Устройство и принцип действия
Принцип действия электродвигателя
Электродвигателем называется устройство, принцип действия которого преобразование электрической энергии в механическую. Такое преобразование используется для запуска в работу всевозможных видов техники, начиная от самого простого рабочего оборудования и заканчивая автомобилями. Однако при всей полезности и продуктивности такого преобразования энергий, в данном свойстве есть небольшой побочный эффект, который проявляется в повышенном выделении тепла. Именно поэтому электрические двигатели оснащаются дополнительным оборудованием, которое способно охладить его и позволить работать в бесперебойном режиме.
Принцип работы электродвигателя - основные функциональные элементы
Любой электрический двигатель состоит из двух основных элементов, один из которых является неподвижным, такой элемент называется статором. Второй элемент является подвижным, эта часть двигателя называется ротором. Ротор электрического двигателя может быть выполнен в двух вариантах, а именно может быть короткозамкнутым и с обмоткой.
Хотя последний тип на сегодняшний день является достаточно большой редкостью, поскольку сейчас повсеместно используются такие устройства, как частотные преобразователи.
Принцип действия электродвигателя основана на выполнении следующих этапов работы. Во время включения в сеть, в статоре начинает осуществлять вращение возникшее поле магнитного типа. Оно действует на обмотку статора, в которой при этом возникает ток индукционного типа. Согласно закону Ампера, ток начинает действовать на ротор, который под этим действием начинает свое вращение. Непосредственно частота вращения ротора напрямую зависит от того, какой силы действия возникает ток, а так же от того, какое количество полюсов при этом возникает.
Принцип работы электродвигателя - разновидности и типы
На сегодняшний день наиболее распространенными считаются двигатели, которые имеют магнитоэлектрический тип. Есть еще тип электродвигателей, которые называют гистерезисные, однако они не являются распространенными. Первый тип электродвигателей, магнитоэлектрического вида, могут подразделяться еще на два подтипа, а именно электродвигатели постоянного тока и двигатели переменного тока.
Первый вид двигателей осуществляет свою работу от постоянного тока, эти типы электродвигателей используются тогда, когда возникает необходимость регулировки скоростей. Данные регулировки осуществляются посредством изменений напряжения в якоре. Однако сейчас существует большой выбор всевозможных преобразователей частот, поэтому такие двигатели стали применяться все реже и реже.
Двигатели переменного тока соответственно работают посредством действия тока переменного типа. Здесь так же имеется своя классификация, и двигатели делятся на синхронные и асинхронные. Их основным различием становится разница во вращении необходимых элементов, в синхронном движущая гармоника магнитов движется с той же скоростью, что и ротор. В асинхронных двигателях наоборот, ток возникает за счет разницы в скоростях движения магнитных элементов и ротора.
Благодаря своим уникальным характеристикам и принципам действия электродвигатели на сегодняшний день распространенны гораздо больше, чем скажем двигатели внутреннего сгорания, поскольку они обладают рядом преимуществ перед ними. Так коэффициент полезного действия электродвигателей является очень высоким, и может достигать почти 98%. Так же электродвигатели отличаются высоким качеством и очень долгим рабочим ресурсом, они не издают много шума, и во время работы практически не вибрируют. Большим преимуществом такого типа двигателей является то, что они не нуждаются в топливе, и как результат не выделяют в атмосферу никаких загрязняющих веществ. К тому их использование является намного более экономичным, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.
Электродвигатель постоянного тока: принцип работы и действия, устройство, характеристики
Содержание
- Краткая история создания
- Принцип действия электродвигателя постоянного тока
- Устройство электродвигателя постоянного тока
- Особенности и характеристики электродвигателя постоянного тока
Сейчас невозможно представить нашу жизнь без электродвигателей. Они приводят в действие станки, бытовую технику и инструменты, поезда, трамваи и троллейбусы, компьютеры, игрушки и разные подвижные механизмы, устанавливаются на производственных станках, если частоту вращения рабочего вала требуется регулировать в широком диапазоне. Агрегаты для преобразования электрической энергии в механическую представлены множеством видов и моделей (синхронные, асинхронные, коллекторные и т.д.). Из этой статьи вы узнаете, что такое электродвигатель постоянного тока, его устройство и принцип действия.
Краткая история создания
Разные ученые пытались создать экономичный и мощный двигатель еще с первой половины 19 века. Основой послужило открытие М.Фарадея, сделанное в 1821 г. Он обнаружил, что помещенный в магнитное поле проводник вращается. Отталкиваясь от этого, в 1833 г изобретатель Томас Дэвенпорт смог сконструировать двигатель постоянного тока, а позже, в 1834 г, ученый Б.С.Якоби придумал прообраз современной модели двигателя с вращающимся валом. Устройство, более похожее на современные агрегаты, появилось в 1886 г, и до сегодняшнего дня электродвигатель продолжает совершенствоваться.
Принцип действия электродвигателя постоянного тока
На мысль о создании двигателя ученых натолкнуто следующее открытие. Помещенная в магнитное поле проволочная рамка с пропущенным по ней током начинает вращаться, создавая механическую энергию. Принцип действия электродвигателя постоянного тока основывается на взаимодействии магнитных полей рамки и самого магнита. Но одна рамка после определенного количества вращений замирает в положении, параллельном внешнему магнитному полю. Для продолжения движения необходимо добавить вторую рамку и в определенный момент переключить направление тока.
Вместо рамок в двигателе используется набор проводников, на которые подается ток, и якорь. При запуске вокруг него возбуждается магнитное поле, взаимодействующее с полем обмотки. Это заставляет якорь повернуться на определенный угол. Подача тока на следующие проводники приводит к следующему повороту якоря, и далее процесс продолжается.
Магнитное поле создается либо с помощью постоянного магнита (в маломощных агрегатах), либо с помощью индуктора/обмотки возбуждения (в более мощных устройствах).
Попеременную зарядку проводников якоря обеспечивают щетки, сделанные из графита или сплава графита и меди. Они служат контактами, замыкающими электрическую сеть на выводы пар проводников. Изолированные друг от друга выводы представляют собой кольцо из нескольких ламелей, которое находится на оси вала якоря и называется коллекторным узлом. Благодаря поочередному замыканию ламелей щетками двигатель вращается равномерно. Степень равномерности работы двигателя зависит от количества проводников (чем больше, тем равномернее).
Устройство электродвигателя постоянного тока
Теперь, когда вы знаете, как работает электродвигатель постоянного тока, пора ознакомиться с его конструкцией.
Как и у других моделей, основу двигателя составляют статор (индуктор) – неподвижная часть, и якорь вкупе с щеточноколлекторным узлом – подвижная часть. Обе части разделены воздушным зазором.
В состав статора входят станина, являющаяся элементом магнитной цепи, а также главные и добавочные полюса. Обмотки возбуждения, необходимые для создания магнитного поля, находятся на главных полюсах. Специальная обмотка, улучшающая условия коммутации, расположена на добавочных полюсах.
Якорь представляет собой узел, состоящий из магнитной системы (она собрана из нескольких листов), набора обмоток (проводников), уложенных в пазы, и коллектора, который подводит постоянный ток к рабочей обмотке.
Коллектор имеет вид цилиндра, собранного из изолированных медных пластин. Он насажен на вал двигателя и имеет выступы, к которым подходят концы секций обмотки якоря. Щетки снимают ток с коллектора, входя с ним в скользящий контакт. Удержание щеток в нужном положении и обеспечение их нажатия на коллектор с определенной силой осуществляется щеткодержателями.
Многие модели двигателей оснащены вентилятором, задача которого – охлаждение агрегата и увеличение продолжительности рабочего периода.
Особенности и характеристики электродвигателя постоянного тока
Эксплуатационные характеристики электродвигателя постоянного тока позволяют широко использовать это устройство в самых разных сферах – от бытовых приборов до транспорта. К его преимуществам можно отнести:
- Экологичность. При работе не выделяются вредные вещества и отходы.
- Надежность. Благодаря довольно простой конструкции он редко ломается и служит долго.
- Универсальность. Он может использоваться в качестве как двигателя, так и генератора.
- Простота управления.
- Возможность регулирования частоты и скорости вращения вала – достаточно подключить агрегат в цепь переменного сопротивления.
- Легкость запуска.
- Небольшие размеры.
- Возможность менять направление вращения вала. В двигателе с последовательным возбуждением нужно изменить направление тока в обмотке возбуждения, во всех остальных типах – в якоре.
Как и любое устройство, электродвигатели постоянного тока имеют и «слабые стороны»:
- Их себестоимость, следовательно, и цена достаточно высока.
- Для подключения к сети необходим выпрямитель тока.
- Самая уязвимая и быстроизнашивающаяся деталь – щетки – требует периодической замены.
- При сильной перегрузке может случиться возгорание. Если соблюдать правила эксплуатации, такая возможность исключена.
Но, как видите, достоинства явно перевешивают, поэтому на данный момент электродвигатель является одним из наиболее экономичных и эффективных устройств. Зная устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока, вы сможете самостоятельно собрать и разобрать его для техосмотра, чистки или устранения неисправностей.
Устройства: Принцип
При работе с , устройство является отправной точкой. Вам нужно устройство для выполнения конкретной задачи (т.е. конкретное устройство), с которого вы хотите разместить .
Проектирование с помощью устройств начинается с управления устройствами. Управление устройствами интегрировано в управление деталями; он содержит как коммерческие, так и технические данные. A может быть присвоен номер детали, номер типа и номер заказа. Эти номера предлагают различные способы доступа к детали. Если вы используете (например) номера типов чаще, чем номера деталей, вы можете просто выбрать устройство, используя номер типа.
На этапе строительства вы используете существующие функции этого устройства. Это помогает избежать ошибок и, в свою очередь, делает возможным проверку правдоподобия.
При выборе устройств выбираются типы, соответствующие функции. Это может произойти после процесса проектирования на схеме или в качестве предварительного выбора, после которого проектирование появляется на схеме на втором этапе.
Модули
Модуль представляет собой набор частей, принадлежащих ряду обычно вложенных устройств. В управлении деталями для каждой детали в модуле указывается, к какому устройству принадлежит деталь для этого модуля. Модуль имеет собственный номер детали. Он может содержать части и далее.
Шаблоны функций
Шаблоны функций вводятся в детали. Они не имеют графического представления на принципиальной схеме и служат для обозначения устройств.
Шаблоны функций могут быть заменены "неразмещенными" или "размещенными" функциями, если идентификация функций совпадает с идентификацией функций. Таким образом, шаблон функции присваивается функции. Никакие дополнительные данные не могут быть добавлены в шаблоны функций. Это возможно только в самой функции. Таким образом, шаблоны функций не являются частью проекта, а принадлежат ему.
Определение устройства
В EPLAN для устройства можно создать «пул функций». Вы создаете отслеживаемый пул функций, используя выбор деталей или устройств. Вы можете выбирать и размещать функции из этого пула при проектировании. Функцию можно проверить на наличие ошибок только в том случае, если она назначена определению устройства.
Устройства предопределены в управлении деталями; там вы можете определить определение устройства для каждой части. Идентифицирующие свойства (т. е. электротехнические функции и технические данные) для каждой функции устройства определяются шаблонами функций. Кроме того, вы можете присвоить символ или макрос детали, которая размещается при вставке детали.
Определение устройства состоит из набора x шаблонов функций. В дополнение к определению функции в каждом из этих шаблонов функций (например, ).
Определение устройства хранится в основной функции детали. Это (например) для контактора, катушки или для в тексте определения штекера и т. д. Если основная функция (или часть) удаляется, то определение устройства также удаляется. Если основная функция копируется, то копируется и определение устройства и т. д.
См. также
Устройства
Список устройств
Управление запасными частями: модули
Основной принцип и работа полупроводникового прибора - диода
<<
Структура связи полупроводников, собственных и внешних полупроводников;
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД
Теперь, когда доступны материалы как n-, так и p-типа, мы можем сконструировать наше первое твердотельное электронное устройство: тип и материал р-типа вместе, не более того, просто соединение одного материала с основным носителем электронов к другому материалу с основным носителем дырок.
Базовая простота его конструкции просто усиливает важность развития этой твердотельной эры.
No Applied Bias (V = 0 V)
В тот момент, когда два материала «соединяются», электроны и дырки в области соединения объединятся, что приведет к недостатку свободных носителей в области вблизи соединения , как показано на рис. 1.12а. Обратите внимание на рис. 1.12а, что в этой области отображаются только положительные и отрицательные ионы, оставшиеся после поглощения свободных носителей.
«Эта область непокрытых положительных и отрицательных ионов называется областью истощения из-за «истощения» свободных носителей в этой области».
Если выводы подсоединить к концам каждого материала, получится двухполюсное устройство, как показано на рис. 1.12а и 1.12б. Затем становятся доступными три варианта: отсутствие смещения, прямое смещение и обратное смещение. Термин «смещение» относится к приложению внешнего напряжения к двум клеммам устройства для извлечения отклика. Состояние, показанное на рис. 1.12а и 1.12б это ситуация без смещения, потому что внешнее напряжение не приложено. Это просто диод с двумя изолированными проводами на лабораторном столе. На рис. 1.12б обозначен полупроводниковый диод, чтобы показать его соответствие p-n-переходу. На каждом рисунке видно, что приложенное напряжение равно 0 В (без смещения), а результирующий ток равен 0 А, как у изолированного резистора. Отсутствие напряжения на резисторе приводит к тому, что ток через него равен нулю. Даже на этом раннем этапе обсуждения важно отметить полярность напряжения на диоде на рис. 1.12б и направление тока. Эти полярности будут распознаны как определенные полярности для полупроводникового диода. Если напряжение, приложенное к диоду, имеет ту же полярность на диоде, что и на рис. 1.12b, оно будет считаться положительным напряжением. Если наоборот, то это отрицательное напряжение. Те же самые стандарты могут быть применены к определенному направлению тока на рис. 1.12b. В условиях отсутствия смещения любые неосновные носители (дырки) в материале n-типа, оказавшиеся по какой-либо причине в области обеднения, быстро перейдут в материал p-типа.
Чем ближе неосновной носитель к переходу, тем больше притяжение слоя отрицательных ионов и тем меньше противодействие положительных ионов в обедненной области материала n-типа. Таким образом, для будущих дискуссий мы сделаем вывод, что любые неосновные носители материала n-типа, оказавшиеся в обедненной области, перейдут непосредственно в материал p-типа. Этот поток носителей показан в верхней части рис. 1.12c для неосновных носителей каждого материала.
Основные носители (электроны) материала n-типа должны преодолеть силы притяжения слоя положительных ионов в материале n-типа и экран отрицательных ионов в материале p-типа, чтобы мигрировать в область за областью обеднения материала р-типа. Однако количество основных носителей настолько велико в материале n-типа, что неизменно будет небольшое количество основных носителей с достаточной кинетической энергией, чтобы пройти через обедненную область в материал p-типа. Опять же, тот же тип обсуждения может быть применен к основным носителям (дыркам) материала р-типа. Результирующий поток из-за большинства носителей показан в нижней части рис. 1.12c.
Тщательное изучение рис. 1.12c покажет, что относительные величины векторов потока таковы, что чистый поток в любом направлении равен нулю. Эта компенсация векторов для каждого типа потока носителя показана перечеркнутыми линиями. Длина вектора, представляющего поток дырок, нарисована больше, чем длина потока электронов, чтобы продемонстрировать, что две величины не обязательно должны быть одинаковыми для компенсации и что уровни легирования для каждого материала могут привести к неодинаковому потоку носителей дырок и электронов. Таким образом, в итоге:
«В отсутствие приложенного смещения к полупроводниковому диоду суммарный поток заряда в одном направлении равен нулю».
Другими словами, ток в условиях отсутствия смещения равен нулю, как показано на рис. 1.12а и 1.12б.
Условия обратного смещения (V
D < 0 В) Если к p-n переходу приложен внешний потенциал V вольт, так что положительный вывод соединен с материалом n-типа, а отрицательный вывод соединенных с материалом p-типа, как показано на рис. 1.13, количество непокрытых положительных ионов в обедненной области материала n-типа будет увеличиваться из-за большого количества свободных электронов, притянутых к положительному потенциалу приложенного напряжения. По аналогичным причинам количество непокрытых отрицательных ионов будет увеличиваться в материале р-типа. Таким образом, чистый эффект заключается в расширении области истощения. Это расширение области истощения создаст слишком большой барьер для преодоления основными носителями, эффективно уменьшая поток основных носителей до нуля, как показано на рис. 1.13а.
Однако количество неосновных носителей, попадающих в область обеднения, не изменится, что приводит к векторам потока неосновных носителей той же величины, что и на рис. 1.12c, без приложенного напряжения.
«Ток, существующий в условиях обратного смещения, называется обратным током насыщения и обозначается I s ».
Обратный ток насыщения редко превышает несколько микроампер и обычно составляет нА, за исключением мощных устройств. Термин насыщение происходит от того факта, что оно быстро достигает своего максимального уровня и не изменяется значительно с увеличением потенциала обратного смещения, как показано на характеристиках диода на рис. 1.15 для V D 0 В. Условия обратного смещения изображены на рис. 1.13б для обозначения диода и p – n перехода. Обратите внимание, в частности, что направление I s направлено против стрелки символа. Также обратите внимание, что отрицательная сторона приложенного напряжения связана с материалом p-типа, а положительная сторона — с материалом n-типа, причем разница в подчеркнутых буквах для каждой области указывает на условие обратного смещения.
Условие прямого смещения ( V
D > 0 В) Условие прямого смещения или «включено» устанавливается путем приложения положительного потенциала к материалу р-типа и отрицательного потенциала к материалу n-типа, как показано на рис. 1.14. Применение потенциала прямого смещения V D «заставит» электроны в материале n-типа и дырки в материале p-типа рекомбинировать с ионами вблизи границы и уменьшить ширину обедненной области, как показано на рис. 1.14. а .
Результирующий поток неосновных носителей электронов из материала p-типа в материал n-типа (и дырок из материала n-типа SEMICONDUCTOR DIODE 13 в материал p-типа) не изменился по величине ( поскольку уровень проводимости в основном контролируется ограниченным количеством примесей в материале), но уменьшение ширины обедненной области привело к тому, что большая часть потока проходит через соединение. Электрон материала n-типа теперь «видит» уменьшенный барьер на стыке из-за уменьшенной обедненной области и сильного притяжения положительного потенциала, приложенного к материалу p-типа. По мере увеличения величины приложенного смещения ширина обедненной области будет продолжать уменьшаться до тех пор, пока поток электронов не сможет пройти через переход, что приведет к экспоненциальному росту тока, как показано в области прямого смещения характеристик на рис. 1.15. . Обратите внимание, что вертикальная шкала на рис. 1.15 измеряется в миллиамперах (хотя у некоторых полупроводниковых диодов вертикальная шкала измеряется в амперах), а горизонтальная шкала в области прямого смещения имеет максимум 1 В. Поэтому обычно напряжение через диод с прямым смещением будет меньше 1 В. Обратите также внимание на то, как быстро ток поднимается выше колена кривой. С помощью физики твердого тела можно продемонстрировать, что общие характеристики полупроводникового диода могут быть определены следующим уравнением, называемым уравнением Шокли, для областей прямого и обратного смещения:
Область пробоя
Несмотря на то, что шкала на рис. 1.15 представлена в десятках вольт в отрицательной области, существует точка, в которой приложение слишком отрицательного напряжения с обратной полярностью приведет к резкому изменению характеристики, как показано на рис. 1.17. Ток увеличивается очень быстро в направлении, противоположном направлению области положительного напряжения. Потенциал обратного смещения, приводящий к резкому изменению характеристик, называется потенциалом пробоя и обозначается как V БВ .
По мере увеличения напряжения на диоде в области обратного смещения скорость неосновных носителей, ответственных за обратный ток насыщения I s, также будет увеличиваться. В конце концов, их скорости и связанной с ней кинетической энергии (W K = 1/2 mv 2 ) будет достаточно, чтобы высвободить дополнительные носители в результате столкновений со стабильными атомными структурами. То есть в результате процесса ионизации валентные электроны поглощают достаточно энергии, чтобы покинуть родительский атом. Эти дополнительные носители затем могут способствовать процессу ионизации до такой степени, что устанавливается высокий лавинный ток и определяется область лавинного пробоя.
Область лавины ( V BV ) можно приблизить к вертикальной оси за счет увеличения уровня легирования в материалах p- и n-типа. Однако, когда V BV снижается до очень низких уровней, таких как 5 В, другой механизм, называемый пробой Зинера, будет способствовать резкому изменению характеристики. Это происходит потому, что в области соединения существует сильное электрическое поле, которое может нарушать силы связи внутри атома и «генерировать» носители. Хотя механизм пробоя Зинера вносит значительный вклад только на более низких уровнях V BV , это резкое изменение характеристики на любом уровне называется областью Зенера, а диоды, использующие эту уникальную часть характеристики p-n-перехода, называются диодами Зенера.
Описанной области пробоя полупроводникового диода следует избегать, если реакция системы не должна полностью измениться при резком изменении характеристик в этой области обратного напряжения.
«Максимальный потенциал обратного смещения, который может быть приложен до входа в область пробоя, называется пиковым обратным напряжением (обозначаемым просто как P IV ) или пиковое обратное напряжение (обозначается рейтингом P RV )».
Если в приложении требуется номинал P IV выше, чем у одного блока, можно последовательно подключить несколько диодов с одинаковыми характеристиками. Диоды также включены параллельно для увеличения пропускной способности по току. В целом, напряжение пробоя GaAs-диодов примерно на 10% выше, чем у кремниевых диодов, но на 200% выше, чем у Ge-диодов.
Температурные эффекты
Температура может оказывать заметное влияние на характеристики полупроводникового диода, о чем свидетельствуют характеристики кремниевого диода, показанные на рис. 1.19: В области прямого смещения характеристики кремниевого диода сдвигаются в сторону слева со скоростью 2,5 мВ на градус Цельсия повышения температуры.
Повышение температуры от комнатной (20°C) до 100°C (точка кипения воды) приводит к падению напряжения 80(2,5 мВ) на 200 мВ, или 0,2 В, что существенно для график масштабирован в десятых долях вольта. Снижение температуры имеет обратный эффект, что также показано на рисунке:
“ В области обратного смещения обратный ток кремниевого диода удваивается при повышении температуры на каждые 10°C. “
При изменении от 20°С до 100°С уровень I s увеличивается с 10 нА до значения 2,56 мА, что является значительным, 256-кратным увеличением. Дальнейшее повышение температуры до 200°C привело бы к чудовищному обратному току насыщения в 2,62 мА. Поэтому для высокотемпературных применений следует искать кремниевые диоды с Is при комнатной температуре, близким к 10 пА, обычно доступному сегодня уровню, который ограничивал бы ток до 2,62 мкА. Действительно удачно, что и Si, и GaAs имеют относительно небольшие обратные токи насыщения при комнатной температуре. Доступны устройства GaAs, которые очень хорошо работают в температурном диапазоне от 200°C до 200°C, а некоторые из них имеют максимальную температуру, приближающуюся к 400°C. Представьте на мгновение, насколько огромным был бы обратный ток насыщения, если бы мы начали с Ge-диода с током насыщения 1 мА и применили тот же коэффициент удвоения.
Наконец, на рис. 1.19 важно отметить, что:
«Обратное напряжение пробоя полупроводникового диода будет увеличиваться или уменьшаться с температурой».
Однако, если начальное напряжение пробоя меньше 5 В, напряжение пробоя может фактически уменьшиться с температурой0002 Ответ: Структура связи полупроводники, собственные и внешние полупроводники; Основными компонентами атома являются электрон, протон и нейтрон.
