PHYSIC LESSONS: ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΑΣ

ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΑΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Με τη βοήθεια ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου και δυνάμεων Laplace μπορούμε να έχουμε μία συνεχή περιστροφή ενός πλαισίου.

ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΑ

Ο Ηλεκτρικός κινητήρας ή ηλεκτροκινητήρας ονομάζεται η διάταξη που χρησιμοποιείται για την μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια,που τυγχάνει εξαιρετικής εκμετάλλευσης από τις βιομηχανίες.

Ο Ηλεκτρικός κινητήρας ή ηλεκτροκινητήρας ονομάζεται η διάταξη που χρησιμοποιείται για την μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια

Συνεπώς ένας ηλεκτροκινητήρας είναι μια αντίστροφη ηλεκτρογεννήτρια.

ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΑ

Τοποθετούμε ένα ορθογώνιο πλαίσιο στο εσωτερικό ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου.

Τοποθετούμε ένα ορθογώνιο πλαίσιο στο εσωτερικό ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου.Συνδέουμε στα άκρα του μια πηγή συνεχούς τάσης V,οπότε το πλαίσιο διαρρέεται από ρεύμα

Συνδέουμε στα άκρα του μια πηγή συνεχούς τάσης V,οπότε το πλαίσιο διαρρέεται από ρεύμα.

Το ορθογώνιο πλαίσιο που διαρρέεται από ρεύμα βρίσκεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο.Το ζεύγος δυνάμεων Laplace που ασκούνται στο πλαίσιο το στρέφουν

Στις πλευρές του πλαισίου θα ασκούνται δυνάμεις Laplace,όπως δείχνει το παρακάτω σχήμα.Το ζεύγος των δυνάμεων στρέφει το πλαίσιο.

Συνδέοντας το πλαίσιο μ’ έναν άξονα μπορούμε να εκμεταλλευτούμε την περιστροφική του κίνηση

Συνδέοντας το πλαίσιο μ’ έναν άξονα μπορούμε να εκμεταλλευτούμε την περιστροφική του κίνηση.Όταν ο κινητήρας ρευματοδοτηθεί,ένα από τα πλαίσια που είναι τυλιγμένα στο ρότορα,αυτό που εκείνη τη στιγμή είναι σε επαφή με τις ψήκτρες,διαρρέεται από ρεύμα.

Όταν ο κινητήρας ρευματοδοτηθεί,ένα από τα πλαίσια που είναι τυλιγμένα στο ρότορα, αυτό που εκείνη τη στιγμή είναι σε επαφή με τις ψήκτρες,διαρρέεται από ρεύμα

Το μαγνητικό πεδίο ασκεί σ’ αυτό ζεύγος δυνάμεων και το στρέφει.Μαζί στέφεται και ολόκληρος ο ρότορας.

Διάγραμμα λειτουργίας ενός ηλεκτρικού κινητήρα

Με τη στροφή χάνεται η επαφή του πλαισίου αυτού με τις ψήκτρες και διακόπτεται το ρεύμα,ένα άλλο πλαίσιο όμως παίρνει τη θέση του και,έχοντας επαφή με τις ψήκτρες,για τον ίδιο λόγο στρέφεται κι΄ αυτό.Στη συνέχεια ένα άλλο παίρνει τη θέση του κ.ο.κ έτσι διατηρείται η κίνηση του ρότορα.

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΑ

Στους ηλεκτροκινητήρες δεν υπάρχει μόνο ένα ρευματοφόρο πλαίσιο αλλά πολλά.Τα πλαίσια αυτά είναι τοποθετημένα πάνω σε ένα κύλινδρο από μαλακό σίδηρο,το ρότορα.

Στους ηλεκτροκινητήρες δεν υπάρχει μόνο ένα ρευματοφόρο πλαίσιο αλλά πολλά.Τα πλαίσια αυτά είναι τοποθετημένα πάνω σε ένα κύλινδρο από μαλακό σίδηρο,το ρότορα

Ο ρότορας μπορεί να στρέφεται γύρω από τον άξονά του.Στην επιφάνειά του και κατά μήκος του άξονά του φέρει αύλακες.Στους αύλακες περιτυλίγονται χάλκινοι μονωμένοι αγωγοί,έτσι ώστε να δημιουργείται μια σειρά από πλαίσια.

Περιγραφή Ηλεκτροκινητήρα

Οι άκρες όλων αυτών των πλαισίων καταλήγουν σε ένα κύλινδρο,το συλλέκτη.Ο συλλέκτης χωρίζεται σε τμήματα,μονωμένα μεταξύ τους,κάθε ένα από τα οποία είναι σε ηλεκτρική επαφή με ένα πλαίσιο.Δύο ακίνητες ψήκτρες από γραφίτη που μπορούν να συνδεθούν με πηγή τάσης V,εφάπτονται στο συλλέκτη.

Ο ρότορας περιβάλλεται από ένα σταθερό τμήμα,το στάτορα,που φέρει μόνιμους μαγνήτες (στους μικρούς κινητήρες) ή ηλεκτρομαγνήτες (στους μεγάλους)

Ο ρότορας περιβάλλεται από ένα σταθερό τμήμα,το στάτορα,που φέρει μόνιμους μαγνήτες (στους μικρούς κινητήρες) ή ηλεκτρομαγνήτες (στους μεγάλους).Ο στάτορας δημιουργεί μαγνητικό πεδίο κάθετο στον άξονα του ρότορα.

ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ

Παίρνουμε ένα συρμάτινο πλαίσιο σχήματος ορθογωνίου παραλληλογράμμου και το στερεώνουμε,έτσι ώστε να μπορεί να περιστρέφεται χωρίς τριβές γύρω από τον κατακόρυφο άξονα xx′.Τοποθετούμε αρχικά το πλαίσιο παράλληλα στις δυναμικές γραμμές ενός ισχυρού ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης Β.

Παίρνουμε ένα συρμάτινο πλαίσιο σχήματος ορθογωνίου παραλληλογράμμου και το στερεώνουμε,έτσι ώστε να μπορεί να περιστρέφεται χωρίς τριβές γύρω από τον κατακόρυφο άξονα xx′.Παρατηρούμε ότι,αν διαβιβάσουμε ρεύμα μέσα από το πλαίσιο αυτό θα αρχίσει να κινείται γύρω από τον άξονά του

Παρατηρούμε ότι,αν διαβιβάσουμε ρεύμα μέσα από το πλαίσιο αυτό θα αρχίσει να κινείται γύρω από τον άξονά του και αφού κάνει ορισμένες ταλαντεύσεις γύρω από τον άξονά του τελικά θα ισορροπήσει κάθετα στις δυναμικές γραμμές.

Το πλαίσιο μετά από μερικές ταλαντεύσεις ισορροπεί

Εξετάζοντας τις δυνάμεις που ενεργούν στο πλαίσιο βλέπουμε ότι οι δυνάμεις που ασκούνται στις πλευρές ΔΓ και ΖΑ του πλαισίου είναι αντίθετες και αλληλοεξουδετερώνονται.Οι δυνάμεις όμως,που ενεργούν στις πλευρές ΔΖ και ΓΑ δημιουργούν ένα ζεύγος δυνάμεων,οι οποίες προκαλούν περιστροφή του πλαισίου.

Εξετάζοντας τις δυνάμεις που ενεργούν στο πλαίσιο βλέπουμε ότι οι δυνάμεις που ασκούνται στις πλευρές του πλαισίου είναι αντίθετες και αλληλοεξουδετερώνονται

Όταν όμως,το πλαίσιο γίνει κάθετο στις δυναμικές γραμμές οι δυνάμεις έχουν αντίθετη φορά και αλληλοεξουδετερώνονται.Το πλαίσιο λόγω αδράνειας περνά τη θέση ισορροπίας και οι δυνάμεις Laplace τείνουν να επαναφέρουν το πλαίσιο στην αρχική του θέση.Μετά από έναν αριθμό ταλαντεύσεων το πλαίσιο λόγω των τριβών,τελικά ισορροπεί κάθετα στις δυναμικές γραμμές του πεδίου.

Πριν αντιστραφεί η φορά του ρεύματος

Ζεύγος δυνάμεων ονομάζεται ένα σύστημα δύο δυνάμεων που είναι παράλληλες,έχουν ίσα μέτρα,αντίθετη φορά και εφαρμόζονται σε διαφορετικά σημεία.

Για να πετύχουμε σταθερή φορά περιστροφής του πλαισίου,πρέπει όταν αυτό γίνεται κάθετο στις δυναμικές γραμμές,να αλλάζουμε τη φορά του ρεύματος οπότε οι δυνάμεις που ενεργούν στις κατακόρυφες πλευρές να αλλάζουν φορά ώστε να συντηρούν την περιστροφή του πλαισίου.Το πρόβλημα της αλλαγής της φοράς του ρεύματος ξεπεράστηκε από τους τεχνικούς οι οποίοι με μία έξυπνη κατασκευή κατόρθωσαν να αντιστρέφουν τη φορά του όταν το πλαίσιο περνά από τη θέση ισορροπίας.

Όταν αντιστραφεί η φορά του ρεύματος

Οι πραγματικοί κινητήρες δεν έχουν μόνο ένα πλαίσιο, αλλά μία ομάδα από αυτά κατάλληλα τοποθετημένα.Επίσης τα πλαίσια μπορεί να έχουν στο εσωτερικό τους πυρήνα μαλακού σιδήρου,ώστε να αυξάνεται η ένταση του μαγνητικού πεδίου και κατά συνέπεια οι δυνάμεις Laplace που ενεργούν πάνω τους.

ΕΙΔΗ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ

Οι ηλεκτροκινητήρες διακρίνονται σε:
α) Ηλεκτροκινητήρες συνεχούς ρεύματος (DC motors).
β) Ηλεκτροκινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος (AC motors).
Οι ηλεκτρoκινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος διακρίνονται επιμέρους στους:
i) Aσύγχρονους ή επαγωγικούς κινητήρες.
ii) Σύγχρονους κινητήρες.
Σύγχρονοι κινητήρες είναι οι κινητήρες στους οποίους η μέση ταχύτητα περιστροφής είναι ευθέως ανάλογη της συχνότητας της εφαρμοζόμενης εναλλασσόμενης τάσης.

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ

Τα απαραίτητα στοιχεία για κάθε ηλεκτροκινητήρα τα οποία και προσδιορίζουν αυτόν εμπορικά είναι:

α) Η απαιτούμενη τάση για την τροφοδοσία του σε βολτ (V).

β) Το είδος της απαιτούμενης τάσης,συνεχές ή εναλλασσόμενο ρεύμα (DC ή AC) και στη 2η περίπτωση,μονοφασικό (1 PH) ή τριφασικό (3 PH).(ΡΗ=φάση).

γ) Η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος,εφόσον πρόκειται για ηλεκτροκινητήρα AC και προφανώς σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο κ/δ (c/s) ή Χερτζ (Hertz).Πολλές φορές χρησιμοποιείται το σύμβολο ~ αντί του κ/δ.

δ) Η ισχύς του κινητήρα σε Βατ ή ίππους (W ή HP)

ε) Η ένταση του ρεύματος σε αμπέρ που διαρρέει τον κινητήρα,και

στ) Η αποκτώμενη ταχύτητα περιστροφής του άξονα του κινητήρα σε στροφές ανά λεπτό (rpm ή RPM).

Όλα τα παραπάνω στοιχεία φέρονται χαραγμένα,από τους κατασκευαστές,σε ειδική ενσωματωμένη στον ηλεκτροκινητήρα πινακίδα,καθώς και ο αριθμός της έγκρισης του Υπουργείου Βιομηχανίας για εμπορική διάθεση ή άλλα σύμβολα πιστοποίησης ασφαλούς λειτουργίας.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ

Ο ηλεκτρικός κινητήρας μπορεί να θεωρηθεί σαν ένας ενεργειακός μετατροπέας ο οποίος μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια κατά ένα μεγάλο μέρος της σε μηχανική ενέργεια.Οι ηλεκτροκινητήρες έχουν απόδοση από 50%,οι μικροί,έως 90% οι μεγάλοι.

Ο ηλεκτρικός κινητήρας μπορεί να θεωρηθεί σαν ένας ενεργειακός μετατροπέας ο οποίος μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια κατά ένα μεγάλο μέρος της σε μηχανική ενέργεια

Η χρήση των ηλεκτρικών κινητήρων έχει μεγάλο φάσμα εφαρμογών,όπως στη μίζα του αυτοκινήτου και της μοτοσικλέτας,στον ηλεκτρικό σιδηρόδρομο,στον ανεμιστήρα,στα μαγνητόφωνα και στα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς,στα τρόλεϊ και στο μετρό,στα υποβρύχια,στα ηλεκτρικά κατσαβίδια,στα μίξερ,στους ανελκυστήρες κ.α.