Es ist schwer vorstellbar, wie die moderne Welt ohne einen Gleichstrommotor (und übrigens einen Wechselstrommotor) aussehen würde. Jeder moderne Mechanismus ist mit einem Elektromotor ausgestattet. Es kann einen anderen Zweck haben, aber seine Anwesenheit ist in der Regel kritisch. Es wird erwartet, dass die Rolle des Gleichstrommotors in naher Zukunft nur noch zunehmen wird. Ohne dieses Gerät ist es bereits heute unmöglich, hochwertige, zuverlässige und leise Geräte mit einstellbaren Geschwindigkeiten herzustellen. Aber das ist der Schlüssel zur Entwicklung des Staates und der Weltwirtschaft insgesamt.
Aus der Geschichte des Gleichstrommotors
Bei Experimenten im Jahr 1821 entdeckte der berühmte Wissenschaftler Faraday zufällig, dass ein Magnet und ein stromführender Leiter irgendwie zusammenpassenbeeinflussen sich gegenseitig. Insbesondere kann ein Permanentmagnet die Rotation eines einfachen stromdurchflossenen Leiterkreises bewirken. Die Ergebnisse dieser Experimente wurden für die weitere Forschung verwendet.
Schon 1833 schuf Thomas Davenport eine Modelleisenbahn mit einem kleinen Elektromotor, der sie antreiben konnte.
1838 wurde im Russischen Reich ein Passagierschiff für 12 Sitzplätze gebaut. Als dieses elektromotorbetriebene Boot gegen den Strom entlang der Newa fuhr, löste dies nicht nur in der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine wahre Explosion der Emotionen aus.
Wie ein Gleichstrommotor funktioniert
Wenn man sich die Arbeit oberflächlich ansieht, wie sie es in der Schule im Physikunterricht tun, mag es den Anschein haben, als sei absolut nichts Kompliziertes darin. Aber das ist nur auf den ersten Blick. Tatsächlich ist die Wissenschaft des Elektroantriebs eine der schwierigsten im Zyklus der technischen Disziplinen. Beim Betrieb eines Elektromotors treten eine Reihe komplexer physikalischer Phänomene auf, die noch nicht vollständig verstanden sind und durch verschiedene Hypothesen und Annahmen erklärt werden.
Das Funktionsprinzip eines Gleichstrommotors lässt sich vereinfacht wie folgt beschreiben. Ein Leiter wird in ein Magnetfeld gebracht und von einem Strom durchflossen. Wenn wir außerdem den Querschnitt des Leiters betrachten, entstehen um ihn herum unsichtbare konzentrische Kraftkreise - dies ist ein Magnetfeld, das durch den Strom im Leiter gebildet wird. Wie bereits erwähnt, sind diese Magnetfelder für das menschliche Auge unsichtbar. Aber es gibt einen einfachen Trick, mit dem Sie sie visuell beobachten können. Am einfachsten ist es, ein Loch in Sperrholz oder ein dickes Blatt Papier zu bohren, durch das der Draht geführt wird. In diesem Fall muss die Oberfläche in der Nähe des Lochs mit einer dünnen Schicht aus fein verteiltem magnetischem Metallpulver bedeckt werden (es kann auch feines Sägemehl verwendet werden). Wenn der Stromkreis geschlossen ist, ordnen sich die Pulverpartikel in Form des Magnetfelds an.
Tatsächlich basiert das Funktionsprinzip eines Gleichstrommotors auf diesem Phänomen. Zwischen Nord- und Südpol eines U-förmigen Magneten wird ein stromdurchflossener Leiter gelegt. Durch die Wechselwirkung magnetischer Felder wird der Draht in Bewegung versetzt. Die Bewegungsrichtung hängt von der Position der Stangen ab und kann durch die sogenannte Gimlet-Regel genau bestimmt werden.
Amperestärke
Die Kraft, die einen stromdurchflossenen Leiter aus dem Feld eines Permanentmagneten drückt, heißt Ampère-Kraft – nach einem berühmten Forscher elektrischer Phänomene. Auch die Stromeinheit ist nach ihm benannt.
Um den Zahlenwert dieser Kraft zu finden, müssen Sie den Strom im betrachteten Leiter mit seiner Länge und mit der Größe (Vektor) des Magnetfelds multiplizieren.
Die Formel sieht folgendermaßen aus:
F=IBL.
Modell des einfachsten Motors
Grob gesagt, um den primitivsten Motor zu bauen, müssen Sie einen Rahmen aus leitfähigem Material (Draht) in ein Magnetfeld legen und ihn mit Strom versorgen. Der Rahmen dreht sich bis zu einem bestimmten Winkel und stoppt. Diese Position zum Slang von Spezialisten inBereich des Elektroantriebs wird als „tot“bezeichnet. Der Grund für den Stopp ist, dass die Magnetfelder sozusagen kompensiert werden. Mit anderen Worten, dies geschieht, wenn die resultierende Kraft gleich Null wird. Daher umfasst die Gleichstrommotorvorrichtung nicht einen, sondern mehrere Rahmen. In einer realen Industrieeinheit (die auf Geräten installiert ist) können sehr, sehr viele solcher Elementarsch altungen vorhanden sein. Wenn also die Kräfte auf einem Rahmen ausgeglichen sind, bringt der andere Rahmen es aus der "Betäubung".
Eigenschaften des Geräts von Motoren unterschiedlicher Leistung
Auch jemand, der weit von der Welt der Elektrotechnik entfernt ist, wird sofort erkennen, dass ohne eine Quelle eines konstanten Magnetfelds von keinem Gleichstrom-Elektromotor die Rede sein kann. Als solche Quellen werden verschiedene Geräte verwendet.
Für Gleichstrommotoren mit geringer Leistung (12 Volt oder weniger) ist ein Permanentmagnet die ideale Lösung. Diese Option ist jedoch nicht für Einheiten mit großer Leistung und Größe geeignet: Die Magnete sind zu teuer und zu schwer. Daher ist es bei Gleichstrommotoren ab 220 V sinnvoller, eine Induktivität (Erregerwicklung) zu verwenden. Damit der Induktor zu einer Quelle eines Magnetfelds wird, muss er mit Strom versorgt werden.
Design von Elektromotoren
Im Allgemeinen umfasst das Design eines Gleichstrommotors die folgenden Elemente:Kollektor, Stator und Anker.
Der Anker dient als Lagerelement für die Motorwicklung. Es besteht aus dünnen Stahlblechen für elektrische Zwecke mit Rillen um den Umfang zum Verlegen des Drahtes. Das Herstellungsmaterial ist in diesem Fall sehr wichtig. Wie bereits erwähnt, wird Elektroband verwendet. Diese Materialqualität zeichnet sich durch eine große künstlich gewachsene Korngröße und Weichheit (als Ergebnis eines niedrigen Kohlenstoffgeh alts) aus. Zudem besteht der gesamte Aufbau aus dünnen, isolierten Blechen. All dies lässt keine parasitären Ströme entstehen und verhindert eine Überhitzung des Ankers.
Der Stator ist ein festes Teil. Es erfüllt die zuvor besprochene Rolle des Magneten. Um den Betrieb eines Modellmotors im Labor zu demonstrieren, wird zur Verdeutlichung und zum besseren Verständnis der Prinzipien ein Stator mit zwei Polen verwendet. Echte Industriemotoren verwenden Geräte mit einer großen Anzahl von Polpaaren.
Ein Kollektor ist ein Sch alter (Stecker), der die Wicklungskreise eines Gleichstrommotors mit Strom versorgt. Seine Anwesenheit ist unbedingt erforderlich. Ohne sie läuft der Motor ruckartig, nicht rund.
Motorenvarianten
Es gibt keinen universellen Motor, der in absolut allen Bereichen der Technik und der Volkswirtschaft zum Einsatz kommt und alle Anforderungen im Bereich Sicherheit und Zuverlässigkeit im Betrieb erfüllt.
Sie sollten bei der Auswahl eines Gleichstrommotors sehr vorsichtig sein. Die Reparatur ist äußerst schwierig und teuerein Verfahren, das nur von entsprechend qualifiziertem Personal durchgeführt werden kann. Und wenn das Design und die Fähigkeiten des Motors nicht den Anforderungen entsprechen, werden erhebliche Mittel für Reparaturen ausgegeben.
Es gibt vier Haupttypen von DC-Motoren: Bürsten-, Wechselrichter-, Unipolar- und Universal-DC-Bürstenmotoren. Jeder dieser Typen hat seine eigenen positiven und negativen Eigenschaften. Eine kurze Beschreibung von jedem von ihnen sollte gegeben werden.
DC-Bürstenmotoren
Motoren dieser Art lassen sich auf sehr viele Arten realisieren: ein Kollektor und eine gerade Anzahl von Stromkreisen, mehrere Kollektoren und mehrere Wicklungskreise, drei Kollektoren und dieselbe Anzahl von Windungen, vier Kollektoren und zwei gewundene Windungen, vier Kollektoren und vier Stromkreise auf Anker und schließlich - acht Kollektoren mit einem Anker ohne Rahmen.
Dieser Motorentyp zeichnet sich durch eine vergleichsweise einfache Ausführung und Fertigung aus. Aus diesem Grund ist er als Universalmotor bekannt geworden, dessen Anwendung sehr umfangreich ist: von funkgesteuerten Spielzeugautos bis hin zu sehr komplexen und hochtechnologischen CNC-Werkzeugmaschinen, die in Deutschland oder Japan hergestellt werden.
Über Umrichtermotoren
Im Allgemeinen ist dieser Motortyp dem Kollektor sehr ähnlich und hat die gleichen Vor- und Nachteile. Der einzige Unterschied besteht im Startmechanismus: Es ist mehrperfekt, wodurch Sie die Geschwindigkeit einfach umkehren und die Rotorgeschwindigkeit anpassen können. Daher ist die Leistung dieses Gleichstrommotortyps Kollektormotoren in einer Reihe von Parametern überlegen.
Aber wenn es bei etwas einen Gewinn gibt, dann wird es bei manchen Dingen einen Verlust geben. Dies ist ein unbestreitbares Gesetz des Universums. Also in diesem Fall: Überlegenheit wird durch eine ziemlich komplexe und kapriziöse Technik bereitgestellt, die oft versagt. Laut erfahrenen Spezialisten ist die Reparatur von DC-Motoren vom Wechselrichtertyp ziemlich schwierig durchzuführen. Manchmal können selbst erfahrene Elektriker eine Fehlfunktion der Anlage nicht diagnostizieren.
Eigenschaften von unipolaren Gleichstrommotoren
Das Funktionsprinzip bleibt gleich und basiert auf der Wechselwirkung der Magnetfelder des Leiters mit dem Strom und dem Magneten. Aber der Stromleiter ist kein Draht, sondern eine Scheibe, die sich um eine Achse dreht. Der Strom wird wie folgt zugeführt: Ein Kontakt schließt auf der Metallachse und der andere verbindet über die sogenannte Bürste den Rand des Metallkreises. Ein solcher Motor ist, wie ersichtlich, ziemlich komplex aufgebaut und fällt daher oft aus. Die Hauptanwendung ist die wissenschaftliche Forschung auf dem Gebiet der Physik der Elektrizität und des Elektroantriebs.
Eigenschaften von Universal-Kollektormotoren
Diese Art von Motor bringt im Prinzip nichts Neues. Aber es hat ein sehr wichtiges Merkmal - die Fähigkeit, als zu arbeitenaus dem DC-Netz und aus dem AC-Netz. Manchmal kann diese Eigenschaft bei der Reparatur und Modernisierung von Geräten erhebliche Kosten einsparen.
Wechselstromfrequenz ist streng reguliert und beträgt 50 Hertz. Mit anderen Worten, die Bewegungsrichtung negativ geladener Teilchen ändert sich 50 Mal pro Sekunde. Einige glauben fälschlicherweise, dass der Rotor eines Elektromotors auch 50 Mal pro Sekunde die Drehrichtung (im Uhrzeigersinn - gegen den Uhrzeigersinn) ändern muss. Wenn dies zuträfe, käme eine sinnvolle Anwendung von AC-Elektromotoren nicht in Frage. Was in der Realität passiert: Der Strom der Anker- und Statorwicklungen wird mit einfachsten Kondensatoren synchronisiert. Wenn sich also die Richtung des Stroms am Ankerrahmen ändert, ändert sich auch seine Richtung am Stator. Der Rotor dreht sich also ständig in eine Richtung.
Leider ist der Wirkungsgrad dieses DC-Motortyps viel geringer als der von Inverter- und Unipolarmotoren. Daher ist seine Verwendung auf eher enge Bereiche beschränkt - wo es notwendig ist, um jeden Preis maximale Zuverlässigkeit zu erreichen, ohne die Betriebskosten zu berücksichtigen (z. B. Militärtechnik).
Schlusssätze
Technologie steht nicht still, und heute konkurrieren viele wissenschaftliche Schulen auf der ganzen Welt miteinander und streben danach, einen billigen und sparsamen Motor mit hoher Effizienz und Leistung zu entwickeln. Die Leistung von DC-Elektromotoren wächst von Jahr zu Jahr, während ihreStromverbrauch.
Wissenschaftler sagen voraus, dass die Zukunft von elektrischen Geräten bestimmt wird und das Ölzeit alter ziemlich bald enden wird.
