Как работает электрический двигатель автомобиля

Электрический двигатель

Чтобы узнать о других типах двигателей, см. Двигатель (значения) . Для железнодорожного двигателя см. Электровоз .

Электродвигатель является электрической машиной , которая преобразует электрическую энергию в механическую энергию . Большинство электродвигателей работают за счет взаимодействия между магнитным полем электродвигателя и электрическим током в проволочной обмотке для создания силы в виде крутящего момента, приложенного к валу электродвигателя. Электродвигатели могут питаться от источников постоянного тока (DC), таких как батареи, автомобили или выпрямители , или от источников переменного тока (AC), таких как электросеть, инверторы или электрические генераторы. An Электрический генератор механически идентичен электродвигателю, но работает с обратным потоком мощности, преобразуя механическую энергию в электрическую.

Электродвигатели можно классифицировать по таким критериям, как тип источника питания, внутренняя конструкция, применение и тип выходного движения. В дополнение к типам переменного и постоянного тока двигатели могут быть щеточными или бесщеточными , могут иметь различную фазу (см. Однофазные , двухфазные или трехфазные ) и могут иметь воздушное или жидкостное охлаждение. Двигатели общего назначения стандартных размеров и характеристик обеспечивают удобную механическую мощность для промышленного использования. Самые большие электродвигатели используются для движения судов, сжатия трубопроводов и гидроаккумуляции. приложения с рейтингом до 100 мегаватт. Электродвигатели используются в промышленных вентиляторах, нагнетателях и насосах, станках, бытовых приборах, электроинструментах и ​​дисковых накопителях. Маленькие моторы можно найти в электрических часах.

В некоторых применениях, таких как рекуперативного торможения с тяговых двигателей , электродвигатели могут быть использованы в качестве обратного генераторов для восстановления энергии , которые могли бы в противном случае теряется в виде тепла и трения.

Электродвигатели создают линейную или вращательную силу ( крутящий момент ), предназначенную для приведения в движение некоторого внешнего механизма, такого как вентилятор или лифт. Электродвигатель обычно предназначен для непрерывного вращения или для линейного перемещения на значительное расстояние по сравнению с его размером. Магнитные соленоиды создают значительную механическую силу, но на рабочем расстоянии, сопоставимом с их размером. Преобразователи, такие как громкоговорители и микрофоны, преобразуют электрический ток и механическую силу для воспроизведения таких сигналов, как речь. По сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания (ДВС) электродвигатели легче, физически меньше, обеспечивают большую выходную мощность, механически проще и дешевле в сборке, при этом обеспечивая мгновенный и постоянный крутящий момент на любой скорости, с большей отзывчивостью, более высокой общей эффективностью, и меньшее тепловыделение. Однако электродвигатели не так удобны или распространены, как ДВС в мобильных приложениях (например, в автомобилях и автобусах), поскольку для них требуется большая и дорогая батарея, в то время как ДВС требуют относительно небольшого топливного бака.

Содержание

История [ править ]

Ранние моторы [ править ]

Первые электродвигатели были простыми электростатическими устройствами, описанными в экспериментах шотландского монаха Эндрю Гордона и американского экспериментатора Бенджамина Франклина в 1740-х годах. [2] [3] Теоретический принцип, лежащий в основе них, закон Кулона , был открыт, но не опубликован, Генри Кавендишем в 1771 году. Этот закон был независимо открыт Шарлем-Огюстеном де Кулоном в 1785 году, который опубликовал его, так что теперь он известен с его именем. [4] Изобретение электрохимической батареи Алессандро Вольта в 1799 г. [5] сделало возможным производство постоянных электрических токов. После открытия Гансом Кристианом Эрстедом в 1820 году взаимодействия между таким током и магнитным полем, а именно электромагнитного взаимодействия , вскоре был достигнут большой прогресс. Андре-Мари Амперу потребовалось всего несколько недель, чтобы разработать первую формулировку электромагнитного взаимодействия и представить силовой закон Ампера , описывающий возникновение механической силы при взаимодействии электрического тока и магнитного поля. [6] Первая демонстрация эффекта с вращательным движением была дана Майклом Фарадеем в 1821 году. Свободно висящий провод был погружен в бассейн с ртутью, на котором находился был размещен постоянный магнит (ПМ) . Когда через провод пропускался ток, он вращался вокруг магнита, показывая, что ток вызывает близкое круговое магнитное поле вокруг провода. [7] Этот двигатель часто демонстрируют в физических экспериментах, заменяя (токсичную) ртуть рассолом . Колесо Барлоу было ранним усовершенствованием этой демонстрации Фарадея, хотя эти и подобные униполярные двигатели оставались непригодными для практического применения до конца века.

Jedlik «s„собственная электромагнитная ротор“, 1827 (Музей прикладного искусства, Будапешт). Исторический мотор отлично работает и сегодня. [8]

В 1827 году венгерский физик Аньош Едлик начал эксперименты с электромагнитными катушками . После того, как Джедлик решил технические проблемы непрерывного вращения с изобретением коммутатора , он назвал свои первые устройства «электромагнитными самовращающимися роторами». Хотя они использовались только для обучения, в 1828 году Джедлик продемонстрировал первое устройство, содержащее три основных компонента практических двигателей постоянного тока: статор , ротор и коммутатор. В устройстве не использовались постоянные магниты, так как магнитные поля как стационарных, так и вращающихся компонентов создавались исключительно токами, протекающими через их обмотки. [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

Двигатели постоянного тока [ править ]

Первый коммутаторный электродвигатель постоянного тока, способный вращать механизмы, был изобретен британским ученым Уильямом Стердженом в 1832 году. [16] Следуя работе Стерджена, американский изобретатель Томас Давенпорт построил электродвигатель постоянного тока коммутаторного типа , который он запатентовал в 1837 году. Двигатели работали со скоростью до 600 оборотов в минуту и ​​приводили в действие станки и печатный станок. [17] Из-за высокой стоимости энергии первичной батареи двигатели были коммерчески неудачными и обанкротились Davenport. Несколько изобретателей последовали за Sturgeon в разработке двигателей постоянного тока, но все столкнулись с одними и теми же проблемами стоимости батарей. Как нет распределения электроэнергии Система была доступна в то время, практического коммерческого рынка для этих двигателей не существовало. [18]

После многих других более или менее успешных попыток с относительно слабым вращающимся и возвратно-поступательным устройством прусско-русский Мориц фон Якоби в мае 1834 года создал первый настоящий вращающийся электродвигатель. Он развил замечательную механическую выходную мощность. Его мотор установил мировой рекорд, который Якоби улучшил четыре года спустя, в сентябре 1838 года. [19] Его второй мотор был достаточно мощным, чтобы переправить лодку с 14 людьми через широкую реку. Также в 1839/40 году другим разработчикам удалось создать двигатели с аналогичными, а затем и более высокими характеристиками.

В 1855 году Джедлик построил устройство, основанное на принципах, аналогичных тем, которые использовались в его электромагнитных роторных двигателях, которое было способно выполнять полезную работу. [9] [15] В том же году он построил модель электромобиля . [20]

Главный поворотный момент наступил в 1864 году, когда Антонио Пачинотти впервые описал кольцевой якорь (хотя изначально он был задуман как генератор постоянного тока, то есть динамо-машина). [6] Он имел симметрично сгруппированные катушки, замкнутые друг на друга и подключенные к стержням коммутатора, щетки которого подавали практически не флуктуирующий ток. [21] [22] Первые коммерчески успешные двигатели постоянного тока последовали за разработками Зеноба Грамма, который в 1871 году заново изобрел конструкцию Пачинотти и принял некоторые решения Вернера Сименса .

Выгода для машин постоянного тока появилась благодаря открытию обратимости электрической машины, о которой Сименс объявил в 1867 году и которую наблюдал Пачинотти в 1869 году. [6] Грамм случайно продемонстрировал это на Всемирной выставке в Вене 1873 года , когда он подключили два таких устройства постоянного тока на расстоянии до 2 км друг от друга, используя одно из них в качестве генератора, а другое — в качестве двигателя. [23]

Барабанный ротор был представлен Фридрихом фон Хефнер-Альтенеком из Siemens & Halske для замены кольцевой арматуры Пачинотти в 1872 году, что повысило эффективность машины. [6] Пластинчатый ротор был представлен компанией Siemens & Halske в следующем году, что позволило снизить потери в стали и повысить наведенное напряжение. В 1880 году Йонас Венстрём снабдил ротор пазами для размещения обмотки, что еще больше повысило эффективность.

В 1886 году Фрэнк Джулиан Спраг изобрел первый практический двигатель постоянного тока, неискрящее устройство, которое поддерживало относительно постоянную скорость при переменных нагрузках. Другие электрические изобретения Sprague примерно в это время значительно улучшили распределение электроэнергии в сети (предыдущая работа была проделана, когда использовалась Томасом Эдисоном ), позволили вернуть энергию от электродвигателей в электрическую сеть, обеспечив ее распределение между тележками через воздушные провода и опору троллейбуса. и предоставил системы управления электрическими операциями. Это позволило Спрэгу использовать электродвигатели для изобретения первой системы электрических тележек в 1887–88 годах в Ричмонде, штат Вирджиния. , электрический лифт и система управления в 1892 году и электрическое метро с вагонами с автономным питанием и централизованным управлением. Последние были впервые установлены в 1892 году в Чикаго на южной стороне надземной железной дороги , где они стали широко известны как « L ». Двигатель Спрэга и связанные с ним изобретения привели к взрывному росту интереса к электродвигателям для промышленности. Разработка электродвигателей приемлемого КПД была отложена на несколько десятилетий из-за непонимания чрезвычайной важности воздушного зазора между ротором и статором. Эффективные конструкции имеют сравнительно небольшой воздушный зазор. [24] [а] Двигатель Сент-Луиса, долгое время использовавшийся в классах для иллюстрации принципов работы двигателя, крайне неэффективен по той же причине, а также не похож на современный двигатель. [25]

Электродвигатели произвели революцию в отрасли. Промышленные процессы больше не ограничивались передачей энергии с использованием линейных валов, ремней, сжатого воздуха или гидравлического давления. Вместо этого каждая машина может быть оснащена собственным источником питания, обеспечивающим простое управление в месте использования и повышающим эффективность передачи энергии. Электродвигатели, применяемые в сельском хозяйстве, лишили силы мускулов человека и животных при выполнении таких задач, как обработка зерна или перекачка воды. Использование электродвигателей в быту (например, в стиральных машинах, посудомоечных машинах, вентиляторах, кондиционерах и холодильниках (замена ледяных ящиков )) сократило объем тяжелого домашнего труда и сделало возможными более высокие стандарты удобства, комфорта и безопасности. Сегодня электродвигатели потребляют более половины электроэнергии, производимой в США. [26]

Двигатели переменного тока [ править ]

В 1824 году французский физик Франсуа Араго сформулировал существование вращающихся магнитных полей , названных вращениями Араго , которые, вручную включая и выключая переключатели, Вальтер Бейли продемонстрировал в 1879 году как фактически первый примитивный асинхронный двигатель . [27] [28] [29] [30] В 1880-х годах многие изобретатели пытались разработать работоспособные двигатели переменного тока [31], потому что преимущества переменного тока в передаче высокого напряжения на большие расстояния были компенсированы невозможностью работы двигателей от переменного тока.

Первый асинхронный двигатель переменного тока без коммутатора был изобретен Галилео Феррарисом в 1885 году. Феррарис смог улучшить свою первую конструкцию, выполнив более продвинутые установки в 1886 году. [32] В 1888 году Королевская академия наук Турина опубликовала исследование Феррариса, в котором подробно описывались его характеристики. основы работы двигателя, заключив в то время, что «устройство, основанное на этом принципе, не могло иметь никакого коммерческого значения в качестве двигателя». [30] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [ чрезмерное цитирование ] »

Возможное промышленное развитие было предвидено Никола Тесла , который независимо изобрел свой асинхронный двигатель в 1887 году и получил патент в мае 1888 года. В том же году Тесла представил AIEE свою статью «Новая система для двигателей и трансформаторов переменного тока», в которой были описаны три запатентованных Типы двухфазных четырехполюсных двигателей: один с четырехполюсным ротором, образующим несамозапускающийся реактивный двигатель , другой с фазным ротором, образующим самозапускающийся асинхронный двигатель , а третий — истинный синхронный двигатель с отдельным подача возбужденного постоянного тока на обмотку ротора. Однако в одном из патентов, поданных Теслой в 1887 году, также был описан асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Джордж Вестингауз , который уже приобрел права на Ferrari (1000 долларов США), быстро купил патенты Tesla (60 000 долларов США плюс 2,50 доллара США за проданную мощность, выплачиваемую до 1897 года) [32], нанял Теслу для разработки своих двигателей и поручил CF Скотту помочь. Тесла; однако в 1889 году Тесла ушел для других занятий. [30] [38] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [ 52] [ чрезмерные цитаты ] Асинхронный двигатель переменного тока с постоянной скоростью не подходит для уличных автомобилей, [31] но инженеры Westinghouse успешно адаптировали его для работы на горнодобывающих предприятиях в Теллуриде, штат Колорадо, в 1891 году. [53] [54] [55] Westinghouse создал свой первый практический асинхронный двигатель в 1892 году и разработал линейку многофазных асинхронных двигателей на 60 Гц в 1893 году, но эти ранние двигатели Westinghouse были двухфазными двигателями с обмотанными роторами. Позднее Б.Г. Ламме разработал ротор намотки с вращающимся стержнем. [45]

Стойкий в своем продвижении трехфазной разработки, Михаил Доливо-Добровольский в 1889 году изобрел трехфазный асинхронный двигатель обоих типов с клетчатым ротором и ротором с пусковым реостатом, а также трехлепестковый трансформатор в 1890 году. между AEG и Maschinenfabrik Oerlikon Доливо-Добровольски и Чарльз Юджин Ланселот Браун разработали более крупные модели, а именно беличью клетку мощностью 20 л.с. и ротор с фазовой головкой 100 л.с. с пусковым реостатом. Это были первые трехфазные асинхронные двигатели, пригодные для практической эксплуатации. [32] С 1889 года Венстрём начал аналогичные разработки трехфазных машин. На Международной электротехнической выставке во Франкфурте 1891 года была успешно представлена ​​первая трехфазная система для больших расстояний. Он был рассчитан на напряжение 15 кВ и простирался на 175 км от водопада Лауффен на реке Неккар. Электростанция Lauffen включала генератор переменного тока мощностью 240 кВт, 86 В, 40 Гц и повышающий трансформатор, а на выставке понижающий трансформатор питал трехфазный асинхронный двигатель мощностью 100 л.с., который приводил в действие искусственный водопад, что представляет собой передачу оригинала источник питания. [32] Трехфазная индукция теперь используется в подавляющем большинстве коммерческих приложений. [56] [57] Михаил Доливо-Добровольский утверждал, что двигатель Теслы был непрактичным из-за двухфазных пульсаций, которые побудили его упорствовать в своей трехфазной работе. [58]

Компания General Electric начала разрабатывать трехфазные асинхронные двигатели в 1891 году. [45] К 1896 году General Electric и Westinghouse подписали соглашение о перекрестном лицензировании на конструкцию ротора со стержневой обмоткой, позже названного ротором с короткозамкнутым ротором . [45] Усовершенствования асинхронного двигателя, проистекающие из этих изобретений и инноваций, были таковы, что асинхронный двигатель мощностью 100 лошадиных сил в настоящее время имеет те же установочные размеры, что и двигатель мощностью 7,5 лошадиных сил в 1897 году. [45]

Электродвигатель

Двигатель

Мы расскажем вам о том, что такое электродвигатель в современном электромобиле, как он работает, а так же познакомим читателя с его историей развития.

Электродвигатель уже достаточно давно стал самым настоящим другом и помощником многих конструкторов техники. Коснулось это и машиностроения. Еще совсем недавно на автомобилях как отечественного, так и зарубежного производства устанавливались исключительно агрегаты, построенные по принципу внутреннего сгорания. Со временем необходимость в усовершенствовании мотора авто становилась все важнее. Это связано не только с тем, что нефтяные ресурсы постепенно истощаются, но и с тем, что экология современного большого города становится все хуже. Сегодня в мире изобретено множество различных агрегатов, которые способны заменить обыкновенный поршневой двигатель, однако именно электродвигатель среди них имеет самые радужные перспективы. Сегодня мы рассмотрим именно этот агрегат. Начать стоит с истории его возникновения и развития.

Авто на электродвигателе

История

Электродвигатель для автомобиля изобрел английский конструктор и изобретатель Старлей. Это произошло еще в далеком 1888 году. Он впервые применил эту технологию для легкового автомобиля. В 19 веке, кстати, именно электропривода использовались в основном для создания тягового усилия различных автомобилей. Люди сразу поняли, в чем кроется их главное преимущество. дело в том, что уже тогда коэффициент полезного действия электродвигателя составлял 90 процентов. Если сравнивать этот агрегат с мотором, построенном на базе внутреннего сгорания, то по этому параметру он опережал его аж в 3,5 раза. Тогда в основном в качестве тягового агрегата использовались батареи, емкость которых зависела от массы машины.

Изначально люди пытались просто найти альтернативу двигателям железнодорожных локомотивов, которые в процессе своей работы издавали страшные звуки и выделяли в атмосферу огромное количество вредных веществ. Однако постепенно ученые перекинули свои взоры на автомобили. Именно тогда Старлей и сконструировал первый электродвигатель для небольшого авто. Однако этот эксперимент не был удачным. Лишь в 1893 году в свет вышел действительно качественный электродвигатель. Он представлял собой две батареи, которые имели весьма внушительные мощностные характеристики и массу. При этом запас хода для машины был достаточно большим.

Шло время, прогресс не стоял на месте. Однако уже в 1910 году было принято решение об отказе от такого рода моторов. Дело в том, что решить проблему ограниченного запаса хода тогда не представлялось возможным. В это время стали прогрессировать двигатели внутреннего сгорания, которые практически полностью вытеснили электрические агрегаты с рынка. Возможность совершать более затяжные переезды встала на первое место. Тогда-то производство такого рода агрегатов практически прекратилось. Электродвигатель не исчез, про него просто на время забыли. Однако, в нашу эпоху научно-технического прогресса все возвращается на свои места. Сегодня электродвигатель становится все популярнее. Многие производители автомобилей начинают вкладывать в его развитие и прогресс, огромные средства. Это и не странно, ведь сейчас появилась возможность увеличения рабочего хода таких устройств. Ввиду того, что экология больших городов оставляет желать лучшего, электродвигатель становится все актуальнее.

Электродвигатель

Строение и принцип работы

Работает электродвигатель автомобиля по принципу электромагнитной индукции. Именно он взят сегодня за основу. Современные электромобили, по своей сути, мало чем отличаются от их, которые мы каждый день можем наблюдать на дорогах страны. Вообще говоря, основными частями такой техники являются:

• Электродвигатель;
• Контроллер;
• Аккумуляторные батареи.

Мы поговорим подробнее именно о сердце авто. Итак, оно работает на основе законов электромагнитной индукции. Для тех, кто не знаком с таком понятием физики, можно сказать, что данное явление связано с возникновением ЭДС в замкнутом контуре, когда в нем начинает меняться магнитный поток. Здесь все достаточно просто. Электродвигатель просто преобразует электрическую энергию в механическую, которая и позволяет двигаться автомобилю. В настоящее время коэффициент полезного действия таких агрегатов равен приблизительно 90 процентов. Это весьма внушительная цифра.

Как и любой другой электродвигатель, агрегат, устанавливаемый в электромобилях, имеет свои собственные характеристики. К таковым можно отнести:

• Мощность агрегата;
• Максимальный крутящий момент, создаваемый им;
• Ток;
• Частота вращения.

По сути, все стандартно. Единственное отличие от тех моделей, которые используются в промышленности, заключается в изменении этих параметров применительно к автомобилю.

Все электродвигатели могут питаться от источника постоянного напряжения или источника переменного напряжения. В данном случае речь идет чаще всего именно о первом варианте. Батареи, которые используются в таких машинах, создают на выходе значение в 96-192 Вольта. Этого вполне достаточно для создания ЭДС. для подключения электродвигателя переменного тока используется трехфазная схема. Современные модели электромобилей отличаются тем, что в них сам электродвигатель соединен напрямую с колесом. Такая конструкция позволяет в значительной степени улучшить управляемость машины.

Схема работы электродвигателя

Стоит отметить, что некоторые самые прогрессивные модели, которые оснащены агрегатом, работающем на переменном токе, способны в процессе торможения подзаряжать батареи. Это приводит к увеличению их срока эксплуатации в несколько раз. Это некое решение проблемы ограниченности хода. Такие устройства способны увеличивать пробег авто без подзарядки на целый 10-20 процентов. Для электромобиля это вполне внушительная цифра.

В остальном работает электродвигатель автомобиля точно так же, как и любой другой агрегат такого типа. Здесь имеется рабочий орган, который и соединяется с колесом. При подаче электрической энергии обмотка возбуждения начинает действовать на ротор мотора, который начинает вращаться вследствие ЭДС. Это движение передается на рабочие органы. Электродвигатель сегодня можно запитывать самыми разнообразными методами. В бытовых условиях используются трехфазные розетки или обычные однофазные их варианты. Все зависит от конкретной конструкции устройства, которое требуется запустить.

Про аккумуляторные батареи

Сегодня электродвигатель любого автомобиля, работающего на его основе, запитывается от аккумуляторной батареи. Сегодня стоимость такого оборудования достаточно велика, что не может не сказываться на цене самого авто. Именно поэтому сегодня до сих пор на дорогах нашей страны в основном ездят бензиновые и дизельные машины. Быть может, со временем стоимость аккумуляторных батарей заметно снизится. Это, скорее всего, приведет к возрастающей популярности машин, в основе которых лежит работа электродвигателя.

Свинцово-кислотные батареи на сегодняшний день считаются самыми дешевыми представителями, которые создаются для автомобилей. Их высокая популярность в основном связана с тем, что их можно вторично перерабатывать. Никель-металлгибридные варианты сегодня стоят намного дороже, чем свинцовые, но при этом их производительность на порядок выше. Самый оптимальный вариант именно для электромобиля — это литий-ионные батареи, которые долго держат заряд, но при этом остаются небольшими по размеру. Они не так широко распространены, так как их стоимость наиболее высокая из всех представителей питающих батарей для электродвигателя. Именно этому агрегату и нужно постоянно поставлять свежую порцию энергии. Без нее электродвигатель просто не сможет функционировать.

Подводя итог всему вышесказанному можно сказать, что современные электродвигатели имеют право на существование и в автомобильной индустрии. Их экологичность и простота заставляют все больше известных производителей делать выбор в их сторону. Относительно недавно на рынке появились гибридные модели машин. В них мотор может работать, как от аккумулятора, так и от двигателя. Разумеется, они стоят достаточно дорого. Однако именно в них решена практически полностью проблема недостаточного запаса хода. Электродвигатель постепенно входит в нашу жизнь, пуская пока небольшими шагами, но как знать, может уже совсем скоро, мы все пересядем на электромобили.

Как работает трехфазный двигатель?

Как работает электродвигатель, устройство «сердца» электрической машины

Ни одна сфера жизнедеятельности человека сегодня не обходится без электродвигателей. Эти устройства настолько прочно вошли в нашу повседневность, что выход из строя одного из них может как минимум испортить нам настроение на день, а как максимум остановить работу целого предприятия.

Электродвигатели поднимают большие грузы на стройках, приводят в движение различные станки на заводах, передвигают общественный транспорт по городу, циркулируют воздух по вентиляционным каналам, помогают готовить еду на кухне и охлаждают детали наших компьютеров.

Да что там говорить, если они присутствуют даже в детских игрушках.

Несмотря на такую ​​распространенность, автомобилей с электрическим приводом выпускается значительно меньше, чем их «собратьев» с двигателем внутреннего сгорания. На это есть технические и коммерческие причины, обзор которых мы оставили для отдельной статьи. А в этом тексте рассмотрим преимущества и недостатки электродвигателя и самое главное — его принцип действия.

Электрическая машина

Для начала нужно ввести понятие электрической машины, которой называют электромеханическое устройство для преобразования электрической энергии в механическую или механической в ​​электрическую, а также электрической энергии с одними свойствами в электрическую энергию с другими свойствами. Электродвигатель, в свою очередь, является разновидностью электрической машины. Если в механизме электрическая энергия преобразуется в механическую с выделением тепла — это электродвигатель.

В основе принципа действия электродвигателя лежит электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Преобразование электрической энергии в механическую электромагнитным полем впервые продемонстрировал британский ученый Майкл Фарадей в 1821 году. Он подвесил провод и погрузил его в ртуть, в центре ванны установил постоянный магнит, через провод начал пропускать ток.

В результате провод начал оборачиваться вокруг магнита, тем самым показывая, что ток вызывает циклическое магнитное поле. Это был простейший электродвигатель, непригодный для практического использования.

Первым в мире электродвигателем, который можно было эффективно использовать в различных системах, считают изобретение россиянина Бориса Якоби.

В отличие от других ученых, которые работали над тем, чтобы заставить железный сердечник двигаться в магнитном поле подобно тому, как движется поршень в паровой машине, он предложил механизм с якорем, который вращается, объяснив, что такое строение значительно проще и непосредственно вращательные движения превращать в другие виды легче. Вращение в двигателе Якоби происходило вследствие попеременного притяжения и отталкивания электромагнитов, которые периодически меняли полярность.

Устройство электродвигателя

С развитием науки и техники электродвигатели менялись, разрабатывались новые модели, совершенствовались старые. Но основных составляющих всегда было две: статор и ротор.

• Статор — неподвижная часть, на которой размещены все вспомогательные детали, также используемый для закрепления на корпусе, установки на поверхности и т.д.
• Ротор — подвижная часть двигателя, которая может вращаться внутри статора.

На обеих частях конструкции предусмотрены обмотки, которые работают как электромагниты. Также возможна комбинация из электромагнита на роторе и постоянного магнита на статоре, или наоборот. При подаче электрического тока на обмотки в них возникает магнитное поле с соответствующими полюсами. Вследствие этого происходит силовое взаимодействие между полями статора и ротора. Таким образом стороны обмоток с одинаковыми полюсами начинают отталкиваться друг от друга, а с противоположными — притягиваться. Подвижная часть сразу же пытается стать в такое положение, чтобы противоположные полюса совпадали.

Так происходит максимум пол-оборота, или 180 °. Для того, чтобы ротор двигался дальше и сделал полный оборот на угол 360 °, нужно изменить направление тока в одной из обмоток, в результате чего ее полярность изменится на противоположную и стороны с соответствующими полюсами снова начнут притягиваться. Если через определенный период переключать полярность подаваемого на обмотку тока, то вал ротора будет непрерывно вращаться.

В разных видах электродвигателей такая разница между векторами магнитных полей достигается различными путями. Например, длительное время широко применялись коллекторы, а двигатели, соответственно, назывались коллекторными.

Типичный коллектор представляет собой барабан на валу ротора, на который выведены контакты всех обмоток в определенном порядке. Ток на контакты подается с помощью угольных щеточек, которые прижимаются к барабану пружинами.

Недостатками такого механизма является необходимость периодической замены щеток, стирание контактов и шум, поэтому со временем более популярными стали бесколлекторные двигатели, в которых используются датчики положения ротора.

Количество обмоток на подвижной и неподвижной частях может отличаться. Чем их больше, тем больше плавность хода и более равномерно распределяется мощность.

Как работает трехфазный асинхронный двигатель?

В асинхронном двигателе роль клочка сена играет магнитное поле, которое «бежит» по кругу, вырабатываемое совершенно неподвижными катушками статора. А роль ишачка играет ротор, который гонится за этим полем.

Ну а как только ишачок побежал, главная задача — научиться им управлять. И задача эта не из легких.

Бегущее магнитное поле

Статор асинхронных двигателей, подключаемых к трехфазной сети, состоит из трех электромагнитов. На них подается напряжение разных фаз сети. А так как разные фазы работают — нарастают и уменьшаются — со сдвигом во времени друг от друга, аналогично будет нарастать и уменьшаться магнитное поле в катушках.

Сначала поле возникнет и будет расти в катушке 1 фазы, через одну треть периода точно так же возникнет и будет возрастать поле во второй фазе, а поле в первой при этом постепенно и плавно, по синусоиде, сначала перестанет нарастать, а потом начнет уменьшаться.

Все повторится и для катушки третьей фазы — поле появится, будет возрастать, тогда как поле во второй сначала остановит свой рост, потом пойдет на спад. А в это время поле в первой фазе уже дойдет до нуля и будет возрастать в отрицательную сторону.

Структура трехфазного двигателя

Если в статоре сделать только три обмотки, по числу фаз в питающем напряжении, то магнитное поле будет вращаться с той же частотой, что и напряжение, то есть 50 раз за одну секунду. Но на практике их делают гораздо больше.

Тогда бегающее по кругу поле будет иметь частоту вращения меньше, но вращение при этом станет более плавным.

Поведение ротора в бегущем магнитном поле

«Обмотки» ротора представляют собой проводники, расположенные «почти» параллельно валу ротора и набранные по кругу в виде «беличьей клетки». Это не обмотки, так как там ничего не намотано, а проводники, воткнутые в два металлических круга. То есть через эти металлические круги, накоротко замкнутые.

Ротор асинхронных двигателей

«Беличья клетка» является замкнутой накоротко обмоткой, которая заполнена пакетом-сердечником, набранным из поперечных тонких пластин из электротехнической стали

Когда на ротор воздействует внешнее изменяющееся магнитное поле статора, в роторе наводятся кольцевые токи, которые, в свою очередь, создают магнитное поле. Это поле, усиленное сердечником, направлено так, что ротор начинает вращаться вслед за бегущим магнитным полем статора. Вращение направлено в направлении «догнать» убегающую волну. Ротор разгоняется, но, по мере того, как он будет догонять волну статора, наводки в нем будут все меньше и меньше.

Он начнет «приотставать» (от силы трения или от силы сопротивления механической нагрузки на вал ротора), но усиливающаяся от этого в нем индукция снова толкает ротор к вращению. Такой принцип порождает некоторое рассогласование частот: частота напряжения, которая является причиной движения ротора, не изменяется во времени — стабильно 50 герц, а частота вращения то догоняет, то отстает.

Такие несоответствия могут быть незаметны там, где частота не очень важна, но из-за них двигатель и называется асинхронным.

Все мы это прекрасно видели и слышали, когда включали вентилятор. Он сначала набирает скорость, хорошо «берется за дело». Только потом как-то слегка «проваливается» — крутится по инерции, но опять «спохватывается» и «поддает газу».

Идеальный случай вращения в таком двигателе — это когда совсем нет трения и сопротивления, это холостой ход такого мотора. Тогда скорость определяется формулой вращения самого бегущего поля от статора

Здесь nr – скорость вращения в оборотах в минуту,
fu – частота питающего напряжения,
p – число катушек статора в каждой фазе.

Например, если, как нарисовано на картинке с красной стрелочкой вращения поля статора, в статоре три катушки, то есть по одной на каждую фазу, то получим

nr = 60 50/1 = 3000 (об./мин) или 50 об./с. То есть скорость вращения равна частоте напряжения в сети. Увеличением количества обмоток в статоре можно добиться снижения скорости вращения

Во многих случаях точная частота вращения двигателя действительно не так важна, поэтому электродвигатели асинхронные трехфазные находят широкое применение.

Трехфазные электродвигатели имеют и другой недостаток: циклические токи ротора вызывают его непрерывный разогрев, поэтому и делают кольцевые металлические пластины с ребрами для охлаждения воздухом при вращении.

Схемы и способы подключения

Так как есть несколько обмоток внутри двигателя — обмотки статора, — и сеть переменного тока бывает однофазной, а бывает трехфазной, то и схема включения всего этого хозяйства допускает вариации.

Обмоток на статоре обычно три. Ну а если их больше, то все равно обмотки каждой фазы внутри уже соединены последовательно. То есть в качестве выходных клемм максимум может быть 6. И их подсоединить к сети можно по-разному. Систем обозначений клемм две. На старых обозначались буквами С и цифрами 1,2,3 — начала обмоток; цифрами 4,5,6 — концы обмоток. В новых обозначениях для разных обмоток употребляются буквы U, V, W, а для начал и концов цифры 1 и 2 соответственно.

Клеммы обмоток могут быть на двигателе выведены наружу, и можно самостоятельно подключить трехфазный двигатель к сети переменного тока

Как подключить двигатель по схеме «звезда»

При соединении обмоток по типу «звезда» концы обмоток нужно объединить, а на клеммы начала обмоток подать напряжения фаз из сети.

Подключение трехфазного электродвигателя по схеме «Звезда»

Здесь использованы обозначения клемм электродвигателей трехфазных, применяемые на схемах, старые и новые

При подключении типа «звезда» нулевой провод из сети желательно подавать на общую клемму двигателя. Это защитит его от порчи в случае перекоса фаз в сети.

Как подключить электромотор по схеме «треугольник»

Подключить трехфазный двигатель обмотками в «треугольник» в сеть переменного тока не сложнее. Надо начало одной обмотки соединять с концом следующей. И еще все начала подключить к фазным проводам переменного тока.

Подключение асинхронного двигателя по схеме «треугольник» Клеммник для подключения асинхронного электродвигателя по типу «Звезда»

Два эти подключения — «звезда» и «треугольник» — в сети дают разные результаты по токам и мощностям. В «звезде» на каждую обмотку подано фазное напряжение 220 В, а две обмотки вместе нагружены линейным напряжением в 380 В. Протекающие в обмотках токи при этом меньше, чем при конфигурации «треугольник». Отсюда и работа отличается: «звезда» дает мягкий запуск, но при работе развивает меньшую мощность, чем «треугольник». Зато «треугольник» при запуске дает большие стартовые токи, превышающие номинал раз в 7–8.

Чтобы сочетать преимущества обеих конфигураций, коммутацию делает особая схема. Она при запуске двигателя коммутирована как «звезда», а при достижении определенной мощности переключается в вариант «треугольник». В этом случае (и в других случаях с постоянными подключениями обмоток), на входном клеммнике оставляют только 3 или 4 клеммы, и вариантов по переключению обмоток по своему усмотрению не остается. В этом случае просто подключаются фазы в нужном порядке.

Подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть

Трехфазное напряжение нашей сети можно представить как одну и ту же фазу, только повторенную еще два раза со сдвигом, сначала на 120°, потом плюс еще на столько же, то есть в результате на 240°. И такое напряжение вполне схематически посильно «добыть» из одной выделенной фазы. Однако когда мы запускаем «бегущее поле» статора, совсем не обязательно делать его именно с таким сдвигом между поданными на обмотки фазами.

Потому что увеличение количества полюсов в обмотках проявляется как уменьшение скорости вращения, но механизм работает. Поэтому разработаны простые схемы получения сдвинутых фаз из однофазной линии не под таким углом, а под 90°. Это можно сделать простой схемой, дающей подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть с применением одного конденсатора. Результатом является снижение мощности двигателя.

При маркировке двигателей, которые можно использовать в однофазной сети 220 В и в сети 380 В трехфазной, так и пишется — двигатель 220/380, а который предназначен для работы только в трехфазной — двигатель 380.

Подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть 220 В типа «Треугольник» и «Звезда»

Схема подключения «звезда» в этом случае дает потерю мощности, поэтому для более полного использования двигателя при подключении к однофазному напряжению чаще применяют «треугольник».

Источник http://www.hmong.press/wiki/Electric_motor

Источник http://autodont.ru/dvigatel/elektrodvigatel

Источник http://ugstroialyans.ru/kak-rabotaet-trehfaznyy-dvigatel/