Импульсные электродвигатели: принцип работы

Импульсные (или шаговые) электродвигатели – это особый тип электрических двигателей, которые работают за счет электрических импульсов. Эти двигатели используются в различных областях промышленности и быта, таких как автоматические системы управления, медицинское оборудование, автоматические двери и т.д.

Содержание

1. Что такое импульсный электродвигатель и для каких задач он нужен
2. История создания импульсного электродвигателя
3. Принцип работы

Что такое импульсный электродвигатель и для каких задач он нужен

Это двигатель, который использует электромагнитные импульсы для генерации вращения ротора. Он отличается от обычных электродвигателей, которые используют магнитное поле для вращения ротора. Импульсные электродвигатели могут быть как постоянного, так и переменного тока.

Они обычно используются там, где требуется высокая мощность, точность и скорость, а также важна эффективность и экономия энергии. Самые распространенные сферы применения:

• робототехника и автоматизация производства;
• авиация и космическая техника;
• медицинская техника;
• автомобильная промышленность;
• энергетика;
• производство бытовых и мелких приборов;
• промышленное оборудование и машины;
• производство игрушек и развлекательных устройств.

Одним из преимуществ устройств является то, что они обычно имеют более высокую скорость и точность вращения, чем обычные электродвигатели. Кроме того, они могут быть более компактными и легкими, что делает их идеальными для использования в различных устройствах, где пространство ограничено.

Направления, в  которых применяют импульсные электродвигатели, включают автомобильные двигатели, системы управления роботами, приводы для промышленного оборудования, медицинские приборы, а также бытовые приборы, такие как стиральные и посудомоечные машины.

Импульсные электродвигатели также используются в системах автоматического управления и регулирования, таких как системы позиционирования, где точность и скорость движения играют важную роль. Устройства обладают высокой точностью позиционирования, быстрым откликом и возможностью изменения скорости и направления вращения.

Они также широко применяются в медицинской технике, например, для привода оборудования для магнитно-резонансной томографии (МРТ), где требуется высокая точность позиционирования, надежность и минимальный уровень шума.

Импульсные электродвигатели также используются в аэрокосмической технике, так как они обладают высокой производительностью и эффективностью при работе в экстремальных условиях, таких как высокие температуры и радиационное излучение. Детонационные двигатели в таких ситуациях неприменимы.

Кроме того, шаговые электродвигатели могут использоваться в промышленности для привода различных типов механизмов, таких как насосы, компрессоры, конвейеры и т.д., где требуется высокая производительность, надежность и контроль скорости вращения.

История создания импульсного электродвигателя

Это относительно новое изобретение электротехники, поэтому его история относительно короткая. Устройство было разработано в 1960-х годах, а первые модели были созданы в 1970-х.

Ранее использовались традиционные устройства с постоянными магнитами или сердечниками, но они имели свои недостатки, в том числе невысокую эффективность, большой размер и вес. Шаговый вариант был создан для решения этих проблем. Он основан на использовании переменного магнитного поля, создаваемого внутри ротора с помощью электронных контроллеров, что позволяет значительно повысить эффективность и уменьшить размеры и вес.

Сначала импульсные электродвигатели использовались в космической технике и военной промышленности, где требовались высокая эффективность, надежность и компактность. В последующие годы они нашли применение в прочих областях.

Принцип работы

Импульсный электродвигатель постоянного тока работает на основе взаимодействия магнитных полей, создаваемых статором и ротором. В основе работы лежит закон Лоренца, согласно которому электрический ток, протекающий через проводник, создает магнитное поле вокруг него. Если магнитный полюс находится рядом с проводником, то взаимодействие между полем и проводником вызывает появление на последнем силы, направленной перпендикулярно к обоим.

Устройство работает по принципу перемещения ротора в зависимости от магнитного поля, создаваемого статором. В центре ротора находятся постоянные магниты, которые создают магнитное поле вокруг себя. Когда на них подается электрический ток, то ротор начинает вращаться. Однако, так как ротор имеет постоянные магниты, то после половины оборота они перестают взаимодействовать со статором. Для того чтобы сохранить вращение ротора, на статоре создается новое магнитное поле, на которое реагируют магниты на роторе. Таким образом, создается вращательное движение ротора.

Частным случаем является бесколлекторный импульсный электродвигатель. Он работает на основе эффекта Холла. Этот эффект заключается в том, что если проводник находится в магнитном поле, то под действием тока в нем появляется ЭДС Холла. Она возникает в результате того, что электроны в проводнике начинают двигаться вокруг своих ядер под действием магнитного поля. В результате этих движений между свободными электронами и ядрами возникает разность потенциалов, которая приводит к появлению ЭДС.

Бесколлекторное устройство представляет собой комплекс из ротора и статора. Ротор представляет собой цилиндр с постоянными магнитами, которые расположены на его окружности. Статор содержит обмотки, в которых происходит токообразование.

Все обмотки на статоре расположены в определенном порядке, так чтобы обеспечить правильную последовательность возбуждения обмоток. Каждый раз, когда ротор проходит через определенное положение, где необходимо возбудить определенную обмотку, на нее подается короткий импульс тока. Это позволяет создать магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами на роторе и заставляет его вращаться.

Для управления бесколлекторным мотором используется электронная схема, которая позволяет определить правильную последовательность возбуждения обмоток на статоре. Эта схема также может регулировать скорость вращения ротора, изменяя частоту подачи импульсов тока на обмотки.

Формулы, описывающие работу электродвигателя, связаны с законом Лоренца и законом Фарадея. Закон Лоренца позволяет определить силу, действующую на проводник, находящийся в магнитном поле:

F = BIL

где F – сила, действующая на проводник, B – индукция магнитного поля, I – сила тока в проводнике, L – длина проводника.

Закон Фарадея описывает явление электромагнитной индукции:

ε = — dФ/dt

где ε – ЭДС, dФ/dt – изменение магнитного потока через поверхность, на которой находится проводник.

Шаговые электродвигатели широко используются в промышленности и транспорте благодаря своей высокой производительности и надежности. Они позволяют достигать высоких скоростей вращения и имеют низкий уровень шума и вибрации. Кроме того, бесколлекторные устройства не требуют традиционных щеток и коллекторов, что увеличивает их срок службы и снижает расходы на обслуживание.