На чем основано действие электродвигателя
Принцип работы электродвигателя
Принцип работы электродвигателя
Unfortunately, you are using an outdated browser. Please update your browser to improve performance, quality of the displayed material, and improve security.
Электрический двигатель (коротко – электродвигатель) преобразует энергию тока в механическое движение. Принцип работы устройства основан на магнетизме, что определяет присутствие в конструкции магнитов (постоянных, электромагнитов, материалов с магнитными свойствами).
Виды электродвигателей
По принципу работы электрические двигатели делят на синхронные и асинхронные.
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).
Принцип работы синхронного электродвигателя на видео
Принцип работы асинхронного электродвигателя на видео
Конструкция электродвигателя
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:
Статор электрического двигателя
Принцип работы электрического двигателя
Принцип работы электродвигателя построен на процессах взаимного притяжения и отталкивания одно- и разноименных полюсов магнитов на роторе (находится в движении) и статоре (его магнит неподвижен). В самой простой сборке электродвигателя постоянного тока в роли ротора выступает катушечный узел, а индуктором – сам магнит.
Магнитное поле обеспечивает высокую эффективность работы с одним уточнением, которое формирует сложности устройства механизма. Для обеспечения постоянного движения якоря нужно добиться автоматической смены его полюсов (чтобы притянувшись к противоположному полюсу неподвижного магнита, он сразу менял собственный полюс). Это единственный способ исключить «замирание» якоря и обеспечить его безостановочное движение под действием магнитного поля и инерции.
Магнитное поле электродвигателя
Принцип работы статорного электродвигателя (также называется индукционным) тоже основан на формировании магнитного поля статора. Оно образуется во время прохождения токов через его обмотки. Это поле (вращающееся магнитное) формирует магнитное поле ротора через индукцию токов в обмотках его проводников.
Оно же (статорное поле) создает собственный магнитный поток, при этом наблюдается пропорциональная связь:
Характеристики поля статора зависят от токов, проходящих через обмотки, и числа обмоток фаз. Магнитное поле ротора, в свою очередь, тоже формирует поток, движущийся медленнее потока статора. Оба потока (статора и якоря) взаимно притягиваются, принуждая ротор совершать вращательные движения.
Электрический двигатель постоянного тока (принцип работы синхронного электродвигателя)
Под синхронными электрическими двигателями понимают устройства постоянного тока. Принцип работы такого устройства можно кратко описать 4 пунктами:
Это один цикл. После поворота обмотка якоря снова подпадает под влияние статорного магнитного поля, и ротор снова совершает поворот.
Для непрерывной работы электродвигателя полюса постоянного роторного магнита должны сменять друг друга без остановки. Смена происходит, когда полюс пересекает «нейтраль» (ее еще называют магнитной нейтралью). Чтобы ее (смену полюсов) обеспечить, кольцо коллектора разделяют на сектора диэлектрическими ламелями, к которым поочередено присоединяются края роторных обмоток.
Токосъемные щетки, которые представляют собой графитовые стержни с высокой проводимостью и низким коэффициентом трения при скольжении, необходимы для присоединения коллектора к сети. В качестве магнитов могут применяться физически существующие материалы с высокими магнитными свойствами. Но часто из-за их массы в электродвигателях постоянного тока увеличенной мощности магниты заменяют несколькими металлическими штифтами/стержнями. При этом:
У синхронных электрических двигателей высокой мощности, обслуживаемых постоянным током, есть ряд конструктивных нюансов, ряд из которых проявляется в динамике (во время функционирования устройства). Среди них – смещение щеток роторного коллектора по отношению к валу на определенный угол против его вращения при изменении нагрузки на двигатель. Это необходимо, чтобы компенсировать эффект, называемый реакцией ротора/якоря и предупреждению торможения вала электродвигателя, которое снижает эффективность работы подключенного к нему оборудования.
Способы подключения синхронного электродвигателя
Преимущество синхронных электродвигателей, обеспечиваемое принципом их работы, – поступательное (плавное) регулирование скорости вращения, это обеспечило их высокую эффективность при работе с тягой – на грузоподъемниках и электромашинах. В современной практике применяют 3 схемы подключения электрических двигателей постоянного тока: с параллельным, последовательным и комбинированным возбуждением.
В первом случае вместе (параллельно) с обмоткой ротора запускается дополнительная регулируемая (обычно) обмотка-реостат. Такой вариант эффективен, когда для нормальной работы машины требуется плавная регулировка скоростей вращательного движения и максимальной стабильности количества оборотов в минуту. Примеры – электродвигатели кранов, промышленных станков и линий.
При последовательном подключении вспомогательная роторная обмотка в цепь процессов возбуждения ротора включается последовательно. Это обеспечивает возможность резкого увеличения усилия электрического двигателя в определенные моменты (на старте движения состава, например).
Устройство синхронного электродвигателя на видео
Принцип работы УКД (коллекторных электродвигателей универсального применения)
Принцип работы УКД:
При включении в цепь электродвигателя регулируемого трансформатора добавляется еще и возможность плавной регулировки его скорости вращения. А вот изменять вектор магнитного поля, если это коллекторный двигатель переменного тока, невозможно ни при каких обстоятельствах.
Коллекторный электродвигатель общего назначение имеет много плюсов. Он выдает высокий крутящий/вращающий момент, способен развивать высокую вращательную скорость, при этом весит и места занимает немного. Есть и минусы: графитовые щетки имеют низкую износостойкость (быстро стираются на больших скоростях вращения), снижая ресурс всей сборки.
Асинхронные электрические двигатели
Электродвигатель переменного тока (он же асинхронный) тоже использует магнитное поле для создания крутящего момента. Его изобретатель – российский физик-электротехник, Михаил Осипович Доливо-Добровольский. Первый образец асинхронного электрического двигателя появился в 1890-м (с него начались теория и практика применения 3-фазного переменного тока).
Конструкция и устройство электродвигателей переменного тока:
Течение токов и напряжения по 3-фазной сети имеет графический вид синусоиды (плавное изменение параметров работы). Мощность в обмотке плавно увеличивается по мере перехода от конца синусоиды к ее пику и снова снижается, «спускаясь» из вершины к другому концу, достигая на обоих концах своего минимума, а на вершине – максимума.
За счет того, что в электрических двигателях переменного тока используется короткозамкнутая система, при взаимодействии магнитного поля статора и обмотки ротора, в последнем образуется очень большой ток. Он и формирует собственное поле якоря. Контактируя по законам взаимного притяжения/отталкивания полюсов с магнитным потоком индуктора, поле ротора приводит в движение вал электродвигателя в направлении, аналогичном направлению этого поля.
Устройство электродвигателя переменного тока на видео
Почему асинхронный?
В результате при старте работы такого электродвигателя происходит соединение с питанием и поступательное снижение активного сопротивления в цепи ротора до нуля. Нет миганий, перегрузок электросети – двигатель переменного тока запускается плавно.
Преимущества электродвигателей переменного тока
Электродвигатели асинхронного типа сделали возможной эксплуатацию 3-фазной сети, которая, по сути, сформирована тремя отдельными цепями с синусоидальными движущими силами (ЭДС) в каждой из них. ЭДС в фазах имеют одинаковую частоту, создаются одним источником (обычно это 3-фазный генератор), но сдвинуты по отношению друг к другу на 120 градусов.
3-фазная сеть – это уравновешенная система с константной мгновенной суммарной мощностью, а электродвигатель переменного тока, который от нее питается, имеет неоспоримые преимущества. Среди них:
Однофазные электродвигатели
Наряду с 3-фазным, в практике широко применяются и 1-фазные асинхронные электродвигатели. Они представляют собой электрооборудование, питаемое от бытовой сети с напряжением 220 В (частота – 50 Гц). Как и 3-фазный аналог, он работает на преобразование получаемой электроэнергии в механическое действие – вращение.
Устройство и принцип работы 1-фазного двигателя проще:
1-фазные электродвигатели переменного тока устанавливаются на приборах бытового применения (от центрифуг стиральных машин до холодильников) и маломощных станках для обрабатывающих предприятий.
Сравнение одно- и трехфазных электрических двигателей
По сравнению с 3-фазными 1-фазные асинхронные двигатели несколько проигрывают по ряду характеристик:
Главный плюс коллекторного электродвигателя общего назначения (который может питаться от постоянного тока и переменного) – экономичность. Максимальный крутящий момент и потребление тока такими устройствами ограничены благодаря индуктивному сопротивлению на малых оборотах.
Двигатели с увеличенным скольжением
В отдельную группу электродвигателей стоит выделить трехфазные устройства с повышенным сопротивлением роторной обмотки, которая обеспечивает критическое скольжение. Оно составляет в механизмах с увеличенным скольжением 40%. Сами они применяются в машинах с высокой инерционностью, работающих в режиме частых кратковременных запусков.
Каталог электродвигателей по цене производителя
В каталоге ООО ПТЦ «Привод» широко представлены электродвигатели для работы в одно- и трехфазной сети. Каждая модель устройства имеет подробное описание (технические характеристики, расшифровка наименования, габариты, данные о производителе и т. д.). В нашем ассортименте легко выбрать и можно выгодно купить электрические двигатели для решения самого широкого спектра задач.
Как работает электродвигатель [для чайников]
Сегодня электродвигатели всё чаще приходят на замену безнадежно устаревшим бензиновым агрегатам и используются как в современном транспорте, так и в многочисленных электронных устройствах. Примеры использования этих силовых агрегатов можно встретить повсюду. Вибровызов в телефоне осуществляется благодаря работе электродвигателя, современный электровелосипед тоже едет благодаря электродвигателю и даже «любимое» метро — всё это электродвигатели.
Разновидностей электродвигателей сегодня существует огромное количество, но есть один важный фактор, который будет практически для всех них схожим. Речь идёт о физике работы этого типа устройств. Отметим, что далеко не все они будут использовать в своей работе описываемый далее принцип, но большая часть электродвигателей работают именно так. Как минимум, физический эффект, на котором всё это держится, сохраняется. Прежде, чем обсуждать подробно физику процесса, благодаря которому происходит вращение электродвигателя, рассмотрим сначала конструкцию простейшего двигателя.
Конструкция простейшего электродвигателя
Опять-таки, отметим, что рассматриваемая конструкция — это далеко не единственный вариант реализации подобных устройств. Однако, большая часть приборов работает именно так и среди бытовых приборов или в транспорте вы вряд ли обнаружите что-то другое. Поэтому, рассмотрим простейшую схему и элементарный вариант реализации прибора.
Конструкция самого простого электродвигателя является довольно примитивной. Он состоит из статора и ротора. Всё это убрано в корпус и подсоединяется проводами к источнику электрической энергии. Ещё есть подшипники, но это вещь сугубо механическая и нас сейчас не особенно интересует.
Части двигателя
Статор — это неподвижная часть. Преимущественно неподвижная часть представлена постоянными магнитами. Но бывает и обратный вариант, когда на статоре выполнена обмотка. Различие обусловлено тем, в сети какого типа работает двигатель — постоянного или переменного тока.
Ротор — это подвижная часть, которая, как правило является якорем, а на нем выполнена обмотка. К ротору подходят щётки, на которые подается электрический ток.
Щетки подключаются проводами к источнику питания. Именно они «передают электричество». Но щетки есть не во всех конструкциях двигателей.
Вся конструкция смонтирована в корпус и в закрытом виде представляет собой готовый к работе силовой агрегат. Иногда на ротор двигателя ещё добавляется крыльчатка вентилятора, которая обеспечивает циркуляцию воздуха через агрегат и его дополнительное охлаждение. Так обычно монтируются двигатели постоянного тока.
На валу двигателя мы получаем крутящий момент, который прекрасно можно использовать для своих нужд. Например, передать его посредством зубчатой передачи на редуктор или использовать непосредственно для получения полезной работы (как в вентиляторе дома).
Женщина доила корову, а воде отражалось всё наоборот. Такое может быть и с конструкцией электродвигателя. Тогда намотка там будет на статоре, вместо ротора. Это уже будут двигатели переменного тока. Сам же ротор будет выполнен или из постоянных магнитов, или выглядеть как короткозамкнутая клетка (её ещё именуют беличье колесо).
Бывает также, что и статор, и ротор электродвигателя представляют собой обмотки. Тогда картина незначительно меняется. Правда смысл всё равно сохраняется прежним. Про принципы конструирования таких машин мы поговорим чуть позже.
Принцип работы любого электродвигателя
Физический принцип работы электродвигателя держится на свойствах рамки с током в магнитном поле. Самое простое объяснение эффекта будет поверхностным, но ясным. Вспомните, как ведут себя два магнита, которые мы сводим одноименными полюсами. Они отталкиваются! При некотором приближении, можно сказать, что это и есть физический принцип работы любого электродвигателя.
Тем или иным способом нам нужно создать два магнитных поля, которые оттолкнут друг друга. Если одно поле создать на крутящемся якоре, а второе на корпусе или статоре, то одно поле будет толкать другое, а движение будет превращаться в крутящий момент и получится двигатель. Дальше остается только поиграться с конструкцией. И таких конструкций известно много, но мы обсудим самые распространенные. Это двигатель постоянного тока и двигатель переменного тока. Последний вариант разделяют на синхронные и асинхронные.
Физический принцип работы электродвигателя постоянного тока
Если мы вспомним закон Ампера, то будет понятно, что на проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила. Именно это обстоятельство позволяет получить вращающийся якорь.
Вспомним самый простой опыт, который показывают школьникам. Рамку с током помещают в магнитное поле и она начинает двигаться. Правда двигается она недолго, а скорее дергается. Всему виной несовпадение векторов. Размести мы магниты слегка иначе и получили бы постоянное движение.
Силы Ампера, действующие на боковые стороны рамки, будут создавать вращающий момент, величина которого пропорциональна магнитной индукции, силе тока в рамке, ее площади S и зависит от угла a между вектором магнитной индукции и нормалью к рамке.
Рамка с током в магнитном поле
В представленной ситуации рамка будет вращаться только тогда, когда вектора Fа будут не деформировать её, а придавать вращательное движение.
Вот так крутится рамка
Для этого в данном примере рамку нужно повернуть на 90 градусов. Теперь представим, что якорь нашего двигателя весь состоит из таких рамок, их очень много. Это улучшит процесс движения.
Вот и получился самый простой электрический двигатель постоянного тока.
Теперь представим, как будет выглядеть поведение такого двигателя при включении в цепь с переменным током. Он начнет танцевать в разные стороны. Ведь переменный электрический ток отличается тем, что регулярно меняет своё направление. Рамка с током, через которую он проходит, будет также менять направление своего движения. Крутиться равномерно такая штука не сможет. Поэтому, в переменных сетях используется двигатели переменного тока. Двигатель постоянного тока конечно же сможет работать в переменной сети, но для этого нужно использовать выпрямитель перед ним.
Правда бывают и универсальные электродвигатели, которые одинаково комфортно юзаются и там, и там. Но про это чуть позже.
Физический принцип работы электродвигателя переменного тока
Тут логика работы строится немного иначе. Обмотка у нас находится на статоре. А вот ротор представляет собой сердечник со специальной замкнутой рамкой или постоянными магнитами. Так проще обыграть постоянную смену направления тока.
Поскольку полярность тока на статоре постоянно меняется, получается что генерируемое магнитное поле тоже меняет направление и регулярно, в соответствии с фазой колебания, «даёт пинок» нашему якорю. Этот процесс и порождает непрерывное равномерное движение ротора. Но есть тут один прикол!
Если двигатель однофазный, то прежде, чем он начнет работать, его ротор нужно крутануть. Или же магнитное поле так и будет пульсировать, а ротор так и будет стоять. Для этого обычно используется дополнительная обмотка или прочие ухищрения. Для создания вращающегося магнитного поля необходимо, чтобы магнитный поток через пусковую обмотку был сдвинут по фазе относительно рабочей. Но про это как-нибудь в другой раз.
Отметим, что этого недуга лишены трехфазные двигатели переменного тока. Там всё тоже самое, но поскольку у нас есть три разных фазы с разными точками максимальных значений относительно времени, в статоре создается вращающееся магнитное поле.
Оно начинает бегать по кругу, а заодно пинает ротор. Этот процесс и порождает непрерывное равномерное движение ротора. Тут уже не нужно никакое возбуждение, потому что ротор будет регулярно пинаться по кругу, как карусель, раскручиваемый детьми.
Синхронный и асинхронный двигатели переменного тока
Двигатели переменного тока подразделяют на синхронные и асинхронные. Для постоянного тока это разделение не имеет особого смысла. Ведь там нет как такового понятия фаза и изменения направления тока.
Логика работы в обоих двигателях одинаковая. Но, судя по названию, в асинхронном что-то должно происходить ни в такт с основным процессом.
Синхронный и асинхронный двигатели отличаются преимущественно конструкцией ротора.
В роторе синхронного двигателя предусмотрена обмотка с независимой подачей напряжения или постоянные магнитики. Они толкают ротор относительно пульсирующего магнитного поля.
Ротор синхронного двигателя
У асинхронного ротора ток формируется с помощью магнитного статорного поля. В соответствии с законом электромагнитной индукции под действием прямого и обратного магнитных потоков в обмотке ротора станет действовать электродвижущая сила. Ротор похож по своей конструкции на колесо для грызуна. Но бывают и варианты с обмоткой, расположенной определенным образом.
Ротор асинхронного двигателя
В синхронном двигателе поля статора и ротора взаимодействуют друг с другом и имеют равную скорость. Ротор вращается в соответствии и точно в такт с полем статора. Частота вращения ротора синхронна частоте тока обмотки статора.
У асинхронных агрегатов имеет место разность магнитного поля роторного и статорного механизма на величину скольжения. Это то самое проскальзывание. Обороты асинхронного двигателя под нагрузкой всегда на величину скольжения отстают от вращения магнитного поля статора.
Не забываем, что обмотка ротора асинхронного двигателя, будь-то клетка или катушки под 120 градусов, является замкнутым контуром. В ней наводится ЭДС, а возникающий магнитный поток придает вращение ротору, отталкиваясь от пульсирующего магнитного поля статора. Движется эта кухня в направлении движения магнитного потока статора. Вращающий электромагнитный момент пытается уравнять скорости вращения магнитных полей статора и ротора, но это не всегда получается (а лучше сказать — никогда). Ведь уровнять эти моменты можно лишь в случае, если создавать поля одновременно, как в синхронном двигателе. Также влияет механическая нагрузка, которая подключена к валу ротора и мешает догнать поле. Но и в свободном состоянии эти цифры будут различаться. Ведь у любого механизма имеется некоторая инертность, а на время появления поля в замкнутой клетке (т.е. роторе асинхронного двигателя) тоже требуется время.
Вообщем-то, это основные вещи, которые вам следует уяснить. Всё остальное — это погружение в особенности конструкций конкретных агрегатов.