Персональный сайт - Как работает двигатель на электричестве

Как работает двигатель на электричестве

В основе конструкции электрического двигателя лежит эффект, обнаруженный Майклом Фарадеем в 1821 году: что взаимодействие электрического тока и магнита может вызывать непрерывное вращение. Один из первых двигателей, нашедших практическое применение, был двигатель Бориса Семеновича Якоби (1801 –1874), , приводивший в движение катер с 12 пассажирами на борту. Однако для широкого использования электродвигателя необходим был источник дешевой электроэнергии — электромагнитный генератор.

Действующую модель электродвигателя, состоящей из вращающейся и неподвижной частей, физик Борис Семёнович Якоби изобрел еще в 1834 году, когда жил в Германии. Об этом изобретении стало известно и в России.

Опытный образец был устроен достаточно просто. Двигатель состоял из коммутатора и двух дисков, на которых были закреплены 16 стержней из мягкого железа (по 8 штук на каждом диске). Пока один из дисков делал оборот, коммутатор 8 раз менял полярность дисков. Инерция поддерживала вращение рабочего диска и вмонтированного в него вала основного двигателя. Самым ценным в этом изобретении было открытие способа беспрерывного вращательного движения.

Питание магнитов в электродвигателе осуществлялось при помощи гальванической батареи. За секунду двигатель поднимал груз массой в 4-6 кг на высоту около 30 см. Это соответствовало мощности около 15 Вт. Двигатель совершал 80-20 об./мин, что для модели было неплохо, но не годилось для практического применения.

13 сентября 1838 года на Неве состоялись первые испытания магнитоэлектрического двигателя, установленного на лодке с 12 пассажирами на борту. Можно считать, что испытания прошли успешно. Лодка двигалась как по течению, так и против него. Скорость ее достигала 2 км/ч, движение продолжалось в течение 7 ч, и пройденное расстояние оказалось равным 7 км. По меркам того времени, это были сенсационные результаты.

Как же работает двигатель на электричестве, принцип работы электродвигателя очень прост: вращение вызывается силами магнитного притяжения и отталкивания, действующими между полюсами подвижного электромагнита (ротора) и соответствующими полюсами внешнего магнитного поля, создаваемого неподвижным электромагнитом (или постоянным магнитом) — статором. Сложность заключается в том, чтобы добиться непрерывного вращения двигателя. А для этого надо сделать так, чтобы полюс подвижного электромагнита, притянувшись к противоположному полюсу статора, автоматически менялся на противоположный — тогда ротор не замрет на месте, а повернется дальше — по инерции и под действием возникшего в этот момент отталкивания.

Для автоматического переключения полюсов ротора служит коллектор. Он представляет собой пару закрепленных на валу ротора пластин, к которым подключены обмотки ротора. Ток на эти пластины подается через токоснимающие контакты (щетки). При повороте ротора на 180° пластины меняются местами — это автоматически меняет направление тока и, следовательно, полюсы подвижного электромагнита. Так как одноименные полюсы взаимно отталкиваются, катушка продолжает вращаться, а ее полюсы притягиваются к соответствующим полюсам на другой стороне магнита.

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 служит электромагнит. Витки проволоки такого электромагнита называются обмоткой возбуждения.

Как работает простейший двигатель на электричестве.

Простейший электродвигатель работает только на постоянном токе (от батарейки) или от блока питания постоянного тока. Ток проходит по рамке, расположенной между полюсами постоянного магнита. Взаимодействие магнитных полей рамки с током и магнита заставляет рамку поворачиваться. После каждого полуоборота коллектор переключает контакты рамки, подходящие к батарейке, и поэтому рамка вращается.

А теперь поговорим о том, как устроен двигатель, работающий на электричестве.

В основу стандартного электродвигателя входит неподвижная часть, которая называется статором, и вращающийся ротор. В статоре находятся несколько катушек, на которые поступает переменный ток.

Как же работает двигатель на электричестве?
Электроника подаёт переменное напряжение на одну из катушек статора. В следствии чего возникает магнитное поле, которое воздействует на ротор и отталкивает к следующей катушке. Предыдущая катушка отключается, а напряжение поступает на следующую. И так этот процесс повторяется по кругу. От скорости переключения напряжения на катушках зависит скорость вращения электромотора.

Синхронный двигатель, работающий на электричестве.

Катушки, расположенные в статоре синхронного электродвигателя, являются электромагнитами, а ротор - постоянный магнит, который вращается в зависимости от изменения электромагнитного поля катушек.

Преимуществом данного электродвигателя является точная управляемость и высокий КПД. Точность достигается чётким передвижением ротора по создаваемым магнитным полям катушек. А высокий коэффициент полезного действия, обусловлен тем, что нет необходимости создавать дополнительное электромагнитное поле в роторе.

Затратное изготовление и большой вес можно отнести к недостаткам этого двигателя. Дорогая стоимость обусловлена тем, что для повышении эффективности сердцевину ротора изготавливают из специальных дорогостоящих сплавов. Из-за этого общий вес электродвигателя больше.
Синхронный электродвигатель в основном используется в гибридных автомобилях, где он прекрасно работает с двигателем внутреннего сгорания. Так же он использовался в первых моделях электромобилей с системой топливных ячеек.

Асинхронный электродвигатель.

Отличием асинхронного электродвигателя является то, что ротор состоит из стержней, которые замыкаются по краям кольцами.

А так же, переменный ток подаётся на катушки, под действием которого вокруг катушек возникает переменное магнитное поле. Под действием этого магнитного поля внутри стержней ротора возникает переменный ток, из-за которого вокруг стержней ротора тоже создается переменное магнитное поле.

Ротор асинхронного электродвигателя движется медленнее ротора в синхронном электродвигателе, потому что он движется за переменным магнитным полем катушек.

Достоинствами асинхронного электродвигателя является надёжность, широкая распространённость и способность кратковременно выдерживать большую перенагрузку (до 2,5 раз). При сильной нагрузке ротор лишь замедляет своё вращение. Из-за отсутствия в конструкции постоянных магнитов, данный электродвигатель имеет небольшой вес.

Недостатками являются маленький КПД и пассивная работа в начале запуска, которая обусловлена необходимостью создания магнитного поля.

Асинхронный электродвигатель так же применяется в гибридах, электромобилях и в системах с топливными ячейками. Сегодня автопроизводители чаще делают выбор в пользу синхронного электродвигателя.

На самом деле, электромобили появились даже раньше автомобилей с ДВС – еще в 1828 году венгерским физиком Аньошем Иштваном Йедликом была изобретена электрическая тележка с четырьмя колесами.

В конце XIX века экспериментами на электротяге занимались многие европейские и американские инженеры, ученые и изобретатели.

В 1899 году первый русский электромобиль построил Ипполит Романов. Петербургским изобретателем были спроектированы четыре модели электромобилей: двухместная и четырехместная коляски, а также 17-местный и 24-местный омнибусы. Двухместный кэб и 17-местный омнибус построены по его проекту в 1899 году.

В том же 1899 году построенный бельгийцем Камилем Женатци автомобиль La Jamais Contente разогнался быстрее 100 километров в час на суше (109,4 километра в час). В настоящую же «серию» электромобили запустила американская компания Detroit Electric, которая выпускала свои электрокары с 1907 года до начала Великой депрессии в 1929 году. В 1910-е годы их тираж доходил до 2000 экземпляров. В 1910 году Уильям Андерсон, основавший Detroit Electric на базе Anderson Carriage Co., установил на электромобиль новые никель-стальные аккумуляторы Эдисон, которые позволяли проехать 100 миль (160 километров) на одной зарядке, что вдвое превосходило пробег на стандартных свинцово-кислотных аккумуляторах.

Detroit Electric. Как следует из названия, она находилась в «Мекке» автомобилестроения – городе Детройте, штат Мичиган. Начиная с 1907 года эта компания занималась выпуском электромобилей, которые пользовались широкой популярностью среди потребителей. В свои лучшие годы Detroit Electric продавала до двух тысяч машин в год. Для того времени это был значительный показатель.

Эта конструкция Детройт Электрик древний, но хороший компромисс.

Томас Эдисон у электро-мобиля Detroit Electric

Электромобили Detroit Electric (1915-1916 г. выпуска)

Эксплуатационные характеристики выпускаемых моделей были весьма неплохими. Электромобиль Detroit Electric мог развивать скорость до 32 км/ч и преодолевал 130 км без подзарядки. Производство автомобилей с двигателями на электричестве продолжалось до 1942 года. В последние годы выпуск стал почти символическим, поскольку число заказов было очень невелико. Некоторые экземпляры хорошо сохранились до наших дней. Их можно увидеть в автомобильных музеях.

Так выглядел процесс зарядки электромобиля в начале века

Зарядная станция автомобилей с двигателями на электричестве в Сан-Франциско

Один из вариантов двигателя на электричестве для автомобилей является Безредукторный электродвигатель «прямого привода»

Безредукторный электродвигатель «прямого привода» гораздо выгоднее обычного электромотора — он легче, что уменьшает неподрессоренные массы (это основная проблема мотор-колес), он эффективнее расходует энергию и лучше компонуется на автомобиле

Colt EV: мотор-колесо со встроенным редуктором один из видов двигателя на электричестве

Colt EV — первенец проекта MIEV с мотор-колесами, на которые делают ставку в ММС. Он ездит, и довольно быстро!

В «моторном отсеке» — пустота

Michelin и MGL создали необычную электроколесницу

Идея совместить колесо и электродвигатель стара, как мир. У компании Michelin на этот счёт тоже оказалась пара толковых соображений, которые дальше концептов никуда не пошли. И соображениям этим так и пылиться на полке, если бы не китайский производитель электрооборудования MGL. С ним Michelin подписала соглашение о совместной разработке активного электрического шасси на базе своей технологии Active Wheel.

Оригинальность мишленовского ноу-хау в том, что внутри колёсного диска в компактном модуле, помимо тормозного механизма, устанавливается подвеска и два электродвигателя: один тяговый (он разгоняет и тормозит автомобиль с рекуперацией энергии), второй отвечает за настройки подвески. Всего таких модулей для четырёхколёсного автомобиля предполагается четыре (по штуке в каждом колесе).

Компании совместными усилиями уже успели построить опытный образец электромобиля на базе Lifan 520. Сообщается, что машина приводимая в действие литиево-ионными аккумуляторами может перемещаться со скоростями до 140 км/ч, при этом запас хода составляет 100–140 километров. Аккумуляторы способны выдержать тысячу циклов зарядки-разрядки. О старте серийного производства подобных автомобилей с системой Active Wheel, пока не сообщается.

Первый электромобиль в виде тележки с электродвигателем был создан в 1841 году.

Электромобиль La Jamais Contente 29 апреля либо 1 мая 1899 года установил рекорд скорости на суше. Он первым в мире преодолел скорость 100 км/ч и достиг скорости 105,882 км/ч.

Двухместный электромобиль PUMA - концептуальный транспорт для жителей мегаполиса будущего

Земноводный Rinspeed sQuba может работать под водой как субмарина.

8-колесный электромобиль Eliica
Развивает скорость до 402 км/ч (230 миль/ч). А блок ионно-литиевых батарей, установленных под салоном 4-хместного электромобиля, позволяет проехать 321 км (200 миль).

Электрокар (подвид автомобиля с двигателем на электричестве) Украина

ПРОДОЛЖЕНИЕ НА ГЛАВНУЮ

Конструктор сайтов - uCoz