1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое электрический двигатель определение

Электрический двигатель: виды и характеристики

Одним из наиболее эффективных способов преобразования природных энергий является вращение. Используя его с незапамятных времен, Человечество сумело поставить себе на службу, например, ветер и текущую воду. В середине XIX века, когда был изобретен первый электродвигатель постоянного тока, пришел черед и электричества. О том, что такое электродвигатель и как он работает, пойдет речь в этой статье.

Физическая сущность электродвигателя

Это машина, вал которой вращается в результате взаимодействия постоянных или переменных магнитных полей. Классификация электродвигателей напрямую зависит от типа тока, который течет по его обмоткам. Они бывают:

  • постоянными;
  • переменными.

Это одно из наиболее эффективных устройств среди всех, которые были созданы за тысячелетия развития цивилизации: КПД электродвигателя достигает 99 процентов. Обладает он и еще одним, чрезвычайно полезным свойством: из потребителя электроэнергии может стать ее производителем.

Двигатели постоянного тока

Майкл Фарадей, английский физик, официальный изобретатель электрической машины постоянного тока, нашел практическое применение эффекту отталкивания одноименных полюсов магнита, который известен даже младшим школьникам. Он выяснил, что если согнутый в виде рамки проводник, по которому течет постоянный ток, поместить магнитное поле, то он стремится повернуться так, чтобы одноименные полюса совпали.

Вообще-то, гениальный англичанин создавал негальванический источник постоянного тока. Он состоял из неподвижного магнита U-образной формы, между полюсами которого находился край бронзового диска, вращаемого вручную. К поверхности диска прислонен проводник – так, чтобы он мог скользить по ней. Его подключили к плюсовой клемме. Во время вращения диска между плюсовой клеммой и землей измерялась ЭДС величиной в десяток вольт. Одновременно было замечено, что если подать на плюсовую клемму напряжение извне, то диск делал половину оборота самостоятельно. Последовательная же смена полюсов приводила его в движение.

Позже было установлено, что диск можно заменить на несколько витков токопроводящего материала. А чтобы получить непрерывное вращение, в устройство электродвигателя такого типа надо ввести особый элемент – коллектор. Это медное кольцо, разделенное на две половинки диэлектриком. По нему скользят концы питающих проводников, которые назвали щетками. Каждая из половинок этого кольца соединена с обмоткой, являющейся самостоятельным электромагнитом со своим полюсом. В момент поворота коллектора происходит смена полюсов, что и провоцирует непрерывное вращение.

Подвижный элемент двигателя постоянного тока получил название ротора или якоря. А неподвижный – статора. В последующем эту терминологию распространили и на машины переменного тока.

При малых мощностях было достаточно устанавливать постоянный магнит. Однако для ее увеличения необходима его замена на несколько независимых электромагнитов – катушек, подключенных к источнику постоянного тока. Поскольку именно она является причиной вращения ротора и вала двигателя, ее назвали обмоткой возбуждения. Это потребовало увеличить и количество обмоток (полюсов) на якоре и, как следствие, разбить кольцо коллектора не на два, а на гораздо большее количество токопроводящих участков.

Обмотку возбуждения можно подключить и параллельно обмотке якоря, и последовательно с ней. Поэтому электродвигатели постоянного тока бывают двух типов:

  1. С параллельным возбуждением. Можно регулировать частоту вращения. Используется для привода станков, требующих постоянства скорости вращения.
  2. С последовательным возбуждением. Регулируется момент вращения (мощность). Используется в тяговых приводах.

Достоинством электрических машин этого типа является то, что ими очень просто управлять: для изменения скорости вращения достаточно изменить силу тока в цепи якоря или статора. Реверс электродвигателя осуществляется переключением полюсов питающего напряжения. Кроме того, из них наиболее просто можно сделать генератор, для этого не потребуется никаких конструктивных переделок, все выводы обмоток уже имеются.

К недостаткам стоит отнести большой вес и сложность машины, поскольку требуется устройство обмоток и на статоре, и на роторе. Однако с этим мирятся, поскольку вращающий момент двигателя постоянного тока наиболее высок, как и его КПД. Это объясняется тем, что магнитные потоки вращаются практически синхронно, с очень малым отставанием друг от друга.

Синхронные электрические машины чаще всего используются в качестве тяговых: на транспорте, крановые электродвигатели. Они безразличны к переменным нагрузкам и даже приветствуют реверсирование. Самый мощный электродвигатель постоянного тока приводит в движение атомный ледокол «Арктика».

Двигатели переменного тока

Изменение направления движения заряженных частиц позволяет получить, при соблюдении условия сдвига фаз, вращающееся магнитное поле. На нем основан принцип действия электродвигателя переменного тока. Его конструкция как бы вывернута наизнанку по отношению к машинам постоянного тока: питающее напряжение подается не на коллектор якоря, а на статорную обмотку.

Из-за механической и электрической инерционности якорь трогается с места не сразу, а спустя некоторое время (субъективно оно незаметно) и как бы пытается догнать магнитное поле в статорной обмотке. Рассогласование фаз достигает 18 градусов, поэтому такие электрические машины называются асинхронными, а их КПД ниже (оно не бывает более 85 процентов), чем синхронных.

По типу конструкции якоря асинхронные двигатели бывают двух типов:

  1. С короткозамкнутой обмоткой. Она состоит из двух колец и соединяющих их медных проводников. По форме напоминает «беличье колесо». Благодаря простоте применяется наиболее широко, однако в момент начала движения вала провоцирует короткое замыкание, из-за чего пусковые токи выше номинальных в два-три раза.
  2. С фазной обмоткой. Три независимых катушки, соединенных звездой, их концы припаяны к сплошным кольцам на конце вала. Используется в электродвигателях большой мощности, когда требуется плавный пуск с минимальным падением напряжения. По мере разгона вала напряжение на якоре снижают.

Машины переменного тока проще и легче, они хорошо выдерживают критические нагрузки на валу, но не лишены недостатков:

    • сложно регулировать частоту вращения, для этого надо в цепь питания включать преобразователи частоты;
    • лучше всего работают в режиме максимальных нагрузок, в режиме холостого хода снижают КПД;
    • зависят от качества питающего напряжения.

Питание асинхронных двигателей

Первые практические опыты применения многофазных токов осуществлялись изобретателем Николой Тесла, он создал генератор с двумя обмотками на статоре, расположенными под углом в 90 0 друг к другу. Более стабильные результаты по току и напряжению дал генератор трехфазный, который был изобретен русским инженером М.О. Доливо-Добровольским. В нем статорные обмотки сдвинуты на 120 0 .

Сдвиг фаз на 90 или 120 градусов порождает вращающееся магнитное поле без дополнительных конструкторских ухищрений. Если же машину переменного тока надо питать от однофазной сети, то его создают принудительно. Для этого в клеммной коробке трехфазного двигателя шесть выводов обмоток соединяют по схеме «треугольник», а между двумя любыми входными зажимами устанавливают электролитический конденсатор большой мощности, обеспечивающий нужный угол смещения фаз. Изменение скорости вращения невозможно. Для реверсирования необходимо переподключить реактивную нагрузку.

Однофазные двигатели, имеющие две последовательно включенные статорные обмотки, без включения между ними реактивной нагрузки так же не работают. Если при включении двигатель только «мычит», немедленно обесточьте его и проверьте исправность цепи конденсатора, иначе вы рискуете сжечь обмотки большими пусковыми токами. Управление ими невозможно.

Гибридные конструкции

Сложность управления двигателями переменного тока подвигла инженеров-электриков на создание гибридных конструкций. Это так называемые синхронные машины, в которых ротор движется, не отставая от вращающегося магнитного поля.

Трехфазные синхронные машины

Статор состоит из трех обмоток со сдвигом в 120 0 . На них подается трехфазное переменное напряжение. Ротор имеет несколько обмоток, но их концы выведены на токосъемный коллектор, поделенный диэлектрическими прокладками на сектора. Посредством графитовых щеток на него подается постоянное напряжение. Для постоянного магнита суммарный сдвиг фаз в 360 0 – это тот же ноль. Чтобы вал электродвигателя начал вращаться, его надо подтолкнуть – вручную, механическим (ДВС) или электрическим устройством. После набора номинальных оборотов инициирующее устройство останавливают. В итоге машина питается широко распространенным переменным, но имеет положительные свойства двигателя постоянного тока: стабильность оборотов, высокий КПД и, главное, возможность регулирования частоты вращения в широких пределах.

Читать еще:  Что такое регенеративная энергия двигателя

Однофазные синхронные машины

Это так называемый универсальный коллекторный двигатель. По факту – та же машина постоянного тока, но питающаяся от бытовой сети переменного. Две статорных обмотки включены последовательно с якорем посредством графитовых щеток, поэтому полюса меняются одновременно и вращающий момент не меняет направления. Двигатель подключается к бытовой сети напрямую, не вызывает падения напряжения при запуске и не требует времени на разгон для достижения номинальной мощности. Он обладает мягкой нагрузочной характеристикой, поддается регулировке и по частоте, и направлению вращения. Используется в ручном электрифицированном рабочем инструменте, стиральных машинах.

Нагрузочное поведение электродвигателей

Номинальная мощность электродвигателя обычно указывается на шильдике, прикрепленном к его корпусу. Однако нагрузочное поведение машин постоянного и переменного тока существенно разнится. Так же, как и способ достижения паспортных значений этого параметра.

Двигатели постоянного тока номинальные обороты набирают плавно. Величина вращающего момента на их валу зависит, прежде всего, от напряженности магнитного поля. Поэтому для повышения отдачи увеличивают количество витков в катушках статора и ротора. Кроме того, регулировать частоту вращения можно, изменяя величину напряжения или тока в обмотке возбуждения.

Асинхронные машины переменного тока выходят на номинальные обороты резко, нередко за доли секунды, и стараются держаться на них независимо от уровня нагрузки, увеличивая силу тока в обмотках. Быстроходные, развивающие большое количество оборотов, используются в малонагруженных, но производительных приводах. Количество витков в обмотках у них большое, а сечение провода невелико, поэтому из-за большого удельного сопротивления по нему течет ток малой силы. Катушки же тихоходных, тяговых, наматываются проводом большого сечения, по которым течет ток большой силы.

Знание того, как работает электродвигатель, поможет вам сделать правильный выбор при создании приводов различного назначения. Однако и простое знакомство с устройством, коэффициент полезного действия которого близок к ста процентам, будет весьма полезным для общего развития.

Что такое электрический двигатель?

Электродвигатели у нас сейчас повсюду. Как правило, там, куда мы даже и не заглядываем. Если автомобиль — это в большой степени для нас мотор на четырех колесах, который мы любим, знаем его характер и капризы, знаем, что ему нужно и как его содержать и с ним ладить, то электродвигатели обычно прячутся в самой разнообразной технике. Холодильник для нас — всего лишь холодильник. Лифт — пустая, чистая (в меру) комнатенка для подъема нас на наш родной этаж. Трамвай — эдакое место сборища и общения с громом, лязгом и плывущими панорамами за окном.

Во всех этих случаях мы, конечно, знаем, что там где-то внутри или далеко установлен электродвигатель, а то и не один, и он как раз и выполняет свою работу. Только когда что-то пошло не так, все остановилось и замерло, мы никогда не заподозрим именно его в отказе нас обслуживать. И, засучив рукава, не полезем внутрь снимать свечи, крутить жиклеры, интересоваться подачей топлива и прочее. Ответ обычно один — отключили электроэнергию. И как только она вернется, электродвижок сразу скромно и безотказно продолжит свою работу ровно с того места, где напасть его застала и остановила.

История

Электродвигатель изобрели очень давно — по меркам нынешнего технического прогресса — еще в начале XIX века. Майкл Фарадей, известный экспериментатор с магнитами и электрическим током в проводе, получил самое первое устройство преобразования тока в движение, случайно приладив рамочку с проводом на оси в поле постоянного магнита. Рамочка (или катушка с проводом) убегает в поле при включении тока, вот чтобы она «далеко не прыгала», ее заставили двигаться по кругу. Аналогичная система фиксации, только с помощью пружинки, привела к созданию электромагнитов и всего семейства устройств возвратно-поступательного движения: электромагнитных реле, электрозвонков и так далее.

Рамка проводника в поле проворачивалась на некоторый угол. Ну и придумали, как подать на нее электрическое напряжение так, чтобы после поворота ток в ней менял направление на обратное. Рамочка начала движение постоянное, хотя и «рывками», и это можно считать самым первым электродвигателем, а случилось это в 1821 году.

Называют такой двигатель электродвигателем постоянного тока. Это не совсем точно, потому что коллектор со щетками — контактная механическая прибамбаса, подающая ток на рамку — этот ток как раз прерывает, и уже в рамочке он всякий раз при вращении меняет направление. Хотя на сам двигатель напряжение подается именно постоянное, ну а другого тогда и не было. Для опытов брали постоянное напряжение от первых аккумуляторов — вольтова столба.

Потом заметили, что и сама рамка провода в электрическом поле, если ее «насильственно» вращать, начинает вырабатывать напряжение. Это назвали «электромагнитной индукцией». Забавляясь теперь с новой «игрушкой», обнаружили, что по мере вращения рамочки напряжение на ее концах плавно меняется, и, таким образом, открыли возможность генерации переменного тока.

И вот уже потом сообразили, как переменным током вращать ту же самую рамочку, и даже без контактных искрящих прибамбасов. Вот так и получились двигатели переменного тока, и произошло это уже в 80-е годы XIX века.

В настоящее время используются электродвигатели и постоянного, и переменного тока, разумеется, прошедшие уже порядочный путь совершенствования.

Электродвигатели постоянного тока

Машина, преобразующая электричество в механическую энергию, изобретенная первой, и понятна всем лучше. Хотя, при более подробном рассмотрении, оказывается, что двигатели переменного тока сделаны часто явно проще и остроумнее, хотя и не без своих, присущих именно им, недостатков.

В двигателях постоянного тока все пошло от постоянных магнитов, установленных на неподвижном основании двигателя и вращающейся в их поле рамки. Теперь неподвижная часть называется статор (магниты заменены электромагнитами), а подвижная часть — якорь. В якоре не одна обмотка, а несколько. По аналогии с двигателем внутреннего сгорания это как разные поршни, толкающие все по очереди один и тот же коленвал. Разные обмотки в якоре тоже сдвинуты относительно друг друга на некоторый угол, и совместное их действие делает движение вала более плавным и равномерным. Все закономерно и предсказуемо.

Но существуют и варианты:

  • возбуждение от постоянных магнитов;
  • с различными схемами соединения обмоток якоря и статора;
  • бесколлекторный двигатель, в котором специальная схема отслеживает положение ротора и соответственно этому управляет магнитным полем статора.

Достоинства и недостатки

  • Самое главное преимущество двигателя постоянного тока — это то, что в нем легко и естественно происходит управление скоростью. Собственно говоря, двигатель создает момент вращения, пропорциональный приложенному напряжению. Этот момент вращает якорь двигателя с некоторой скоростью холостого хода. При наличии нагрузки на валу двигателя скорость вращения уменьшается, и, увеличив напряжение реостатом, можно добиться нужной скорости вращения. Так это и делается, например, в трамвае или троллейбусе.
  • Другой практический плюс у электродвигателя постоянного тока — это большой пусковой момент.
  • Компактность и простота конструкции дают таким двигателям широкое распространение. Двигатели постоянного тока очень удобны при питании от батареек и в различных миниатюрных приборах — компьютерах, игрушках и т.д.
  • Как обратимые машины, двигатели постоянного тока могут использоваться и в режиме генерации. то есть утилизации двигательной инерции, например, транспортных средств.

Слабым местом электродвигателя постоянного тока является его коллектор. Это контактное устройство, подверженное постоянному трению и износу. Кроме того, прохождение тока вызывает искрение и дополнительный износ коллектора и щеток.

Такое свойство конструкторы постарались преодолеть, создав бесколлекторный двигатель постоянного тока. В этом случае получилось замещение одного минуса другим — бесколлеторный двигатель получил теперь большую сложность и дороговизну.

Электродвигатели переменного тока

Электродвигатели переменного тока никак не могли появиться раньше, чем научились генерировать переменный ток, от которого они и питаются.

Читать еще:  Что происходит при отказе у самолета всех двигателей

Переменное напряжение

Генерация получилась, когда всяко-разно пытались скомбинировать все те же компоненты: рамку проводниковую и постоянный магнит. Наилучший и наиболее показательный вариант получился, когда рамку установили постоянно, а вращать принялись магнит в середине нее.

Полученный прибор порадовал, главным образом, отсутствием устройства, которое должно снимать напряжение с вращающихся проводников — коллектора. При вращении магнита на неподвижных контактах рамки действительно появилось напряжение, только поначалу непривычное — переменное, строго синусоидальное и с частотой, прямо зависящей от скорости вращения.

Ну и оказалось, что переменный синусоидальный ток можно преобразовывать обратно в движение, не заботясь совсем о его выпрямлении. А просто изготовив двигатель переменного тока.

С тех пор у нас и началась эпоха сетей переменного тока, постепенно охватившего всю страну и всю планету. В коей мы сейчас благополучно и существуем.

Разновидности двигателей переменного тока

Так как ток у нас переменный синусоидальный, то следует и ожидать, что ротор двигателя на нем будет вращаться с его частотой синхронно или не совсем. Поэтому и двигатели переменного тока бывают синхронные и асинхронные.

Кроме того, переменный ток бывает однофазный и многофазный. Соответственно, и двигатели переменного тока могут быть рассчитаны на определенное количество фаз.

Самый главный принцип двигателей переменного тока — это то, что ротор заставляет двигаться электромагнитное поле, «бегущее» по кругу по неподвижным катушкам статора. Это достигается благодаря тому, что напряжение, питающее двигатель, переменное, и если соответствующим образом и в соответствующем порядке подключить обмотки, то такое поле и заставит крутиться ротор вслед за своим (поля) движением. Весь вопрос в том, как хорошо ротор будет успевать крутиться.

Синхронный двигатель переменного тока

У синхронного двигателя ротор вращается синхронно с изменением электромагнитного поля в статоре. То есть пропорционально частоте напряжения в сети. Пропорция зависит от количества полюсов обмоток на статоре. Если полюсных обмоток всего две — одна сверху и одна снизу — то движение ротора будет строго синхронно частоте напряжения питания. Если количество катушек (обмоток) увеличить вдвое, то и скорость вращения увеличится вдвое, так как магнитное поле в обмотках будет бежать по ним вдвое быстрее.

В роторе могут быть установлены постоянные магниты, но при этом большой мощности двигателя добиться трудно. Поэтому и в роторе используются электромагниты, на обмотки которых подается отдельное напряжение возбуждения. Для этого используют коллектор и щетки, почти такие же, как у двигателя постоянного тока. А для создания напряжения возбуждения может быть использован отдельный генератор постоянного тока, насаженный на ту же ось. В этом случае можно обойтись и без коллектора, а подавать напряжение возбуждения с одного вращающегося ротора (генератора) на другой (двигателя).

Как видим, система получается довольно замысловатой.

Самое главное преимущество таких двигателей — синхронность.

Недостаток — плохой запуск двигателя. Для этого может быть использован режим асинхронной работы, и тогда при достижении «подсинхронной» скорости» производится переключение в синхронный режим.

Асинхронный двигатель переменного тока

Асинхронный двигатель использует в роторе короткозамкнутые обмотки, в которых наводится напряжение возбуждения, и уже это напряжение и толкает ротор, заставляя его двигаться вслед за бегущим по обмоткам статора круговым «волнам» магнитного поля от переменного тока, приложенного к обмоткам. Обмотки в роторе часто называют «беличьей клеткой», и они действительно на нее похожи.

Ротор разгоняется «почти» до состояния синхронизации, но идеального совпадения быть не может, так как если скорость ротора равна скорости вращения поля, то в «беличьей клетке» наводка напряжения возбуждения станет невозможна. Поэтому асинхронные двигатели так и работают: сначала «почти» догоняют синхронную скорость, потом «проскальзывают», и скорость падает.

Постепенно ротор принимает некоторую скорость вращения, слегка отличающуюся от синхронной скорости. И так и работает дальше. При изменении нагрузки на валу меняется и это рассогласование — если нагрузка больше, оно увеличивается, если меньше — уменьшается.

Ну и используются асинхронные двигатели там, где точная скорость вращения не критична, например, в вентиляторах.

Несомненным плюсом является простота двигателя, отсутствие коллекторной системы, умение хорошо разгоняться.

Минусом, кроме неточности скорости, является свойство обмоток «беличьей клетки» сильно греться во время работы, и тем больше, чем больше нагрузка.

Поэтому беличью клетку и выполняют с радиаторными ребрами и крыльчатками для охлаждения.

Типы электродвигателей

от admin 09.04.2020, 21:17 325 Просмотры

Современный мир сложно представить без электродвигателей. Экологичные, эффективные, компактные моторы устанавливают в автомобильный и железнодорожный транспорт, станки, бытовое и промышленное оборудование, инструмент. При выборе модели электродвигателя учитывают конструктивные особенности, от которых зависят мощностные характеристики электропривода, уровень производимого шума, эксплуатационные характеристики.

Что такое электродвигатель

По сути, это машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Происходит вращение электрического контура в магнитном поле под силой магнитной индукции. Из определения понятно, что в каждом из двигателей имеется:

  • неподвижный элемент, называемый статором, он создаёт электромагнитное поле;
  • подвижная конструкция (ротор) – это рамка или катушка, на которую действует вращательный момент магнитного поля.

Движение ротора относительно статора бывает:

  • линейным, вернее, возвратно-поступательным, в этом случае ротор и статор располагаются в одной плоскости;
  • вращательным, механическое усилие можно измерить числом оборотов в минуту.

Имея одинаковый принцип преобразования энергии, электродвигатели различаются строением роторной и статорной части, способу создания электромагнитного поля.

Какие бывают электродвигатели

Все электроприводы классифицируют на две основные группы по типу электропитания: работающие от постоянного и переменного тока:

  1. Двигатели постоянного тока устанавливаются на транспорт, буровые установки, грузовые подъёмники, пассажирские лифты, электроинструмент, станки, экскаваторы, другую спецтехнику, где необходимо регулировать скорость вращения приводного вала в большом диапазоне. Моторы отличаются высоким КПД, большой мощностью, нагружаемостью, обычно оснащаются электроникой для управления.
  2. Двигатели переменного тока считаются универсальными, по конструкции проще, чем электродвигатели постоянного тока, надёжны, неприхотливы. В бытовой и промышленной технике, где постоянная нагрузка, устанавливают практичные приводы переменного тока.

Наибольшей популярностью пользуются приводы, подключаемые к стандартной электросети.

Двигатели постоянного тока

Классифицируются по типу коллекторно-щеточного узла и характеру возбуждения.

  • В коллекторных переключение полярности обмоток осуществляется специальным механизмом с контактными щётками, которые быстро изнашиваются, перегреваются, обгорают. К тому же при использовании щёточных контактов возникают искры и электропомехи.
  • В бесколлекторных происходит самосинхронизация частотности крутящего момента, электродвигатели более экономичные, в них нет щёточных контактов.
  • При независимом возбуждении контакты обмотки подключаются к аккумулятору или выпрямителю. Скорость вращения рамки регулируется реостатом, вмонтированным в обмотки возбуждения. Двигатели рассчитаны на небольшую нагрузку, при резком снижении сопротивления выходят из строя.
  • Параллельное подключение ротора и обмотки, возбуждающей электромагнитное поле, практикуется в приводах с жёсткими режимами эксплуатации за счёт разницы силы тока в обмотке и якоре. Двигатель подключают к вентиляторам, продолжительно работающим станкам.
  • Двигатели с последовательным возбуждением рекомендуются для электротранспорта. Электродвигатель запускается только под нагрузкой, не работает на холостых оборотах.
  • Смешанное возбуждение подразумевает монтаж двух обмоток на каждом из полюсов. Отличительный признак такого двигателя – реверсивное движение при смене полярности. Для регулировки в электросхему включают резисторы.
  • Серводвигатели действуют по принципу использования отрицательной обратной связи, способны выдавать высокие обороты. Разработаны для поточных линий, высокопроизводительных станков.
  • Линейные двигатели с возвратно-поступательным движением ротора устанавливаются в прессах, молотах, механизмах подачи. Помогают избежать установки передаточных устройств, червячных передач.

Коллекторно-щёточные узлы в современных моделях модифицированы, для контактов используют износостойкие композиты.

Двигатели переменного тока

Широкий модельный ряд включает моторы, работающие от однофазной и трёхфазной электрической сети.

  • Синхронные отличаются одинаковой частотой вращения магнитного момента и рамки, поэтому работают с постоянной скоростью. Приводы подключают к нагнетателям, компрессорному оборудованию, насосам.
  • В асинхронных разная частота вращения создаётся за счёт фазного и короткозамкнутого подключения возбуждающих обмоток и ротора. За счёт частотной разницы можно регулировать скорость вращения приводного вала.
  • Шаговые двигатели преобразуют электроимпульсы дискретно, с определённым шагом. Моторы при незначительных размерах характеризуются высокой продуктивностью. Устанавливаются в процессорные вентиляторы, другую офисную технику.
Читать еще:  H4dotc что за двигатель

Зная особенности электродвигателей, можно выбрать надёжную бытовую технику или электроинструмент.

Разбираемся в принципах работы электродвигателей: преимущества и недостатки разных видов

Электродвигатели – это устройства, в которых электрическая энергия превращается в механическую. В основе принципа их действия лежит явление электромагнитной индукции.

Однако способы взаимодействия магнитных полей, заставляющих вращаться ротор двигателя, существенно различаются в зависимости от типа питающего напряжения – переменного или постоянного.

Устройство и принцип действия электродвигателя постоянного тока

В основе принципа работы электродвигателя постоянного тока лежит эффект отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов и притягивания разноименных. Приоритет ее изобретения принадлежит русскому инженеру Б. С. Якоби. Первая промышленная модель двигателя постоянного тока была создана в 1838 году. С тех пор его конструкция не претерпела кардинальных изменений.

В двигателях постоянного тока небольшой мощности один из магнитов является физически существующим. Он закреплен непосредственно на корпусе машины. Второй создается в обмотке якоря после подключения к ней источника постоянного тока. Для этого используется специальное устройство – коллекторно-щеточный узел. Сам коллектор – это токопроводящее кольцо, закрепленное на валу двигателя. К нему подключены концы обмотки якоря.

Чтобы возник вращающий момент, необходимо непрерывно менять местами полюса постоянного магнита якоря. Происходить это должно в момент пересечения полюсом так называемой магнитной нейтрали. Конструктивно такая задача решается разделением кольца коллектора на секторы, разделенные диэлектрическими пластинами. Концы обмоток якоря присоединяются к ним поочередно.

Чтобы соединить коллектор с питающей сетью используются так называемые щетки – графитовые стержни, имеющие высокую электрическую проводимость и малый коэффициент трения скольжения.

В двигателях большой мощности физически существующих магнитов не используют из-за их большого веса. Для создания постоянного магнитного поля статора используется несколько металлических стержней, каждый из которых имеет собственную обмотку из проводника, подключенного к плюсовой или минусовой питающей шине. Одноименные полюса включаются последовательно друг другу.

Количество пар полюсов на корпусе двигателя может быть равно одной или четырем. Число токосъемных щеток на коллекторе якоря должно ему соответствовать.

Электродвигатели большой мощности имеют ряд конструктивных хитростей. Например, после запуска двигателя и с изменением нагрузки на него, узел токосъемных щеток сдвигается на определенный угол против вращения вала. Так компенсируется эффект «реакции якоря», ведущий к торможению вала и снижению эффективности электрической машины.

Также существует три схемы подключения двигателя постоянного тока:

  • с параллельным возбуждением;
  • последовательным;
  • смешанным.

Параллельное возбуждение – это когда параллельно обмотке якоря включается еще одна независимая, обычно регулируемая (реостат). Такой способ подключения позволяет очень плавно регулировать скорость вращения и достигать ее максимальной стабильности. Его используют для питания электродвигателей станков и кранового оборудования.

Последовательная – в цепь питания якоря дополнительная обмотка включена последовательно. Такой тип подключения используется для того, чтобы в нужный момент резко нарастить вращающее усилие двигателя. Например, при трогании с места железнодорожных составов.

Двигатели постоянного тока имеют возможность плавной регулировки частоты вращения, поэтому их применяют в качестве тяговых на электротранспорте и грузоподъемном оборудовании.

Двигатели переменного тока — в чем отличие?

Устройство и принцип работы электродвигателя переменного тока для создания крутящего момента предусматривают использование вращающегося магнитного поля. Их изобретателем считается русский инженер М. О. Доливо-Добровольский, создавший в 1890 году первый промышленный образец двигателя и являющийся основоположником теории и техники трехфазного переменного тока.

Вращающееся магнитное поле возникает в трех обмотках статора двигателя сразу, как только они подключаются к цепи питающего напряжения. Ротор такого электромотора в традиционном исполнении не имеет никаких обмоток и представляет собой, грубо говоря, кусок железа, чем-то напоминающий беличье колесо.

Магнитное поле статора провоцирует возникновение в роторе тока, причем очень большого, ведь это короткозамкнутая конструкция. Этот ток вызывает возникновение собственного поля якоря, которое «сцепляется» с вихревым магнитным потом статора и заставляет вращаться вал двигателя в том же направлении.

Магнитное поле якоря имеет ту же скорость, что и статора, но отстает от него по фазе примерно на 8–100. Именно поэтому двигатели переменного тока называются асинхронными.

Принцип действия электродвигателя переменного тока с традиционным, короткозамкнутым ротором, имеет очень большие пусковые токи. Вероятно, многие из вас это замечали – при пуске двигателей лампы накаливания меняют яркость свечения. Поэтому в электрических машинах большой мощности применяется фазный ротор – на нем уложены три обмотки, соединенные «звездой».

Обмотки якоря не подключены к питающей сети, а посредством коллекторно-щеточного узла соединены с пусковым реостатом. Процесс включения такого двигателя состоит из соединения с питающей сетью и постепенного уменьшения до нуля активного сопротивления в цепи якоря. Электромотор включается плавно и без перегрузок.

Особенности использования асинхронных двигателей в однофазной цепи

Несмотря на то, что вращающееся магнитное поле статора проще всего получить от трехфазного напряжения, принцип действия асинхронного электродвигателя позволяет ему работать и от однофазной, бытовой сети, если в их конструкцию будут внесены некоторые изменения.

Для этого на статоре должно быть две обмотки, одна из которой является «пусковой». Ток в ней сдвигается по фазе на 90° за счет включения в цепь реактивной нагрузки. Чаще всего для этого используется конденсатор.

Запитать от бытовой розетки можно и промышленный трехфазный двигатель. Для этого в его клеммной коробке две обмотки соединяются в одну, и в эту цепь включается конденсатор. Исходя из принципа работы асинхронных электродвигателей, запитанных от однофазной цепи, следует указать, что они имеют меньший КПД и очень чувствительны к перегрузкам.

Электродвигатели этого типа легко запускаются, но частоту их вращения практически невозможно регулировать.
Они чувствительны к перепадам напряжения, а при «недогрузе» снижают коэффициент полезного действия, становясь источником непропорционально больших затрат электроэнергии. При этом существуют методы использования асинхронного двигателя как генератор.

Универсальные коллекторные двигатели — принцип работы и характеристики

В бытовых электроинструментах малой мощности, от которых требуются малые пусковые токи, большой вращающий момент, высокая частота вращения и возможность ее плавной регулировки, используются так называемые универсальные коллекторные двигатели. По своей конструкции они аналогичны двигателям постоянного тока с последовательным возбуждением.

В таких двигателях магнитное поле статора создается за счет питающего напряжения. Только немного изменена конструкция магнитопроводов – она не литая, а наборная, что позволяет уменьшать перемагничивание и нагрев токами Фуко. Последовательно включенная в цепь якоря индуктивность дает возможность менять направление магнитного поля статора и якоря в одном направлении и в той же фазе.

Практически полная синхронность магнитных полей позволяет двигателю набирать обороты даже при значительных нагрузках на валу, что и требуется для работы дрелей, перфораторов, пылесосов, «болгарок» или полотерных машин.

Если в питающую цепь такого двигателя включен регулируемый трансформатор, то частоту его вращения можно плавно менять. А вот направление, при питании от цепи переменного тока, изменить не удастся никогда.

Такие электромоторы способны развивать очень высокие обороты, компактны и имеют больший вращающий момент. Однако наличие коллекторно-щеточного узла снижает их моторесурс – графитовые щетки достаточно быстро истираются на высоких оборотах, особенно если коллектор имеет механические повреждения.

Электродвигатели имеют самый большой КПД (более 80 %) из всех устройств, созданных человеком. Их изобретение в конце XIX века вполне можно считать качественным цивилизационным скачком, ведь без них невозможно представить жизнь современного общества, основанного на высоких технологиях, а чего-либо более эффективного пока еще не придумано.

Синхронный принцип работы электродвигателя на видео

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector