Все о электрических двигателях. Разбираемся в принципах работы электродвигателей: преимущества и недостатки разных видов

Электрические двигатели давно и прочно заняли лидирующие позиции среди силовых агрегатов различного типа оборудования. Их можно найти в автомобиле и в пылесосе, в сложнейших станках и в обычных детских игрушках. Они есть практически везде, хотя и отличаются между собой типом, строением и рабочими характеристиками.

Электродвигатели – это силовые агрегаты, способные превращать электрическую энергию в механическую. Различают два их основных вида: двигатели переменного и постоянного тока. Разница между ними, как понятно из названия, заключается в типе питающего тока. В данной статье речь пойдет о первом виде – электродвигателе переменного тока

Устройство и принцип работы

Основная движущая сила любого электрического двигателя – электромагнитная индукция. Электромагнитная индукция, если описать ее в двух словах – это появление силы тока в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле. Источником переменного магнитного поля является неподвижный корпус двигателя с размещенными на нем обмотками – статор, подключенный к источнику переменного тока. В нем расположен подвижный элемент – ротор, в котором и возникает ток. По закону Ампера на заряженный проводник, помещенный в магнитное поле, начинает действовать электродвижущая сила – ЭДС, которая вращает вал ротора. Таким образом, электрическая энергия, которая подается на статор, превращается в механическую энергию ротора. К вращающемуся валу можно подключать различные механизмы, выполняющие полезную работу.

Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные. Разница между ними в том, что в первых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной скоростью, а во вторых ротор вращается медленнее, чем магнитное поле. Отличаются они и по устройству, и по принципу работы.

Асинхронный двигатель

На статоре асинхронного двигателя закреплены обмотки, создающие переменное вращающееся магнитное поле, концы которой выводятся на клеммную коробку. Поскольку при работе двигатель нагревается, на его валу устанавливается вентилятор системы охлаждения.

Ротор асинхронного двигателя выполнен с валом как одно целое. Он представляет собой металлические стержни, замкнутые между собой с двух сторон, из-за чего такой ротор еще именуется короткозамкнутым. Своим видом он напоминает клетку, поэтому его часто называют «беличьим колесом» Более медленное вращение ротора в сравнении с вращением магнитного поля – результат потери мощности при трении подшипников. Кстати, если бы не было этой разницы в скорости, ЭДС бы не возникала, а без нее не было бы и тока в роторе и самого вращения.

Магнитное поле вращается за счет постоянной смены полюсов. При этом соответственно меняется направление тока в обмотках. Скорость вращения вала асинхронного двигателя зависит от числа полюсов магнитного поля.

Синхронный двигатель

Устройство синхронного двигателя

Устройство синхронного электродвигателя немного отличается. Как понятно из названия, в этом двигателе ротор вращается с одной скоростью с магнитным полем. Он состоит из корпуса с закрепленными на нем обмотками и ротора или якоря, снабженного такими же обмотками. Концы обмоток выводятся и закрепляются на коллекторе. На коллектор или токосъемное кольцо подается напряжение посредством графитовых щеток. При этом концы обмоток размещены таким образом, что одновременно напряжение может подаваться только на одну пару.

В отличие от асинхронных на ротор синхронных двигателей напряжение подается щетками, заряжая его обмотки, а не индуцируется переменным магнитным полем. Направление тока в обмотках ротора меняется параллельно с изменением направления магнитного поля, поэтому выходной вал всегда вращается в одну сторону. Синхронные электродвигатели позволяют регулировать скорость вращения вала путем изменения значения напряжения. На практике для этого обычно используются реостаты.

Краткая история создания

Впервые возможность превратить электричество в механическую энергию открыл британский ученый М.Фарадей еще в 1821 году. Его опыт с проводом, помещенным в ванну с ртутью, оснащенной магнитом, показал, что при подключении провода к источнику электроэнергии он начинает вращаться. Этот нехитрый опыт наверняка многие помнят по школе, правда, ртуть там заменяется безопасным рассолом. Следующим шагом в изучении этого феномена было создание униполярного двигателя – колеса Барлоу. Никакого полезного применения он так и не нашел, зато наглядно демонстрировал поведение заряженного проводника в магнитном поле.

На заре истории электродвигателей ученые пытались создать модель с сердечником, двигающимся в магнитном поле не по кругу, а возвратно-поступательно. Такой вариант был предложен, как альтернатива поршневым двигателям. Электродвигатель в привычном для нас виде впервые был создан в 1834 году русским ученым Б.С. Якоби. Именно он предложил идею использования вращающегося в магнитном поле якоря, и даже создал первый рабочий образец.

Первый асинхронный двигатель, в основе работы которого заложено вращающееся магнитное поле, появился в 1870 году. Авторами эффекта вращающегося магнитного поля независимо друг от друга стали два ученых: Г.Феррарис и Н. Тесла. Последнему принадлежит также идея создания бесколлекторного электродвигателя. По его чертежам были построены несколько электростанций с применением двухфазных двигателей переменного тока. Следующей более удачной разработкой оказался трехфазный двигатель, предложенный М.О. Доливо-Добровольским. Его первая действующая модель была запущена в 1888 году, после чего последовал ряд более совершенных двигателей. Этот русский ученый не только описал принцип действия трехфазного электродвигателя, но и изучал различные типы соединений фаз (треугольник и звезда), возможность использование разных напряжений тока. Именно он изобрел пусковые реостаты, трехфазные трансформаторы, разработал схемы подключения двигателей и генераторов.

Особенности электродвигателя переменного тока, его достоинства и недостатки

На сегодня электродвигатели являются одними из самых распространенных видов силовых установок, и тому есть немало причин. У них высокий КПД порядка 90%, а иногда и выше, довольно низкая себестоимость и простая конструкция, они не выделяют вредных веществ в процессе эксплуатации, дают возможность плавно менять скорость во время работы без использования дополнительных механизмов типа коробки передач, надежны и долговечны.

Среди недостатков всех типов электромоторов — отсутствие высокоемкостного аккумулятора электроэнергии для автономной работы.

Основное отличие электродвигателя переменного тока от его ближайшего родственника – электродвигателя постоянного тока – заключается в том, что первый питается переменным током. Если сравнивать их функциональные возможности, первый менее мощный, у него сложно регулировать скорость в широком диапазоне, он имеет меньший КПД.

Если же сравнивать асинхронный и синхронный электродвигатель переменного тока, то первый имеет более простую конструкцию и лишен «слабого звена» — графитовых щеток. Именно они обычно первыми выходят из строя при поломке синхронных двигателей. Вместе с тем, у него сложно получить и регулировать постоянную скорость, которая зависит от нагрузки. Синхронные двигатели позволяют регулировать скорость вращения с помощью реостатов.

Сфера применения

Электродвигатели переменного тока широко используются практически во всех сферах. Ими оснащаются электростанции, их используют в автомобиле- и машиностроении, есть они и в домашней бытовой технике. Простота их конструкции, надежность, долговечность и высокий показатель КПД делает их практически универсальными.

Асинхронные двигатели нашли применение в приводных системах различных станков, машин, центрифуг, вентиляторов, компрессоров, а также бытовых приборов. Трехфазные асинхронные двигатели являются наиболее распространенными и востребованными. Синхронные двигатели используются не только в качестве силовых агрегатов, но и генераторов, а также для привода крупных установок, где важно контролировать скорость.

Схема подключения электродвигателя к сети

Электродвигатели переменного тока бывают трех и однофазные.
Асинхронные однофазные двигатели имеют на корпусе 2 вывода и подключить их к сети не составляет трудности. Т.к. вся бытовая электрическая сеть в основном однофазная 220В и имеет 2 провода — фаза и ноль. С синхронными все намного интереснее, их тоже можно подключить с помощью 2 проводов, достаточно обмотки ротора и статора соединить. Но соединять их нужно так, чтобы обмотки однополюсного намагничивания ротора и статора располагались напротив друг друга.
Сложности представляют двигатели для 3ех фазной сети. Ну во-первых у таких двигателей в основном в клеммной коробке 6 выводов и это означает что обмотки двигателя нужно подключать самому, а во-вторых их обмотки можно подключать разными способами — по типу «звезда» и «треугольник». Ниже приведен рисунок соединения клем в клеммной коробке, в зависимости от типа соединения обмоток.

Подключение одного и того же электродвигателя разным способом в одну и туже электрическую сеть приведет к потреблению разной мощности. При этом не правильное подключение электродвигателя, может привести к расплавлению обмоток статора.

Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/660 В. Если в сети линейное напряжение 660 В, то обмотку статора следует соединить звездой, а если 380 В, то треугольником. В обоих случаях напряжение на обмотке каждой фазы будет 380 В. Выводы обмоток фаз располагают на панели таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних. В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).

Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рисунке. Обмотка ротора этого двигате­ля соединена с пусковым реостатом ЯР, создающим в цепи рото­ра добавочное сопротивление R добав.

Электродвигатель это устройство преобразующее энергию электричества в механическую энергию. Электродвигатели получили широкое распространение, практически во всех сферах повседневной жизни. Прежде чем рассматривать виды электродвигателей, следует кратко остановиться на принципе их работы. Все действие происходит согласно закона Ампера, когда вокруг проволоки, где протекает электрический , образуется магнитное поле. При вращении этой проволоки внутри магнита, каждая ее сторона будет поочередно притягиваться к полюсам. Таким образом, будет происходить вращение проволочной петли. Электродвигатели разделяются между собой, в зависимости от применяемого тока, который может быть переменным или постоянным.

Электродвигатели переменного тока

Особенностью переменного тока является смена его направления определенное количество раз в течение секунды. Как правило, используется переменный ток с частотой в 50 герц.

При подключении, ток вначале начинает протекать в одном направлении, а, затем, его направление полностью изменяется. Таким образом, стороны петли, получая толчок, притягиваются поочередно к различным полюсам. То есть, фактически, происходит их упорядоченное притягивание и отталкивание. Поэтому, при изменении направления, будет происходить вращение проволочной петли вокруг своей оси. С помощью этих круговых движений происходит преобразование энергии из электрической в механическую.

Двигатели переменного тока имеют множество конструкций и представлены самыми разнообразными моделями. Это позволяет широко использовать их не только в промышленности, но и в быту.

Электродвигатели постоянного тока

Первыми изобретенными двигателями были все-таки устройства постоянного тока. Переменный ток в это время был еще неизвестен. В отличие от переменного, движение постоянного тока осуществляется всегда в одном направлении. Вращение ротора прекращается после того, как произойдет оборот на 90 градусов. Направление магнитного поля совпадает в направлением электротока.

Поэтому, металлическое кольцо, подключенное к источнику постоянного тока, разрезается на две части и носит название кольцевого коммутатора. В начале вращения, протекание тока происходит по первой стороне коммутатора и по проводам. Электроток, протекающий по проволочной петле, создает в ней магнитное поле. При дальнейшем вращении петли, происходит и вращение коммутатора. После прохождения кольцом пустого пространства, происходит его переход на другую часть коммутатора. Далее, происходит эффект переменного электротока, благодаря которому вращение петли продолжается.

Все электродвигатели постоянного тока применяются совместно с устройствами переменного тока на производстве и транспорте.

Классификация электродвигателей

Электродвигатель – это электротехническое устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Сегодня повсеместно применяются электромоторы в промышленности для привода различных станков и механизмов. В домашнем хозяйстве они установлены в стиральной машине, холодильнике, соковыжималке, кухонном комбайне, вентиляторах, электробритвах и т. п. Электродвигатели приводят в движение, подключенные к ней устройства и механизмы.

В этой статье Я расскажу о самых распространенных видах и принципах работы электрических двигателей переменного тока, широко используемых в гараже, в домашнем хозяйстве или мастерской.

Как работает электродвигатель

Двигатель работает на основе эффекта , обнаруженного Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращение.

Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться. В результате рамка повернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент. На рисунке это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.

В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.

В быту же постоянные магниты используются в детских игрушках на батарейках.

В других же более мощных двигателях используются только электромагниты или обмотки. Вращающаяся часть с ними называется ротор, а неподвижная- статор.

Виды электродвигателей

Сегодня существуют довольно много электродвигателей разных конструкций и типов. Их можно разделить по типу электропитания :

1. Переменного тока , работающие напрямую от электросети.
2. Постоянного тока , которые работают от батареек, АКБ, блоков питания или других источников .

По принципу работы:

1. Синхронные , в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
2. Асинхронные , самый простой и распространенный вид мотора. В них нет щеток и обмоток на роторе.

Синхронный мотор вращается синхронно с магнитным полем, которое его вращает, а у асинхронного ротор вращается медленнее вращающегося магнитного поля в статоре.

Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателя

В корпусе асинхронного двигателя укладываются обмотки статора (для 380 Вольт их будет 3), которые создают вращающееся магнитное поле. Концы их для подключения выводятся на специальную клеммную колодку. Охлаждаются обмотки, благодаря вентилятору, установленному на вале в торце электродвигателя.

Ротор , являющиеся одним целым с валом, изготавливается из металлических стержней, которые замыкаются между собой с обоих сторон, поэтому он и называется короткозамкнутым.
Благодаря такой конструкции отпадает необходимость в частом периодическом обслуживании и замене токоподающих щеток, многократно увеличивается надежность, долговечность и безотказность.

Как правило, основной причиной поломки асинхронного мотора является износ подшипников, в которых вращается вал.

Принцип работы. Для того что бы работал асинхронный двигатель необходимо, что бы ротор вращался медленнее электромагнитного поля статора, в результате чего наводится ЭДС (возникает электроток) в роторе. Здесь важное условие, если бы ротор вращался с такой же скоростью как и магнитное поле, то в нем по закону электромагнитной индукции не наводилось бы ЭДС и, следовательно не было бы вращения. Но в реальности, из-за трения подшипников или нагрузки на вал, ротор всегда будет вращаться медленнее.

Магнитные полюса постоянно вращаются в обмотках мотора, и постоянно меняется направление тока в роторе. В один момент времени, например направление токов в обмотках статора и ротора изображено схематично в виде крестиков (ток течет от нас) и точек (ток на нас). Вращающееся магнитное поле изображено изображено пунктиром.

Например, как работает циркулярная пила . Наибольшие обороты у нее без нагрузки. Но как только мы начинаем резать доску, скорость вращения уменьшается и одновременно с этим ротор начинает медленнее вращаться относительно электромагнитного поля и в нем по законам электротехники начинает наводится еще большей величины ЭДС. Вырастает потребляемый ток мотором и он начинает работать на полной мощности. Если же нагрузка на вал будет столь велика, что его застопорит, то может возникнуть повреждение короткозамкнутого ротора из-за максимальной величины наводимой в нем ЭДС. Вот почему важно подбирать двигатель, подходящей мощности. Если же взять большей, то неоправданными будут энергозатраты.

Скорость вращения ротора зависит от количества полюсов. При 2 полюсах скорость вращения будет равна скорости вращения магнитного поля, равного максимум 3000 оборотов в секунду при частоте сети 50 Гц. Что бы понизить скорость вдвое, необходимо увеличить количество полюсов в статоре до четырех.

Весомым недостатком асинхронных двигателей является то, что они подаются регулировке скорости вращения вала только при помощи изменения частоты электрического тока. А так не возможно добиться постоянной частоты вращения вала.

Принцип работы и устройство синхронного электродвигателя переменного тока

Данный вид электродвигателя используется в быту там, где необходима постоянная скорость вращения, возможность ее регулировки, а так же если необходима скорость вращения более 3000 оборотов в минуту (это максимум для асинхронных).

Синхронные моторы устанавливаются в электроинструменте, пылесосе, стиральной машине и т. д.

В корпусе синхронного двигателя переменного тока расположены обмотки (3 на рисунке), которые также намотаны и на ротор или якорь (1). Их выводы припаяны к секторам токосъемного кольца или коллектора (5), на которые при помощи графитовых щеток (4) подается напряжение. При чем выводы расположены так, что щетки всегда подают напряжение только на одну пару.

Наиболее частыми поломками коллекторных двигателей является:

1. Износ щеток или их плохой их контакт из-за ослабления прижимной пружины.
2. Загрязнение коллектора. Чистите либо спиртом или нулевой наждачной бумагой.
3. Износ подшипников.

Принцип работы. Вращающий момент в электромоторе создается в результате взаимодействия между током тока якоря и магнитным потоком в обмотке возбуждения. С изменением направления переменного тока будет меняться и направление магнитного потока одновременно в корпусе и якоре, благодаря чему вращение всегда будет в одну сторону.

Регулировка скорости вращения меняется методом изменения величины подаваемого напряжения. В дрелях и пылесосах для этого используется реостат или переменное сопротивление.

Изменение направления вращения происходит также как и у двигателей постоянного тока, о которых Я расскажу в .

Самое главное о синхронных двигателях Я постарался изложить, более подробно Вы можете прочитать на них на .

Режимы работы электродвигателя в .

Похожие материалы:

Электродвигатель - это двигатель, служащий для преобразования электрической энергии в механическую.

Основная часть электродвигателя - это контур (рамка, катушка) с током, расположенный в сильном магнитном поле (рис. 1). На контур в магнитном поле действует вращающий момент, в результате чего контур поворачивается и останавливается в положении равновесия, т.е. в положении, в котором его магнитный момент направлен параллельно магнитной индукции (плоскость контура перпендикулярна линиям индукции магнитного поля).

Если при прохождении контура через положение равновесия направление тока изменится на противоположное, то изменится и направление магнитного момента. Пройдя по инерции положение равновесия, контур сделает еще пол-оборота. Если периодически изменять направление тока, то контур придет во вращательное движение. Изменение направления тока осуществляется автоматически с помощью устройства, которое называется коллектором. Коллектор состоит из двух металлических полуцилиндров, к которым присоединены концы контура. Через них и скользящие контакты (щетки) контур присоединяют к источнику тока.

Наибольший момент действует на контур, плоскость которого параллельна магнитной индукции . Следовательно, если расположить два контура перпендикулярно друг к другу и вывести их концы на четверть-кольцевой коллектор (рис. 2), то вращающий момент резко возрастет и увеличится плавность хода подвижной части двигателя (ротора).

В промышленных двигателях магнитное поле создается обмоткой электромагнита; в роторе делают пазы, в которые укладывают много витков одной секции (вместо рамки); различные секции уложены под углом друг к другу, и их концы выведены на противоположные бока коллектора, к которому прижимаются щетки, соединенные с источником тока. От источника тока напряжение подается в электромагниты статора (неподвижной части двигателя). По каждой секции идет ток только тогда, когда ее пластины касаются щеток, т.е. когда плоскость этой секции параллельна вектору магнитной индукции. При этом секции поочередно создают самый большой вращающий момент.

Магнит или электромагнит, который создает магнитное поле, называют часто индуктором, а рамку (обмотку), через которую пропускают электрический ток, - якорем.

Основной рабочей характеристикой электродвигателя является вращающий момент М, создаваемый на валу двигателя силой Ампера, действующей на обмотки якоря:

где I - сила тока в обмотке, В - индукция магнитного поля, l - длина проводника, r - радиус ротора, N - число витков в обмотке.

Такие двигатели постоянного тока используют на транспорте (в электровозах, трамваях, троллейбусах), на подъемных кранах, во многих бытовых электрических устройствах (электробритвы, магнитофоны и др.).

С помощью электродвигателя постоянного тока - стартера - осуществляется запуск двигателя автомобиля.

Электродвигатель - это двигатель, служащий для преобразования электрической энергии в механическую.

Основная часть электродвигателя - это контур (рамка, катушка) с током, расположенный в сильном магнитном поле (рис. 1). На контур в магнитном поле действует вращающий момент, в результате чего контур поворачивается и останавливается в положении равновесия, т.е. в положении, в котором его магнитный момент направлен параллельно магнитной индукции \(~\vec p_m\upuparrows \vec B\) (плоскость контура перпендикулярна линиям индукции магнитного поля). Если при прохождении контура через положение равновесия направление тока изменится на противоположное, то изменится и направление магнитного момента. Пройдя по инерции положение равновесия, контур сделает еще пол-оборота. Если периодически изменять направление тока, то контур придет во вращательное движение. Изменение направления тока осуществляется автоматически с по-мощью устройства, которое называется коллектором. Коллектор со-стоит из двух металлических полуцилиндров, к которым присоединены концы контура. Через них и скользящие контакты (щетки) контур присоединяют к источнику тока.

Наибольший момент действует на контур, плоскость которого параллельна магнитной индукции \(\vec B\). Следовательно, если расположить два контура перпендикулярно друг к другу и вывести их концы на четверть-кольцевой коллектор (рис. 2), то вращающий момент резко возрастет и увеличится плавность хода подвижной части двигателя (ротора).

В промышленных двигателях магнитное поле создается обмоткой электромагнита; в роторе делают пазы, в которые укладывают много витков одной секции (вместо рамки); различные секции уложены под углом друг к другу, и их концы выведены на противоположные бока коллектора, к которому прижимаются щетки, соединенные с источником тока. От источника тока напряжение подается в электромагниты статора (неподвижной части двигателя). По каждой секции идет ток только тогда, когда ее пластины касаются щеток, т.е. когда плоскость этой секции параллельна вектору магнитной индукции. При этом секции поочередно создают самый большой вращающий момент.

Магнит или электромагнит, который создает магнитное поле, называют часто индуктором, а рамку (обмотку), через которую про-пускают электрический ток, - якорем.

Основной рабочей характеристикой электродвигателя является вращающий момент М , создаваемый на валу двигателя силой Ампера, действующей на обмотки якоря:

\(~2FrN = 2IBlrN ,\)

где I - сила тока в обмотке, В - индукция магнитного поля, l - длина проводника, r - радиус ротора, N - число витков в обмотке.

Такие двигатели постоянного тока используют на транспорте (в электровозах, трамваях, троллейбусах), на подъемных кранах, во многих бытовых электрических устройствах (электробритвы, магнитофоны и др.).

С помощью электродвигателя постоянного тока - стартера - осуществляется запуск двигателя автомобиля.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C.322- 323.