Электрычны рухавік

Электрарухавікі рознай магутнасці (750 Вт, 250 Вт, да CD-плэера, да цацкі, да дыскавода). Батарэйка «Крона» паказаная для параўнання

Электрычны рухавік — электрычная машына (электрамеханічны пераўтваральнік), у якой электрычная энергія пераўтворыцца ў механічную.

Прынцып дзеяння

У аснову працы любой электрычнай машыны пакладзены прынцып электрамагнітнай індукцыі. Электрычная машына складаецца з нерухомай часткі — статара (для асінхронных і сінхронных машын пераменнага току) або індуктара (для машын пастаяннага току) і рухомай часткі — ротара (для асінхронных і сінхронных машын пераменнага току) або якара (для машын пастаяннага току). У ролі індуктара на маламагутных рухавіках пастаяннага току вельмі часта выкарыстоўваюцца пастаянныя магніты.

Ротар асінхроннага рухавіка можа быць:

• каротказамкнутым;
• фазным (з абмоткай) — выкарыстоўваюцца там, дзе неабходна паменшыць пускавы ток і рэгуляваць частату кручэння асінхроннага электрарухавіка. У большасці выпадкаў гэта кранавыя электрарухавікі серыі МТН, якія паўсюдна выкарыстоўваюцца ў кранавых усталёўках.

Якар — гэта рухомая частка машын пастаяннага току (рухавіка або генератара) або жа які працуе па гэтым жа прынцыпе так званага ўніверсальнага рухавіка (які выкарыстоўваецца ў электраінструменце). Па сутнасці ўніверсальны рухавік — гэта той жа рухавік пастаяннага току (ДПТ) з паслядоўным узбуджэннем (абмоткі якара і індуктара ўключаны паслядоўна). Адрозненне толькі ў разліках абмотак. На пастаянным току адсутнічае рэактыўнае (індуктыўнае або ёмістаснае) супраціўленне. Таму любая «балгарка», калі з яе атрымаць электронны блок, будзе цалкам працаздольная і на пастаянным току, але пры меншым напружанні сеткі.

Прынцып дзеяння трохфазнага асінхроннага электрарухавіка

Пры ўключэнні ў сетку ў статары ўзнікае кругавое круцячае магнітнае поле, якое пранізвае каротказамкнутую абмотку ротара і наводзіць у ёй ток індукцыі. Адсюль, вынікаючы закону Ампера (на праваднік з токам, змешчаны ў магнітнае поле, дзейнічае адхіляюцца сіла), ротар прыходзіць у кручэнне. Частата кручэння ротара залежыць ад частоты сілкавальнага напружання і ад колькасці пар магнітных палюсоў.

Рознасць паміж частатой кручэння магнітнага поля статара і частатой кручэння ротара характарызуецца слізгаценнем. Рухавік называецца асінхронным, так як частата кручэння магнітнага поля статара не супадае з частатой кручэння ротара.

Сінхронны рухавік мае адрозненне ў канструкцыі ротара. Ротар выконваецца небудзь пастаянным магнітам, альбо электрамагнітам, альбо мае ў сабе частку вавёркавай клеткі (для запуску) і пастаянныя магніты або электрамагніты. У сінхронным рухавіку частата кручэння магнітнага поля статара і частата кручэння ротара супадаюць. Для запуску выкарыстоўваюць дапаможныя асінхронныя электрарухавікі, альбо ротар з кароткозамкнутай абмоткай.

Асінхронныя рухавікі знайшлі шырокае прымяненне ва ўсіх галінах тэхнікі. Асабліва гэта тычыцца простых па канструкцыі і трывалых трохфазных асінхронных рухавікоў з каротказамкнутымі ротарамі, якія надзейней і танней за ўсіх электрычных рухавікоў і практычна не патрабуюць ніякага догляду. Назва «асінхронны» абумоўлена тым, што ў такім рухавіку ротар не круціцца сінхронна з круцячымся полем статара. Там, дзе няма трохфазнай сеткі, асінхронны рухавік можа ўключацца ў сетку аднафазнага току.

Статар асінхроннага электрарухавіка складаецца, як і ў сінхроннай машыне, з пакета, набранага з лакіраваных лістоў электратэхнічнай сталі таўшчынёй 0,5 мм, у пазах якога выкладзеная абмотка. Тры фазы абмоткі статара асінхроннага трохфазнага рухавіка, прасторава разумныя на 120°, злучаюцца адзін з адным зоркай або трохвугольнікам.

На мал. 1. паказана прынцыповая схема двухполюснай машыны — па чатыры пазы на кожную фазу. Пры сілкаванні абмотак статара ад трохфазнай сеткі атрымліваецца круцячаясе поле, так як токі ў фазах абмоткі, якія зрушаныя ў прасторы на 120° сябар адносна аднаго ссунутыя па фазе сябар адносна сябра на 120°.

Для сінхроннай частаты кручэння nc поля электрарухавіка з р парамі полюсаў справядліва пры частаце току ${\displaystyle }$: ${\displaystyle }$

Пры частаце 50 Гц атрымліваем для ${\displaystyle }$ = 1, 2, 3 (двух-, чатырох - і шасці-полюсных машын) сінхронныя частаты кручэння поля ${\displaystyle }$ = 3000, 1500 і 1000 аб/мін.

Ротар асінхроннага электрарухавіка таксама складаецца з лістоў электратэхнічнай сталі і можа быць выкананы ў выглядзе каротказамкнутага ротара (з «вавёркавай клеткай») або ротара з кантактнымі кольцамі (фазны ротар).

У каротказамкнутым ротары абмотка складаецца з металічных стрыжняў (медзь, бронза або алюміній), якія размешчаны ў пазах і злучаюцца на канцах замыкальных кольцамі (мал. 1). Злучэнне ажыццяўляецца метадам паяння цвёрдым прыпоем або зваркай. У выпадку прымянення алюмінію або алюмініевых сплаваў стрыжні ротара і закарочваючыя кольцы, уключаючы лопасці вентылятара, размешчаныя на іх, вырабляюцца метадам ліцця пад ціскам.

У ротара электрарухавіка з кантактнымі кольцамі ў пазах знаходзіцца трохфазны абмотка, падобная на абмотку статара, уключаную, напрыклад, зоркай; пачатку фаз злучаюцца з трыма кантактнымі кольцамі, замацаванымі на вале. Пры пуску рухавіка і для рэгулявання частоты кручэння можна падключыць да фазам абмоткі ротара рэастаты (праз кантактныя кальца і шчоткі). Пасля паспяховага разбегу кантактныя кольцы замыкаюцца накоратка, так што абмотка ротара рухавіка выконвае тыя ж самыя функцыі, што і ў выпадку каротказамкнутага ротара.

Класіфікацыя электрарухавікоў

Паводле прынцыпа ўзнікнення круцячага моманту электрарухавікі можна падзяліць на гістарэзісныя і магнітаэлектрычныя. У рухавікоў першай групы круцячы момант ствараецца з прычыны гістарэзісу пры перамагнічванні ротара. Дадзеныя рухавікі не з'яўляюцца традыцыйнымі і не шырока распаўсюджаныя ў прамысловасці.

Найбольш распаўсюджаныя магнітаэлектрычныя рухавікі, якія па тыпу спажыванай энергіі падзяляецца на дзве вялікія групы — на рухавікі пастаяннага току і рухавікі пераменнага току (таксама існуюць універсальныя рухавікі, якія могуць харчавацца абодвума відамі току).

Рухавікі пастаяннага току

Рухавік пастаяннага току ў разрэзе. Справа размешчаны калектар з шчоткамі

Рухавік пастаяннага току — электрычны рухавік, сілкаванне якога ажыццяўляецца пастаянным токам. Дадзеная група рухавікоў у сваю чаргу па наяўнасці шчотачна-калектарнага вузла падзяляецца на:

1. Калектарныя рухавікі;
2. Бескалектарныя рухавікі.

Шчотачна-калектарны вузел забяспечвае электрычнае злучэнне ланцугоў круцячагася і нерухомай часткі машыны і з'яўляецца найбольш ненадзейным і складаным у абслугоўванні канструктыўным элементам.^[1]

Паводле тыпа ўзбуджэння калектарныя рухавікі можна падзяліць на:

1. Рухавікі з незалежным узбуджэннем ад электрамагнітаў і пастаянных магнітаў;
2. Рухавікі з самаўзбуджэннем.

Рухавікі з самаўзбуджэннем дзеляцца на:

1. Рухавікі з паралельным узбуджэннем (абмотка якара ўключаецца паралельна абмотцы ўзбуджэння);
2. Рухавікі паслядоўнага ўзбуджэння (абмотка якара ўключаецца паслядоўна абмотцы ўзбуджэння);
3. Рухавікі змешанага ўзбуджэння (частка абмоткі ўзбуджэння ўключаецца паслядоўна з якарам, а другая частка — паралельна абмотцы якара або паслядоўна злучаным абмотцы якара і першай абмоткі ўзбуджэння, у залежнасці ад патрабаванай нагрузачнай характарыстыкі).

Бескалектарныя рухавікі (вентыльныя рухавікі) — электрарухавікі, выкананыя ў выглядзе замкнёнай сістэмы з выкарыстаннем датчыка становішча ротара, сістэмы кіравання (пераўтваральніка каардынатаў) і сілавога паўправадніковага пераўтваральніка (інвертар). Прынцып працы дадзеных рухавікоў аналагічны прынцыпе працы сінхронных рухавікоў.^[2]

Рухавікі пульсавалага току

Рухавік пульсавалага току — электрычны рухавік, сілкаванне якога ажыццяўляецца пульсавалым электрычным токам. Па канструкцыі вельмі блізкі з рухавіка пастаяннага току. Яго канструкцыйнымі адрозненнямі ад рухавіка пастаяннага току з’яўляюцца шыхтаваныя ўстаўкі ў каркасе, шыхтаваныя дадатковыя полюсы, большая колькасць пар полюсаў, наяўнасць кампенсацыйнай абмоткі. Ужываюцца на электравозах з устаноўкамі для выпроствання пераменнага току^[3]

Рухавікі пераменнага току

Трохфазныя асінхронныя рухавікі

Рухавік пераменнага току — электрычны рухавік, харчаванне якога ажыццяўляецца пераменным токам. Па прынцыпе працы гэтыя рухавікі падзяляюцца на сінхронныя і асінхронныя рухавікі. Прынцыповае адрозненне складаецца ў тым, што ў сінхронных машынах першая гармоніка магнітарухаючай сілы статара рухаецца са хуткасцю кручэння ротара (дзякуючы чаму сам ротар круціцца са хуткасцю кручэння магнітнага поля ў статары), а ў асінхронных — заўсёды ёсць розніца паміж хуткасцю кручэння ротара і хуткасцю кручэння магнітнага поля ў статары (поле круціцца хутчэй ротара).

Сінхронны электрарухавік — электрарухавік пераменнага току, ротар якога круціцца сінхронна з магнітным полем сілкавальнага напружання.

Сінхронныя электрарухавікі падраздзяляюцца на^[4]:

• сінхронны рухавік з абмоткамі ўзбуджэння. Дадзеныя рухавікі звычайна выкарыстоўваюцца пры вялікіх магутнасцях (ад сотняў кілават і вышэй).^[2]
• сінхронны рухавік з пастаяннымі магнітамі;
• сінхронны рэактыўны рухавік;
• гістарэзісны рухавік;
• крокавы рухавік;
• гібрыдны сінхронны рэактыўны рухавік з пастаяннымі магнітамі;
• рэактыўна-гістарэзісны рухавік.

Існуюць сінхронныя рухавікі з дыскрэтным кутнім перамяшчэннем ротара — крокавыя рухавікі. У іх зададзенае становішча ротара фіксуецца падачай сілкавання на адпаведныя абмоткі. Пераход у іншае становішча ажыццяўляецца шляхам зняцця напружання сілкавання з адных абмотак і перадачы яго на іншыя. Яшчэ адзін від сінхронных рухавікоў — вентыльны рэактыўны электрарухавік, сілкаванне абмотак якога фарміруецца пры дапамозе паўправадніковых элементаў.

Асінхронны электрарухавік — электрарухавік пераменнага току, у якой частата кручэння ротара адрозніваецца ад частоты круцячага магнітнага поля, стваранага тым, што кормяць напругай. Гэтыя рухавікі найбольш распаўсюджаныя ў цяперашні час.

Па колькасці фаз рухавікі пераменнага току падпадзяляюцца на:

• аднафазныя — запускаюцца ўручную, або маюць пускавую абмотку, або маюць фазосрушаючы ланцуг;
• двухфазныя — у тым ліку кандэнсатарныя;
• трохфазныя;
• шматфазныя;

Універсальны калектарны электрарухавік

Універсальны калектарны электрарухавік — калектарны электрарухавік, які можа працаваць і на пастаянным, і на пераменным току. Вырабляецца толькі з паслядоўнай абмоткай узбуджэння на магутнасці да 200 Вт. Статара выконваецца шыхтаваным з спецыяльнай электратэхнічнай сталі. Абмотка ўзбуджэння часткова ўключаецца пры пераменным току і цалкам пры пастаянным. Для пераменнага току намінальныя напружанні 127, 220 В, для пастаяннага 110, 220 В. Ужываецца ў бытавых апаратах, электраінструментах. Рухавікі пераменнага току з сілкаваннем ад прамысловай сеткі 50 Гц не дазваляюць атрымаць частату вярчэння вышэй за 3000 аб/мін. Таму для атрымання высокіх частот ужываюць калектарны электрарухавік, які да таго ж атрымліваецца лягчэй і менш рухавіка пераменнага току той жа магутнасці або ўжываюць спецыяльныя перадаткавыя механізмы, якія змяняюць кінематычныя параметры механізму да неабходных нам (мультыплікатары). Пры ўжыванні пераўтваральнікаў частоты або наяўнасці сеткі падвышанай частоты (100, 200, 400 Гц) рухавікі пераменнага току аказваюцца лягчэй і менш калектарных рухавікоў (калектарны вузел часам займае палову прасторы). Рэсурс асінхронных рухавікоў пераменнага току значна вышэй, чым у калектарных, і вызначаецца станам падшыпнікаў і ізаляцыі абмотак.

Сінхронны рухавік з датчыкам становішча ротара і інвертарам з’яўляецца электронным аналагам калектарнага рухавіка пастаяннага току. Строга кажучы, універсальны калектарны рухавік з'яўляецца калектарнай электрарухавікоў пастаяннага току з паслядоўна ўключанымі абмоткамі ўзбуджэння (статара), аптымізаваным для працы на пераменным току бытавой электрычнай сеткі. Такі тып рухавіка незалежна ад палярнасці падаванага напружання круціцца ў адзін бок, так як за кошт паслядоўнага злучэння абмотак статара і ротара змена полюсаў іх магнітных палёў адбываецца адначасова і выніковы момант застаецца накіраваным у адну бок. Для магчымасці працы на пераменным току ўжываецца статар з магнітна-мяккага матэрыялу, які мае малы гістэрэзіс (супраціў перамагнічванню). Для памяншэння страт на віхравыя токі статара выконваюць наборным з ізаляваных пласцін. Асаблівасцю (у большасці выпадкаў — вартасцю) працы такога рухавіка менавіта на пераменным току (а не на пастаянным такога ж напружання) з’яўляецца тое, што ў рэжыме малых абаротаў (пуск і перагрузка) індуктыўны супраціў абмотак статара абмяжоўвае спажываны ток і адпаведна максімальны момант рухавіка (ацэначна) да 3-5 ад намінальнага (супраць 5-10 пры сілкаванні таго ж рухавіка пастаянным токам). Для збліжэння механічных характарыстык у рухавікоў агульнага прызначэння можа прымяняцца секцыяніраванне абмотак статара — асобныя высновы (і меншы лік віткоў абмоткі статара) для падлучэння пераменнага току.

Сінхронны электрарухавік зваротна-паступальнага руху

Прынцып яго працы складаецца ў тым, што рухомая частка рухавіка ўяўляе сабой пастаянныя магніты, замацаваныя на штоку. Праз нерухомыя абмоткі прапускаецца пераменны ток, і пастаянныя магніты пад дзеяннем магнітнага поля, створанага абмоткамі, перамяшчаюць шток зваротна-паступальным чынам.^[5]

Гісторыя

Прынцып пераўтварэння электрычнай энергіі ў механічную энергію электрамагнітным полем быў прадэманстраваны брытанскім навукоўцам Майклам Фарадэем у 1821 і складаўся з свабодна падвешанага проваду, апушчанага ў ртуць. Пастаянны магніт быў усталяваны ў сярэдзіне ванны са ртуццю. Калі праз провад прапускаўся ток, провад круціўся вакол магніта, паказваючы, што ток выклікаў цыклічнае магнітнае поле вакол драты^[6]. Гэты рухавік часта дэманструецца на школьных уроках фізікі, замест таксічнай ртуці выкарыстоўваюць расол. Гэта — самы просты выгляд з класа электрычных рухавікоў. Наступным удасканаленнем з’яўляецца Кола Барлоу. Яно было дэманстрацыйным прыладай, непрыдатным у практычных ужываннях з-за абмежаванай магутнасці.

Вынаходнікі імкнуліся стварыць электрарухавік для вытворчых патрэб. Яны спрабавалі прымусіць жалезны стрыжань рухацца ў поле электрамагніта зваротна-паступальна, то ёсць так, як рухаецца поршань у цыліндры паравой машыны. Рускі навуковец Б. С. Якобі пайшоў іншым шляхам. У 1834 г. ён стварыў першы ў свеце практычна прыдатны электрарухавік з круцячымся якарам і апублікаваў тэарэтычную працу «Аб прымяненні электрамагнетызму для прывядзення ў рух машыны». Б.С. Якобі пісаў, што яго рухавік нескладаны і «дае непасрэдна кругавы рух, якое значна лягчэй пераўтварыць у іншыя віды руху, чым зваротна-паступальны».

Вярчальны рух якара ў рухавіку Якобі адбывалася з прычыны папераменнага прыцягнення і адштурхвання электрамагнітаў. Нерухомая група U-падобных электрамагнітаў кармілася токам непасрэдна ад гальванічнай батарэі, прычым кірунак току ў электрамагнітах заставалася нязменным. Рухомая група электрамагнітаў была падключана да батарэі праз камутатар, з дапамогай якога кірунак току ў кожным электрамагніце змянялася раз за адзін абарот дыска. Палярнасць электрамагнітаў пры гэтым адпаведна змянялася, а кожны з рухомых электрамагнітаў папераменна прыцягваўся і адштурхоўваўся адпаведным нерухомым электрамагнітам: вал рухавіка пачынаў круціцца. Магутнасць такога рухавіка складала ўсяго 15 Вт. Пасля Якобі давёў магутнасць электрарухавіка да 550 Вт. Гэты рухавік быў усталяваны спачатку на лодцы, а пазней на чыгуначнай платформе.

У 1839 г. Якобі пабудаваў лодку з электрамагнітным рухавіком, які ад 69 элементаў Грове развіваў 1 конскую сілу і рухаў лодку з 14 пасажырамі па Няве супраць плыні. Гэта было першае прымяненне электрамагнетызму да перасоўвання ў вялікіх памерах.

Электрарухавік у бактэрый

Электрарухавік з некалькіх бялковых малекул пераўтварае энергію электрычнага току ў выглядзе руху пратонаў у вярчэнне жгуціка, які выкарыстоўваецца для перамяшчэння некаторымі відамі бактэрый.^[7]

Зноскі

1. Белов и др. 2007, с. 27.
2. Белов и др. 2007, с. 28.
3. Сидоров Н.И., Сидорова Н.Н. Как устроен и работает электровоз — М.: Транспорт, 1988. — ISBN 5-277-00191-3. — Тираж 70000 экз. — С. 47.
4. Электродвигатели - типы, параметры, принцип работы (нявызн.). engineering-solutions.ru. Праверана 7 верасня 2016.
5. Хитерер М. Я., Овчинников И. Е. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения, СПб., Корона, 2008, ISBN 978-5-7931-0493-7
6. Войнаровский П. Д.,. Электродвигатели // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.) (руск.). — СПб., 1890—1907.
7. Ржешевский Алексей Нанороботы внутри нас // Популярная механика. — 2016. — № 1. — С. 22—26. — URL: http://www.popmech.ru/magazine/2016/159-issue/ Архівавана 28 жніўня 2017.

Літаратура

• Белов М. П., Новиков В. А., Рассудов Л. Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. — 3-е изд., испр. — М.: Издательский центр «Академия», 2007. — 575 с. — (Высшие профессиональное образование). — 1 000 экз. — ISBN 978-5-7695-4497-2.
• Войнаровский П. Д.,. Электродвигатели // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.) (руск.). — СПб., 1890—1907.

Спасылкі

• Электрарухавікі: якія яны бываюць Архівавана 4 ліпеня 2017.
• Вектарнае кіраванне для асінхроннага электрарухавіка «на пальцах» Архівавана 22 верасня 2017.