
Zalety: osiąga silny poziom momentu obrotowego, gdy wirnik zacznie się szybko obracać.
Używany w wentylatorach, urządzeniach
Wady: powolny start, niski moment obrotowy do startu. Używany w wentylatorach, zauważ powolny start wentylatorów.
Ten silnik jest również używany w odpływach pralek, otwieracze puszek i innych urządzeń gospodarstwa domowego.
Inne rodzaje silników działają lepiej dla bardziej potężnych potrzeb powyżej 125 watów.
Zobacz film poniżej:
4.) Silniki prądu stałego (DC):
Silniki prądu stałego były pierwszym rodzajem silnika elektrycznego. Ich sprawność wynosi zazwyczaj 75-80%. Pracują dobrze przy zmiennych prędkościach i mają duży moment obrotowy.
4.a) Informacje ogólne
4.b) Szczotkowe silniki prądu stałego
4.b.1) Silnik prądu stałego z uzwojeniem łukowym
4.b.2) Silnik prądu stałego z uzwojeniem szeregowym
4.b.3) Silniki naleśnikowe
4.b.4) Silnik prądu stałego z magnesem trwałym
4.b.5) Oddzielnie wzbudzane (Sepex)
4.c) Bezszczotkowe silniki prądu stałego
4.c.1) Silnik krokowy
4.c.2) Bezrdzeniowe / bezżelazne silniki prądu stałego
Silniki szczotkowe prądu stałego:
Pierwsze silniki prądu stałego używały szczotek do przenoszenia prądu na drugą stronę silnika. Szczotka została tak nazwana, ponieważ początkowo przypominała kształtem miotłę. Małe metalowe włókna ocierały się o obracającą się część silnika, aby utrzymać stały kontakt. Problem z szczotkami polega na tym, że zużywają się one z czasem z powodu mechaniki. Szczotki tworzyłyby iskry z powodu tarcia. Parki często topiły izolację i powodowały zwarcia w tworniku, a nawet topiły komutator.
Pierwsze silniki były używane w kolejach ulicznych.
Używa komutatora z dzielonym pierścieniem i szczotkami.
Zalety:
-Używane w niezliczonych zastosowań, ma łatwą kontrolę prędkości za pomocą poziomu napięcia do kontroli.
-Ma wysoki moment rozruchowy (potężny start)
Ograniczenia: szczotki tworzą tarcie i iskry, to może przegrzać urządzenie i stopić / spalić szczotki, dlatego maksymalna prędkość obrotowa jest ograniczona. Iskry powodują również zakłócenia częstotliwości radiowych. (RFI)
Istnieje pięć typów silników DC ze szczotkami:
Silnik DC Shunt Wound
Silnik DC Series Wound
Silnik DC compound – Cumulative compounded i Differentially Compounded
Silnik DC z magnesem trwałym
Separately Excited
Silnik panewkowy
Bezszczotkowe silniki DC:
Szczotka jest zastąpiona przez zewnętrzny przełącznik elektryczny, który jest zsynchronizowany z pozycją silnika (odwróci polaryzację w razie potrzeby, aby utrzymać wał silnika obracający się w jednym kierunku)
-Wydajniejszy niż silniki szczotkowe
-Używany, gdy kontrola prędkości musi być precyzyjna (np. w napędach dyskowych, maszynach taśmowych, samochodach elektrycznych itp.)
Długa żywotność, ponieważ działa w chłodniejszej temperaturze i nie ma szczotek do zużycia.
Typy bezszczotkowych silników prądu stałego:
Silnik krokowy
Bezrdzeniowe / bezżelazne silniki prądu stałego
4.b) BRZUSZCZOWE SILNIKI prądu stałego:
4.b.1) Silnik DC Shunt-wound
Silnik DC Shunt jest okablowany tak, że cewka pola jest połączona równolegle z twornikiem. Oba uzwojenia otrzymują to samo napięcie. Cewka pola bocznikowego jest nawinięta wieloma zwojami cienkiego drutu, aby stworzyć wysoki opór. Dzięki temu cewka pobiera mniej prądu niż twornik (wirnik).
Wzbudnik (widoczny powyżej, jest to długa, gruba, cylindryczna część obracająca się) ma grube miedziane druty, dzięki czemu może przez niego przepłynąć dużo prądu, aby uruchomić silnik.
Jak twornik się obraca (patrz zdjęcie poniżej), prąd jest ograniczany przez siłę przeciwelektromotoryczną.
Siła cewki pola bocznikowego określa prędkość i moment obrotowy silnika.
Zalety: Silnik DC Shunt reguluje swoją własną prędkość obrotową. Oznacza to, że po dodaniu obciążenia armatura zwalnia, CEMF maleje, co powoduje wzrost prądu armatury. Powoduje to wzrost momentu obrotowego, który pomaga przenieść ciężki ładunek. Kiedy obciążenie jest usuwane, armatura przyspiesza, CEMF wzrasta, co ogranicza prąd i moment obrotowy maleje.
Przykład przenośnika taśmowego: Wyobraź sobie przenośnik taśmowy poruszający się z określoną prędkością, następnie na taśmę wchodzi ciężka skrzynia. Ten typ silnika utrzyma taśmę w ruchu ze stałą prędkością bez względu na to, ile pudełek porusza się po taśmie.
Zobacz film poniżej przedstawiający silnik bocznikowy prądu stałego w akcji!:
4.b.2) Silnik szeregowo-zwojowy prądu stałego
Silnik szeregowo-zwojowy jest samowzbudnym typem silnika prądu stałego. Uzwojenie polowe jest połączone wewnętrznie szeregowo z uzwojeniem wirnika. W ten sposób uzwojenie pola w stojanie jest wystawione na działanie pełnego prądu wytwarzanego przez uzwojenie wirnika.
Ten rodzaj silnika wygląda podobnie do silnika DC shunt-wound, z wyjątkiem tego, że uzwojenia pola są wykonane z cięższego drutu, więc może wytrzymać wyższe prądy.
Użycia: Ten typ silnika jest używany w przemyśle jako silnik rozruchowy ze względu na duży moment obrotowy. owiedz się więcej o silniku z uzwojeniem szeregowym:
Artykuł 1
Artykuł 2
4.b.3) Silnik prądu stałego typu pancake (vel silnik z drukowaną twornicą)
Silnik typu pancake jest silnikiem bezżelaznym. Większość silników ma miedziane uzwojenie wokół żelaznego rdzenia.
Wideo pokazujące przykłady silnika naleśnikowego:
Zalety:
Dokładna kontrola prędkości, płaski profil, nie ma zatorów, które są powodowane przez żelazo w elektromagnesie
Wady:
płaski kształt nie jest dobry do wszystkich zastosowań
Ma uzwojenie ukształtowane w płaskim dysku epoksydowym pomiędzy dwoma magnesami wysokostrumieniowymi. Jest całkowicie pozbawiony żelaza, co daje dużą wydajność. Używany w aplikacjach servo, został po raz pierwszy zaprojektowany jako silnik wycieraczek i przemysłu wideo, ponieważ był bardzo płaski w profilu i miał dobrą kontrolę prędkości. Komputery i nagrywanie wideo / audio wszystkie używane taśmy magnetycznej, precyzyjne i szybkie sterowanie prędkością było potrzebne, więc silnik naleśnikowy został opracowany dla tego. Dzisiaj jest on używany w niezliczonej ilości innych zastosowań, włączając w to robotykę i serwomechanizmy.
4.b.4) Silnik złożony prądu stałego (skumulowany i różnicowo złożony)
Jest to kolejny silnik samowzbudny z cewkami szeregowymi i bocznikowymi. Posiada on skuteczną regulację prędkości i przyzwoity moment rozruchowy. owiedz się więcej o tym typie silnika tutaj.
4.b.5) Silnik prądu stałego z magnesem trwałym
Ten rodzaj silnika działa dobrze przy wysokiej prędkości i może być bardzo kompaktowy. astosowania: sprężarki, inne aplikacje przemysłowe
Dowiedz się więcej o tym typie silnika tutaj.
4.b.6) Silnik wzbudzany oddzielnie (sepex)
SepEx posiada uzwojenie pola, które jest zasilane oddzielnie od twornika sygnałem prądu stałego. Magnes polowy ma również swoje własne zasilanie prądem stałym. W rezultacie zobaczysz, że ten typ silnika ma cztery przewody – 2 dla pola i 2 dla twornika.
Ten silnik jest szczotkowanym silnikiem prądu stałego, który ma szersze krzywe momentu obrotowego niż szeregowo zwijany silnik prądu stałego.
Dowiedz się więcej o tym typie silnika tutaj.
4.c) Bezszczotkowe silniki prądu stałego:
4.c.1 ) Silnik krokowy
Silnik krokowy jest rodzajem silnika bezszczotkowego, który porusza centralnym wałem o jedną część obrotu na raz. Odbywa się to za pomocą elektromagnesów z ząbkami wokół scentralizowanego koła zębatego w kształcie kawałka żelaza. Istnieje wiele rodzajów silników krokowych. Są one używane w systemach, które przenoszą obiekty do precyzyjnej pozycji, jak skaner, napęd dyskowy i przemysłowe urządzenia do rzeźbienia laserowego.
Zobacz film z silnikiem krokowym w akcji poniżej:
4.c.2) Bezrdzeniowe / Bezżelazne silniki prądu stałego
Rdzeń z miedzi lub aluminium obraca się wokół magnesu bez użycia żelaza. Zaleta: lekki i szybki, aby zacząć się kręcić (używany w dyskach twardych komputerów)
Wada: łatwo się przegrzewa, ponieważ żelazo normalnie działa jako radiator, potrzebuje wentylatora, aby utrzymać chłód.
Dowiedz się więcej o tym typie silnika tutaj.
Dowiedz się więcej o tym typie silnika tutaj.