От питания наших домов до приведения в движение транспортных средств, электродвигатели играют важную роль в современной технологии. Эти умные устройства преобразуют электрическую энергию в механическую, обеспечивая бесчисленные применения в различных отраслях. В этой статье мы погрузимся в мир электродвигателей, исследуя их принципы работы, типы, применения и экологическое воздействие. Присоединяйтесь к нам в этом электризующем путешествии, где мы раскроем чудеса технологии электродвигателей.
Электродвигатель – это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую с помощью электромагнитной индукции. Он состоит из неподвижной части, называемой статором, и вращающейся части, называемой ротором. Когда через электродвигатель пропускается электрический ток, он создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем, созданным ротором, заставляя его вращаться.
Принципы работы электродвигателей
Электродвигатели работают на основе принципа электромагнитной индукции. Когда электрический ток протекает через обмотки статора, создается магнитное поле. Взаимодействие этого магнитного поля с постоянными магнитами на роторе создает вращательную силу, приводящую ротор в движение в определенном направлении.
Существует несколько типов электродвигателей, каждый из которых предназначен для определенных применений. Некоторые из распространенных типов включают в себя:
Электродвигатели постоянного тока (DC)
- Электродвигатели постоянного тока с щетками
- Бесщеточные электродвигатели постоянного тока
Электродвигатели переменного тока (AC)
- Асинхронные электродвигатели
- Синхронные электродвигатели
Специализированные электродвигатели
- Шаговые электродвигатели
- Сервоприводы
Виды электродвигателей
- Синхронные электродвигатели сложнее в плане конструкции. У них есть обмотка ротора, а питание подается через щеточный механизм. Свое название получили благодаря синхронности вращения с магнитным полем, которое его запускает.
- Асинхронные просты в сборке, а потому пользуются самой большой популярностью (нет обмотки, щеток и т. д.). Их роторы двигаются медленнее магнитного поля, что определяет асинхронность вращения электродвигателя и его название.
В быту и промышленности встречаются электрические двигатели различных видов, типов, классов, мощностей. Самыми востребованными остаются простые в конструкции устройства, которые решают задачу преобразования электроэнергии в механическое вращение вала. Но даже в этой группе есть масса нюансов, которые нужно знать, чтобы правильно эксплуатировать оборудование. Начинается такая практика (грамотного использования электродвигателей для любых целей) с понимания того, как оно функционирует (принципов работы).
Электродвигатель постоянного тока. Принцип работы.
Принцип работы синхронного электродвигателя на видео
Принцип работы асинхронного электродвигателя на видео
Конструкция электродвигателя
Центральный процесс функционирования электрического двигателя постоянного тока (коротко ДПТ) – нагнетание крутящего момента за счет напряжения, подаваемого на роторные катушки. Процесс становится возможным благодаря 4 конструктивным элементам:
- коллектору;
- щеточному механизму (2 щетки + 2 пластины/ламели);
- ротору электрического двигателя (якорь, в синхронном двигателе имеет 1 обмотку);
- статору, на котором устанавливаются магниты (в электродвигателях постоянного тока – постоянные).
Ротор
Ротор – подвижный элемент электрического двигателя, запускаемый магнитным полем, совершает вращательные движения вместе с валом. Имеет минимум 3 зуба, один из которых стабильно попадает в область подключения.
Коллектор электродвигателя
Ротор переключается автоматически. За эту функцию отвечает коллектор – конструкция из двух ламелей, закрепленных на роторном валу и двух щеток, выполняющих функцию токосъемных контактов (обеспечивают подачу постоянного тока на ламели). Принцип работы такой:
- ротор вращается, меняя направление тока;
- когда якорь совершает поворот на 180 градусов, ламели меняются местами;
- при смене позиций пластин меняется и направление тока, и (соответственно) полюсы магнита;
- одноименные полюсы, подчиняясь законам физики, взаимно отталкиваются – катушка вращается, ее полюсы притягиваются к противоположным полюсам на другой стороне магнита.
Статор электрического двигателя
Статор – стационарный или неподвижный блок электродвигателя. Другое название – индуктор. Он включает несколько обмоток со сменяемой полярностью (при прохождении переменного тока), что и обеспечивает образование магнитного поля. В большинстве случаев статор имеет 2 пары основных полюсов, но может включать и вспомогательные для лучшего переключения ротора на коллекторе.
Классификация электродвигателей
Электрические двигатели делятся на 2 большие группы:
• постоянного тока, которые, в свою очередь, подразделяются на бесщеточные и с щетками.
• переменного тока, которые могут быть универсальными, индукционными или синхронными.
Электрические преобразователи постоянного тока со щетками имеют 4 системы возбуждения:
1. последовательная, где у ДТП значительный начальный момент;
2. параллельная: в таком моторе обмотки статора и якоря соединены параллельно. Скорость вращения подвижной части от нагрузки не зависит;
3. от постоянных магнитов: отличается небольшими габаритами;
4.с мешанное возбуждение: здесь электромагнит разделен на 2 части. Первая подключена параллельно обмотке якоря, вторая — последовательно. Применяется в механизмах, где требуется высокий момент трогания.
Принцип работы асинхронного двигателя
В наиболее простом типе электродвигателя магнитное поле создается обмотками стартера. Концы обмотки выходят к клеммной колодке. Статор охлаждается вентилятором, который располагается в торце электромотора.
Ротор в электродвигателе асинхронном — короткозамкнутый. Он состоит из стержней, замыкающихся между собой. Такая конструкция электродвигателя обеспечивает надежность ротора и его долговечность, так как нет необходимости постоянно менять токопередающие щетки.
Асинхронные моторы в основном ломаются из-за износа подшипников. В этом типе двигателей есть несоответствие скорости вращения мотора и частоты магнитных полей. Напряжение индуцируется переменными магнитными полями катушки статора двигателя. Чтобы асинхронный электродвигатель работал, ротор должен вращаться медленнее, чем магнитные поля неподвижной части.
В обмотках мотора вращение магнитных полюсов происходит постоянно. На скорость вращения подвижной части оказывает влияние количество полюсов. Она будет одинаковой у подвижной части и магнитного поля при двух полюсах. Чтобы понизить скорость вала вдвое, нужно увеличить количество полюсов вчетверо. Устройство и принцип работы электродвигателя асинхронного типа просты, поэтому изделия доступны в ценовом плане. Главный их недостаток — регулирование скорости движения вала происходит только за счет изменения частот электрического тока.
Принцип работы синхронного двигателя
Электрические машины данного типа имеют следующие преимущества:
• менее чувствительны к скачкам напряжения;
• отличаются хорошей сопротивляемостью к перегрузкам;
• поддерживают постоянную скорость ротора.
Однако недостаток синхронных двигателей в том, у ни х достаточно сложная конструкция. Также они оказываются невыгодными при низкой мощности (до 100 Вт).
Электродвигатели переменного тока
Синхронные электродвигатели переменного тока широко применяются в приборах, используемых в быту. Здесь ротор имеет постоянную скорость, которую можно регулировать. Синхронные двигатели, питание которых осуществляется переменным током, применяют там, где скорость вращения должна быть более 3 000 оборотов в минуту. Регулировка производится изменением подаваемого напряжения. Разберемся, как работает электродвигатель переменного тока.
Вращение ротора происходит при контакте тока якоря с магнитным потоком в обмотке возбуждения. Меняется магнитный поток при изменении движения переменного тока. Таким образом происходит одностороннее вращение.
Синхронные двигатели переменного тока применяются в пылесосах, соковыжималках, стиральных машинах, различных электроинструментах, в насосах и так далее.
Электродвигатели постоянного тока
Электродвигатели постоянного тока широко применяются в промышленном оборудовании. Отличаются от преобразователей переменного тока высоким КПД (коэффициентом полезного действия) — на 15% выше. У них простая схема управления благодаря использованию микроприводов. Все это позволяет изготавливать электродвигатели постоянного тока небольших размеров.
Электрические машины постоянного тока отличаются высоким начальным моментом. Их используют в оборудовании, где предусматривается запуск под большой нагрузкой. В основном это тяговые и электроподъемные механизмы. Они применяют там, где требуется постоянство механического момента. Используются как двигатель и генератор.
Двигатели универсальные
Универсальные двигатели могут работать от источников постоянного и переменного тока. Их применяют в маломощных приборах и мелкой бытовой технике.
Отличительная черта универсальных двигателей — их строение. Магнитная система представляет собой секции, изолированные друг от друга. Обмотка разделена на две части. При подаче тока от источника переменного напряжения он поступает только в одну половину. Описанный принцип работы электродвигателя необходим для снижения радиопомех.
Универсальные моторы могут развивать скорость свыше 10 000 оборотов в минуту. Скорость можно регулировать без необходимости использования дополнительных устройств. К недостаткам этого вида электродвигателей можно отнести лишь следующие:ограниченная мощность и необходимость периодического технического обслуживания коллекторного узла.
Электродвигатель
Рассмотрим техническое применение физических закономерностей (взаимосвязь магнитных и электрических явлений) на модели электродвигателя (рис. (1)).
Со стороны магнитного поля на вертикальные участки рамки будут действовать силы (F), направленные перпендикулярно току в рамке. Поскольку в вертикальных участках рамки ток имеет противоположное направление (в левой части рамки — вниз, а в правой — вверх), то и силы, действующие на вертикальные участки рамки, будут одинаковы по модулю, но противоположны по направлению (слева — вперёд, к наблюдателю, а справа — назад, от наблюдателя).
Действие равных по модулю, но противоположных по направлению сил на рамку приведёт к повороту рамки на (180)° против часовой стрелки, если смотреть на неё сверху.
Если каким-либо образом в этот момент изменить направление тока в рамке в другую сторону, то рамка сделает ещё пол-оборота против часовой стрелки. Таким образом, изменяя направление тока в рамке на противоположное каждые пол-оборота, можно заставить рамку вращаться в одну и ту же сторону.
Рассмотрим насаженную на вертикальную ось прямоугольную рамку (ABCD). Рамка представляет собой небольшое количество витков изолированного провода (рис. (2)). Концы провода соединяются с полукольцами (2).
Для соединения рамок с электрической цепью полукольца прижимаются к металлическим пластинам, которые называют щётками. Одна из щёток соединена с положительным полюсом источника, вторая соединена с отрицательным полюсом источника напряжения.
Так как за направление тока принимают движение от положительного полюса к отрицательному полюсу, то на участках проводника (AB) и (CD) токи противоположны по направлению. Поэтому силы, действующие на стороны рамки (AB) и (CD) направлены в противоположные стороны, что и вызывает поворот рамки (в данном случае по часовой стрелке). Так как к рамке присоединены полукольца, то и они тоже повернутся и образуют контакт уже с другой щёткой. При этом ток начнет протекать в другую сторону. Силы, возникающие при этом, будут продолжать вращать рамку в прежнем направлении (по часовой стрелке).
Вращение катушки с током в магнитном поле используется в устройстве электрического двигателя.
В технике применяют электродвигатели, обмотка которых содержится большое количество витков проволоки, которые размещаются в специальных прорезях железного цилиндра — ротора двигателя (рис. (3)). Иногда его называют якорем. Он служит для усиления магнитного поля, возникающего при протекании тока по виткам проволоки.
Магнитное поле, в котором вращается ротор двигателя, создаётся статором, который также является сильным электромагнитом. Питание электромагнита осуществляется от того же источника тока, что питает обмотку ротора. Внутри ротора проходит металлический вал — он по сути является осью вращения. Этот вал соединяется с механизмом, который нужно привести во вращение. И во время поворота якоря начинает вращаться весь механизм.
Электродвигатели постоянного тока чаще всего можно встретить в транспорте — троллейбусы, трамваи, метро) или в промышленности (подъёмные краны, станки металлопроката).
При работе с легковоспламеняющимися веществами, например, с бензином или нефтью, используются безыскровые электродвигатели. Такие двигатели ставят в насосах нефтяных скважин и бензоколонках.
Кроме электродвигателей постоянного тока используют электродвигатели переменного тока. Они есть в каждой квартире, как составная часть стиральной машины, холодильника, пылесоса.
Почему все большее и большее используют электродвигатели? Это связано с их размерами (они меньше, чем тепловые аналоги той же мощности), но самое главное преимущество связано с воздействием на окружающую среду. Электродвигатели не выделяют выхлопные газы и дым. Например, электромобиль (начиная с производства комплектующих частей) за срок службы оказывается в 5-7 раз экологичнее, чем его аналог с тепловым двигателем. Мощности электродвигателя позволяют достичь высоких КПД.
Условное обозначение электродвигателя на электрических схемах представлено на рисунке (4).
Борис Семёнович Якоби, русский учёный, считается одним из первых изобретателем электрических двигателей.
Отрицательным свойством любого двигателя является именно потеря энергии в виде рассеивания тепла, что приводит к перегреванию атмосферы при большом количестве двигателей.
Другие новости
Тормозную катушку можно подобрать под разные варианты питающего напряжения. Ток на нее подается черезблок управления тормозом, который размещается.
Micropilot FMR20 — простое решение для измерения уровня жидкостей, это бюджетный радарный уровнемер для работы с жидкостями, имеющими высокую.
ЧЕРВЯЧНЫЕ РЕДУКТОРЫ ДЛЯ АГРЕССИВНЫХ СРЕД И ВЫСОКИХ ГИГИЕНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ
Поверхности устройств линии Clean Duty от компании Motovario.
Синхронные двигатели переменного тока
Как и в асинхронных электродвигателях, вращение ротора в синхронных машинах достигается взаимодействием полей ротора и статора. Скорость вращения ротора таких электрических машин равна частоте магнитного поля, создаваемого обмотками статора.
Обмотка неподвижной части двигателя рассчитана на питание от трехфазного напряжения. К электромагнитам ротора подключается постоянное напряжение. Различают явнополюсные и неявнополюсные обмотки. В синхронных двигателях малой мощности используют постоянные магниты.
Запуск и разгон синхронной машины осуществляется в асинхронном режиме. Для этого на роторе двигателя имеется обмотка конструкции “беличья клетка”. Постоянное напряжение подается на электромагниты только после разгона до номинальной частоты асинхронного режима. Синхронные двигатели имеют следующие особенности:
- Постоянная скорость вращения при переменной нагрузке.
- Высокий к.п.д. и коэффициент мощности.
- Небольшая реактивная составляющая.
- Допустимость перегрузки.
К недостаткам синхронных электродвигателей относятся:
- Высокая цена, относительно сложная конструкция.
- Сложный пуск.
- Необходимость в источнике постоянного напряжения.
- Сложность регулировки скорости вращения и момента на валу.
Все недостатки электрических машин переменного тока можно исправить установкой устройства плавного пуска или частотного преобразователя. Обоснование выбора того или иного устройства обусловлено экономической целесообразностью и требуемыми характеристиками электропривода.
Универсальные двигатели
В отдельную группу выделяют универсальные электродвигатели, которые могут работать от сети переменного тока и от источников постоянного напряжения. Они используются в электроинструментах, бытовой технике, а также других маломощных устройствах. Конструкция такой электрической машины принципиально не отличатся от двигателя постоянного тока. Главное отличие – конструкция магнитной системы и обмоток ротора. Магнитная система состоит из изолированных друг от друга секций для снижения магнитных потерь. Обмотка ротора такой машины поделена на 2 части. При питании от переменного тока напряжение подается только на ее половину. Это делается в целях снижения радиопомех, улучшения условий коммутации.
К преимуществам таких машин относятся:
- Высокая скорость вращения. Универсальные электродвигатели развивают скорость до 10 000 об/мин и более.
- Питание от переменного и постоянного напряжения. Двигатели такого типа широко применяют для электроинструментов, имеющих дополнительные аккумуляторные батареи.
- Возможность регулирования скорости без использования дополнительных устройств.
Однако, такие электромашины имеют свои недостатки:
- Ограниченная мощность.
- Необходимость обслуживания коллекторного узла.
- Тяжелые условия коммутации при питании от переменного напряжения из-за наличия трансформаторной связи между обмотками.
- Электромагнитные помехи при подключении к сети переменного тока.
Каждый тип двигателя имеет свои достоинства и недостатки. Выбор электрической машины для привода любого оборудования делается исходя из условий эксплуатации, требуемой частоты вращения, экономической целесообразности, типа нагрузки и других параметров.
Электромагнитная индукция
В 1831 г. английский исследователь Майкл Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток, который он назвал индукционным током.
Один из экспериментов Фарадея выглядел следующим образом: при перемещении полосового магнита внутри катушки с витками проводника (туда — обратно) регистрировался электрический ток в цепи, к которой изначально не подключались внешние источники тока.
Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, проходящего через сечение контура, было названо электромагнитной индукцией (ЭМИ). Появление тока в контуре говорит о том, что имеется ЭДС индукции (электродвижущая сила), заставляющая электроны двигаться упорядоченно.
Для вычисления величины тока была введена новая физическая величина, названная магнитным потоком Ф. Для плоского контура, помещенного в однородное магнитное поле, эта величина по определению равна:
B — магнитная индукция;
S — площадь контура;
α — угол между направлением (вектором) B и нормалью к поверхности рамки.
ЭДС и ток индукции появляются только в том случае, если величина Ф меняется со временем. Если Ф = const, то и I = 0. Если магнитное поле постоянное, то изменения потока Ф во времени можно добиться движением рамки. Например, вращение рамки в постоянном однородном поле будет все время сопровождаться изменением магнитного потока. Второй способ состоит в изменении величины B. Так в эксперименте Фарадея индукционный ток в катушке из металлического провода возникал, когда магнит двигался внутри катушки, что создавало переменный характер магнитной индукции B.
Как устроен электрический двигатель
Открытие Фарадея дало возможность инженерам всех стран использовать ЭМИ для создания электрического двигателя. Типичный электрический двигатель состоит из следующих основных частей:
- Статор — неподвижный электромагнит (набор катушек с сердечниками), который создает магнитное поле внутри двигателя;
- Ротор — набор катушек, закрепленный на валу, который вращается после включения. Ротор электродвигателя также называют якорем. В обмотках якоря наводится ЭДС индукции, в результате чего якорь начинает крутиться и передавать вращающий момент на вал двигателя;
- Коллектор — изолированные друг от друга медные пластинки-контакты, присоединенные к концам катушек;
- Щетки — неподвижные прижимные контакты (графитовые или медно-графитовые), с большой частотой замыкающие и размыкающие пластинки-контакты коллектора.
Так происходит преобразование электрической энергии в механическую, которая затем используется в приборах, станках, автомобилях, медицинской, космической технике и т.д.
КПД электрических двигателей достигает 90%. Рекордные значения превышают и эту величину. Таких КПД не имеют двигатели других типов. Напомним, что КПД двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин не превышает 40-50%.
Электрические двигатели обладают массой преимуществ. Они имеют меньшие размеры по сравнению с тепловыми двигателями такой же мощности. Работа электродвигателей не ухудшает экологию, т.к. у них отсутствуют выбросы вредных газов и дыма. Их не нужно постоянно заправлять топливом. Одним из самых перспективных проектов в мире считается создание электромобиля, что позволит, после его успешной реализации, значительно улучшить экологию городской среды и сократить невосполнимые потери нефтепродуктов.
Первый вариант электрического двигателя, пригодный для практического использования, был изобретен российским инженером Борисом Якоби в 1834 г. Ему удалось довести мощность своего устройства до 550 Вт, что позволило использовать его в качестве лодочного мотора, а позднее и на железнодорожном транспорте.
