Динамо-машины

Если же используется коллектор (как в электродвигателе постоянного тока), он постоянно будет изменять соединения между катушкой и щетками, что препятствует изменениям напряжения в катушке. В результате вместо переменного тока по щеткам будет течь пульсирующий постоянный ток. Генераторы, которые вырабатывают постоянный ток таким образом, называются динамо-машинами.
В большинстве динамо-машин для создания необходимого магнитного поля используется не постоянный, а электромагнит. Однако сердечника электромагнита немного намагничено, и силы его поля достаточно, чтобы машина начала вырабатывать электричество при включении. Поэтому часть произведенного тока проходит через обмотку электромагнита для усиления его магнитного поля и увеличение объема электроэнергии.
Некоторые генераторы переменного тока (например, автомобильные) вырабатывающие постоянный ток благодаря встроенным выпрямителям - устройствам, которые допускают текучесть тока только в одном направлении.
В большинстве генераторов переменного тока - от аккумуляторов автомобилей, которые служат для подзарядки, до гигантских машин, вырабатывающих электричество для питающей сети, - катушки есть и на роторе, и на статоре, к тому же именно ротор создает магнитное поле. Относительно слабый ток проходит через обмотки возбуждения на роторе по щеткам и контактным кольцам, а более сильный ток, который вырабатывается, поступает непосредственно со статора. Это позволяет избежать потерь мощности и искрения, которые возможны во время отъема сильного вырабатываемого тока с ротора с помощью колец и щеток.

Генераторы

Если ротор простого электродвигателя постоянного тока вращать вручную, двигатель будет работать как генератор. В катушке возникает переменное напряжение, которое достигает пиковых величин, когда ее полюса проходят полюса постоянного магнита. Затем напряжение падает до нуля и меняет свое направление, достигая максимума, когда полюса катушки проходят противоположные полюса постоянного магнита. Можно подключиться к катушки, соединив концы двух сплошных медных колец ( контактных колец), содержащиеся на оси ротора. Угольные щетки трутся об эти кольца и снимают переменное напряжение, вследствие чего при подключении к электрической цепи возникает переменный ток. Такой генератор относится к генераторам переменного тока, то есть электрических машин, которые вырабатывают переменный ток.

Синхронные двигатели

В индукционных (асинхронных) двигателях ротор вращается медленнее, чем магнитное поле, которое движется вокруг него. В синхронных двигателях ротор поворачивается одновременно с полем. В простых синхронных двигателях ротор состоит из одного или нескольких постоянных магнитов, их полюса притягиваются к разным полюсам вращающегося магнитного поля, поэтому они вращаются с одинаковой скоростью. Иногда вместо постоянных магнитов в роторах используются электромагниты, но принцип работы остается неизменным. В другом типе синхронных двигателей используются прыжки переменного тока для создания магнитного поля, которое шаг за шагом вращает ротор с зубчатым колесом.
Большинство электродвигателей создают вращательное движение. Но в некоторых из них обмотки статора открыты и размещены на одной линии, благодаря чему создается магнитное поле, которое движется линейно вместе с проводным материалом. Такие двигатели называются линейными асинхронными. Они используются для открывания раздвижных дверей, транспортировки багажа в аэропортах, в скоростных поездах.

Двигатели переменного тока

Переменный ток периодически меняет направление, обычно 50-60 раз в секунду. Некоторые двигатели переменного тока имеют ротор, на который ток подается через коллектор, как в двигателях постоянного тока. Но у многих двигателей этого типа вообще нет соединений с ротором. Их действие основано на принципе индукции. Переменный ток, проходящий через статор, создающий вращающееся магнитное поле, как было бы в случае вращения постоянного магнита. Это подвижное поле направляет ток в направлении обмоток ротора, намагничивая его. Вследствие этого ротор вращается, поскольку его полюса заставляет двигаться по кругу магнитное поле, вращается вокруг ротора.
Часто ротор состоит из медных или алюминиевых стержней, концы которых соединяют два металлических кольца. Собранный ротор похож на клетку, и такие машины называют двигателями с «беличьей клеткой», или короткозамкнутыми двигателями.

Автоматическая коммутация

Благодаря автоматической коммутации магнитные полюса катушки меняются на противоположные при достижении полюсов постоянного магнита. Теперь они уже не разноименные, а одноименные полюса относительно ближайших полюсов магнита. Поскольку одноименные полюса взаимно отталкиваются, катушка продолжает вращаться, а ее полюса притягиваются к соответствующим полюсам на другой стороне магнита. Данный цикл повторяется направление тока меняется каждый раз, когда полюса катушки располагаются напротив разноименных полюсов постоянного магнита, и катушка будет вращаться, пока не будет отключен источник питания.
Вращающаяся часть электрической машины называется ротором (или якорем), а неподвижная - статором. В простом электродвигателе постоянного тока блок катушки служит ротором, а постоянный магнит статором.
В некоторых двигателях для создания магнитного поля вместо постоянного магнита используют электромагнит. Витки проволоки такого электромагнита называются обмоткой возбуждения.

 

 

Двигатели постоянного тока

Электрический ток от батареи или другого источника, который движется только в одном направлении, называется постоянным током. Если батарея подключена к катушке простого электродвигателя, катушка намагничивается, при этом на противоположных ее концах возникает два полюса - отрицательный и положительный. Поскольку противоположные полюса совместно притягиваются, северный и южный полюса катушки направляются, соответственно, к южному и северному полюсам постоянного магнита. Эти силы притяжения заставляют катушку вращаться вокруг своей оси, и вскоре ее полюса размещаются у противоположных полюсов постоянного магнита.
Однако в этот момент автоматический переключающий устройство (коллектор) направляет ток в противоположную сторону. Коллектор простого электродвигателя постоянного тока состоит из медного кольца, которое разрезанное пополам и крепится (с прокладкой из диэлектрика) на оси ротора. Концы катушки подключаются к двух половинок кольца. Ток проходит через катушку и попадает на пару угольных контактов щеток, которые касаются противоположных сторон коллектора. Во время вращения ротора каждая щетка поочередно взаимодействует с обеими сторонами катушки.

Электроснабжение

Фарадей первым использовал электромагнитный эффект для выработки электричества. К концу 1870-х гг. появились мощные генераторы, а в 1881 г. начала работать первая электростанция в Годалмингу (Англия). Именно она стала первой в мире гидроэлектростанцией, ведь генератор приводил в движение водяную мельницу.
В электрических двигателях и генераторах много общего, и некоторые машины могут выполнять функции обоих. В простом электродвигателе проволочная катушка крепится на валу, что позволяет ей свободно вращаться между полюсами подковообразного постоянного магнита. Катушка играет роль электромагнита, намагнитчивая во время прохождения через нее электрического тока. Железный сердечник, находящийся внутри катушки, усиливает создаваемый магнитный эффект.

 

 

Электромагнитная индукция

Открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции, названное им «электрическим вращением», положенное в основу принципа действия современных электродвигателей. Первый электродвигатель, который нашел практическое применение, изобрел в 1837 г. американский инженер Томас Давенпорт. Он использовал два таких двигателя: для работы сверлильного и деревообрабатывающего станков.
Изучив электричество как движущую силу, Фарадей начал искать пути преобразования механической энергии в электрическую. В 1831 г. он продемонстрировал, что перемещение стержневого магнита возле проволочной катушки вызвало прохождение тока через подключенный к нему измерительный прибор. При этом сила тока была гораздо выше, чем в случае с одинарным проводом.

Эрстед и Ампер

В 1819 г. датский профессор Хан Эрстед сделал открытие: поток электрического тока, идущего через провод, заставляет стрелку магнитного компаса отклоняться. Так Эрстед открыл явление электромагнетизма - магнетизма, создаваемого электричеством. В 1821 г. французский ученый Андре Ампер продемонстрировал связанное с этим механическое взаимодействие токов (во время пропускания электрического тока через провод, который находился рядом с мощным магнитом, наблюдалось перемещение провода) и установил закон этого взаимодействия. Данный принцип лежит в основе электрического двигателя: преобразование электрической энергии в механическую.
Опыты Ампера были чрезвычайно интересными, однако не имели практического применения. Провод просто немного портился во время появления тока. Но именно в том году английский ученый Майкл Фарадей создал машину, которая с помощью электричества обеспечивала длительное движение. Нижний конец подвешенного провода помещали в сосуд с ртутью, в центре которой находился стержневой магнит. При подключении батареи между верхним концом провода и ртутью провод начинал вращаться вокруг магнита.

Мощные электромашины

В 1931 г. американский ученый Г. Ван-де-Грааф изобрел электростатический генератор широкого практического применения. Движущаяся лента из диэлектрика передает на металлическую пулю заряд, который постепенно увеличивается до нескольких миллионов вольт. Генератор Ван-де-Граафа используется во время испытаний изоляторов и другого оборудования, рассчитанного на высокие напряжения, а также в ядерных исследованиях, при этом высокое напряжение служит для разгона заряженных субатомных частиц.
Хотя фрикционные и асинхронные машины могли создавать высокое напряжение, они были непригодны для выработки сильного постоянного тока. Эта проблема была решена в конце 1790-х г., когда итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел первую батарею. Дальнейшее усовершенствование дало возможность использовать электричество для освещения (конец XIX ст.). Хотя батареи удобное и многоцелевое источник электроэнергии, они постепенно разряжаются и требуют замены или подзарядки. Они не могут обеспечить крупные населенные пункты электричеством, необходимой для освещения, отопления и удовлетворения других потребностей. Эксперименты, проведенные в начале XIX в., привели к созданию современных генераторов.

Электрические машины

Электрические генераторы и двигатели получили широкое применение благодаря тому, что электричество очень удобный вид энергии. Производство электроэнергии - достаточно легким процессом, а электродвигатели могут выполнять разное назначение - от бурения скважин до обеспечения движения поездов.
Материя состоит из атомов, а те, в свою очередь, - из электрически заряженных частиц - протонов и электронов. Еще древние греки знали: если потереть янтарь кусочком ткани, он будет притягивать легкие предметы, но не понимали причины того, что происходит. На самом деле вследствие трения возникало электричество.
Обычно в любом веществе находится одинаковое количество отрицательно и положительно заряженных частиц. Поэтому их электрические заряды уравновешены, а вещество нейтрально. Однако в результате трения некоторые электроны перемещаются с одного материала на другой. Как следствие, нарушается равновесие зарядов: материал, притащил электроны, становится отрицательно заряженным, а тот, что отдал их, положительно заряженным.