Двигатели на постоянный магнит работает

Асинхонные двигатели

Авторы: Chris Woodford
Источник: Induction motors

Аннотация

Chris Woodford Induction motors

Знаете ли Вы, как электродвигатели работают? Ответ, вероятно, да, и нет! Несмотря на то, что многие из нас узнали, как работает двигатель, от простых научных книг и веб-сайтов, таких как этот, почти все двигатели мы используем каждый день, во всем, от пылесосов до пищевых блендеров – но на самом деле таким образом работает не все. То, чему книги учат нас, простые двигатели постоянного тока (DC), которые имеют петлю проволоки продетую между полюсами постоянного магнита; в реальной жизни, большинство мощных двигателей используют переменный ток (AC) и работают в совершенно по-другому: их мы называем асинхронными двигателями, и они работают на очень изобретательном использовании магнитного поля, которое вращается. Давайте рассмотрим поближе!

Как работает обычный двигатель постоянного тока?

Простые моторы, которые вы могли видеть, объяснены в научных книгах и основаны на кусочке проволоки, которая согнута в прямоугольную петлю, которая подвешена между полюсами магнита. (Физики назвали это проводник с током, который находиться в магнитном поле.) Если подключить провод к батарее постоянного тока, постоянный ток течет через него, производя временное магнитное поле вокруг проводника. Это временное поле отталкивает исходное поле от постоянного магнита, в результате чего провод вращается.

Рисунок 1 – Принцип действия двигателя постоянного тока

Обычно провод остановится в этой точке, а затем перевернеться обратно, но если мы используем изобретательность, вращающиеся соединение, называемое коммутатором, мы можем сделать так чтобы ток был обратным каждый раз, когда провод переворачивается, и это означает, что провод будет продолжать вращаться в в том же направлении, пока ток продолжает течь. Вот суть простого электродвигателя постоянного тока, которая была задумана в 1820 году Майклом Фарадеем и превратился в практическое изобретение примерно десятилетие спустя Уильямом Стурженом (Вы найдете более подробную информацию в нашей вступительной статье по электродвигателям.)

Прежде чем мы перейдем к двигателям переменного тока, давайте быстро обобщим то, как работает двигатель постоянного тока. В двигателе постоянного тока, магнит (и его магнитное поле) фиксируется на месте и образует снаружи статическую часть двигателя (статор), в то время как катушка провода, несущий электрический ток вращает часть электродвигателя (ротор). Магнитное поле исходит от статора, который является постоянным магнитом, в то время как вы подаете электроэнергию на катушку, которая педставляет собой ротор. Взаимодействием между постоянным магнитным полем статора и временным магнитным полем, создаваемое ротором, является то, что создает вращение двигателя.

Как работает обычный двигатель переменного тока?

В отличие от игрушек и фонариков, большинство домов, офисов, заводов и других зданий не питается от маленьких батарей: они не работают на постоянном токе, но работают с переменным током (AC), который меняет свое направление около 50 раз в секунду (с частотой 50 Гц). Если вы хотите запустить двигатель от бытового электроснабжения переменного тока, а не от батареи постоянного тока, вам нужен другой дизайн двигателя. В двигателе переменного тока, есть кольцо электромагнитов, расположенных вокруг внешней стороны (то, что составляет статор), которые предназначены для создания вращающегося магнитного поля. Внутри статора есть массивная металлическая ось, петля провода, катушка, с короткозамкнутым ротором из металлических стержней и соединений (например, вращающиеся клеток которые люди иногда используют, чтобы развлечь домашних животных, таких как мышей), или некоторые другие свободно вращающиеся металлические части, которые могут проводит электричество. В отличие от двигателя постоянного тока, в котором вы подаете питание на внутренний ротор, в двигатель переменного тока вы отправляете питание на внешние катушки, образующие статор. Катушки под напряжением в парах, в последовательности, производят магнитное поле, которое вращается вокруг внешней стороны двигателя.

Как это поле создает вращение двигателя? Следует помнить, что ротор, подвешенный в магнитном поле, является электрическим проводником. Магнитное поле постоянно меняется (так как он вращается), в соответствии с законами электромагнетизма (закон Фарадея, если быть точным), магнитное поле производит (или возбуждает, чтобы использовать собственный термин Фарадея) электрический ток внутри ротора. Если проводник представляет собой кольцо или провод, ток течет вокруг него в цикле. Если проводник просто сплошной кусок металла, вихревые токи вместо этого циркулируют вокруг него. В любом случае, индуцированный ток создает свое собственное магнитное поле и, в соответствии с другим законом электромагнетизма (закон Ленца), пытается остановить все, что заставляет его вращаться в магнитном поле, также путем вращения. (Можно представить себе вращение ротора который отчаянно пытается «догнать» вращение магнитного поля в попытке устранить разницу в движении между ними.) Электромагнитная индукция является ключом, почему двигатель вращаеться – и именно поэтому он называется асинхронный двигатель.

Рисунок 2 – Принцип действия двигателя переменного тока (асинхронный двигатель)

Преимущества постоянства: Грузоподъёмные электропостоянные магниты DIMET ИМГ

Мощный промышленный электромагнит всего за одну смену способен перекрыть месячное потребление электричества целой семьи. И даже, если в масштабах крупного бизнеса это не такие большие издержки, после кризиса 2008 года и на волне внимания к экологической тематике промышленные компании стали искать варианты сокращения потребления энергетических ресурсов. В то же время в мире освоили производство постоянных магнитов из неодима, который относится к группе редкоземельных металлов и обладает выдающимися магнитными свойствами.

Следующим шагом должно было стать создание промышленных грузоподъёмных магнитов с использованием этого материала. Мы сделали этот шаг в 2013 году, представив рынку линейку электропостоянных или импульсных магнитов DIMET ИМГ, которым электрический ток необходим всего на несколько секунд при захвате и отпускании груза. Кстати, эта особенность не только снижает текущие издержки пользователей, но и существенно повышает безопасность производства. При отключении электропитания постоянный магнит продолжит удерживать груз.

Но при всех своих достоинствах тяжёлые грузоподъёмные электропостоянные магниты имеют жестко ограниченную сферу применения, которая объясняется особенностями их конструкции.

Сила короткого импульса: Принцип работы

«Притягательность» импульсных магнитов обеспечивают элементы из неодима. Правда, в самом названии редкоземельный уже кроется одно из ограничений на применение неодимовых элементов — они существенно дороже стали.

Второй важный элемент конструкции импульсных магнитов — «сердечник» из альнико. Именно он позволяет электропостоянным магнитам по воле оператора захватывать и отпускать груз. Альнико — сплав из железа, алюминия, никеля и кобальта применяют в конструкции электропостоянных магнитов, так как он под воздействием коротких импульсов электрического тока способен менять направление своего магнитного поля.

Схематически работу импульсного магнита можно описать следующим образом. Допустим, когда условный северный полюс (N) сердечника из альнико обращён вниз, магнитное поле мощных неодимовых магнитов замыкается на грузе и притягивает его. Но стоит всего на несколько секунд подать на медную катушку электрическое напряжение, как происходит переполюсовка сердечника. Северный полюс начинает указывать вверх, силовые линии замыкаются на корпус магнита и он перестаёт удерживать груз.

Преграды на пути магнитной индукции

Мы привыкли к тому, что электромагниты достаточно хорошо притягивают ферромагнитные материалы. Различается лишь масса груза. Например на слябах она выше, чем на скрапе. Если цельная стальная плита обладает отличной способностью поддерживать создаваемое внешним магнитом поле, то несколько отдельных предметов той же массы обладают куда менее впечатляющими характеристиками. Это объясняется очень низкой магнитопроводностью воздуха, который и заполняет зазоры, допустим, между отдельными прутьями арматуры.

Когда же речь заходит об импульсном магните, то индукция при работе с «рыхлыми» грузами сокращается фактически до нуля. Это объясняется тем, что магнитное поле мощных неодимовых элементов при контакте с грузом, который обладает высоким магнитным сопротивлением (скрап и тем более стружка), проходит по пути наименьшего сопротивления. Оно «пересиливает» поле сердечника из альнико и замыкается через корпус, не промагничивая «рыхлый» груз груз.

Температурные рамки постоянства

В науке существует понятие точки Кюри. Выше неё ферромагнитные материалы теряют свои магнитные свойства. Именно поэтому температурным пределом работы грузоподъёмных электромагнитов магнитов группы компаний «Димет» является точка в районе 650°С.

Неодим куда более требователен к температурному режиму. Созданные на его основе постоянные магниты наиболее распространенных марок стабильно работают при температурах не более 80°С. Дальнейшее повышение температуры может привести к их полному размагничиванию.

Следовательно, и сфера применения импульсных грузоподъёмных магнитов имеет свои границы. Они предназначены только для работы с холодными грузами.

Когда DIMET ИМГ — это то, что надо

Впрочем, все вышеперечисленные ограничения не умаляет достоинств электропостоянных магнитов DIMET ИМГ. Нужно лишь чётко понимать, в какой нише они способны по максимуму раскрыть свои преимущества.

DIMET ИМГ ваш выбор, если:

• безопасность погрузо-разгрузочных работ на данном производственном участке является критически важной;
• нужно перегружать монолитный стальной проката «комнатной» температуры;
• требуется существенно снизить затраты на электроэнергию при погрузо-разгрузочных работах с ферромагнитными материалами;
• существуют технические ограничения по потреблению электроэнергии;
• доступны финансовые ресурсы на покупку относительно более дорогой техники;
• интенсивное использование грузоподъёмного магнита в течение всей смены.

Кстати, именно исходя из всего вышеперечисленного не только крупные машиностроительные и судостроительные предприятия, но и металлурги, для производственно-логистических процессов останавливают свой выбор именно на электропостоянных магнитах DIMET ИМГ.