Устройство и принцип работы электродвигателя

Электродвигатель. Виды и применение. Работа и устройство

Устройство под названием «электродвигатель» предназначается для преобразования энергии э/м поля в ее механическую (вращательную) разновидность. Такие агрегаты широко применяются во многих областях хозяйственной деятельности человека. Они востребованы в механизмах, где вращательное движение вала двигателя позволяет производить полезную работу.

Как работает электродвигатель постоянного/переменного тока

В основу работы электродвигателей различного типа заложен принцип взаимодействия магнитных полей, открытый М. Фарадеем в 1821 году. Коротко его суть можно сформулировать следующим образом:

• При протекании тока через провод (обмотку) вокруг него появляется собственное магнитное поле.
• Если такой провод находится рядом с постоянным магнитом – он начнет отклоняться в ту или другую сторону.
• Величина и вектор отклонения зависят от направления протекания потока электронов и его интенсивности.
• Если пропускать постоянный ток через рамку, расположенную в промежутке между двумя полюсами магнита – она начнет вращаться.
• Направление вращения зависит от того, в какую сторону движутся заряженные частицы.

Это открытие легло в основу разработки известного всем двигателя постоянного тока.

Представленный схематично электродвигатель состоит из следующих основных частей:

• Двухполюсный постоянный магнит.
• Вращающаяся рамка, по которой пропускается ток.
• Токосъемные графитовые щетки

Для полноценной работы такого устройства потребуется отдельный источник энергии.

Вращение рамочной конструкции в поле постоянного магнита объясняется отталкиванием однополярных полюсов и притягиванием противоположных. В реальном электродвигателе вместо одиночной рамки используется так называемый «ротор» или «якорь», состоящий из множества витков проводников выбранного диаметра.

На основании того же открытия была разработана еще одна разновидность преобразователя электроэнергии во вращательное движение. Это электродвигатель, в котором в качестве магнитов используются катушки с протекающим по ним трехфазным током. Принцип его работы точно такой же, что и у описанной выше модели, но конструкция и способ преобразования несколько иные.

В устройствах переменного тока ротор, расположенный между многополюсными катушками, под воздействием изменяющегося по величине и направлению э/м поля начинает вращаться. Чаще всего он изготавливается в виде цилиндра, состоящего из множества короткозамкнутых витков и внешне напоминающего клетку белки. Применение ротора, называемого «беличьим колесом», позволяет повысить КПД электродвигателя и улучшить его эксплуатационные показатели.

Разновидности электродвигателей

Электродвигатели классифицируются по следующим основным признакам:

• Вид электрической энергии, используемой для формирования э/м поля в катушках.
• Особенности взаимодействия неподвижного статора и вращающегося ротора.
• Способ подачи напряжения на подвижный узел.

В особую группу выделяются шаговые серводвигатели, ротор которых вращается не непрерывно, а дискретно (пошагово).

Согласно первому признаку все известные устройства делятся на двигатели постоянного и переменного тока. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы и востребован в определенных условиях эксплуатации.

По способу взаимодействия э/м полей статора и ротора электродвигатели подразделяются на асинхронные и синхронные. Первые отличаются от вторых тем, что скорость вращения ротора у них несколько меньше того же показателя для э/м поля статора. Он слегка отстает от вращающегося э/м потока и как бы «скользит» по нему. В синхронных устройствах такого отставания нет.

Асинхронный электродвигатель

Основными узлами являются неподвижный статор в виде медных обмоток и вращающийся ротор, вал которого передает механический импульс на приводной механизм. Катушки намотаны на сердечниках из специальной электротехнической стали, позволяющей получить нужные рабочие характеристики.

Они выполнены в виде трех групп одинаковых полюсов, разнесенных по окружности одна относительно другой на 120 градусов. На каждую такую группу от трехфазной сети подается напряжение соответствующей фазы, смещенное относительно двух других на ту же треть периода (360/3). Благодаря этому электромагнитное поле катушек перемещается по окружности статора с сетевой частотой 50 герц. При этом оно взаимодействует с э/м полем ротора, который начинает вращаться с той же радианной скоростью.

Помимо этих двух частей, асинхронный электродвигатель содержит следующие обязательные узлы:

1. Клеммная коробка.
2. Вал.
3. Статор.
4. Ротор.
5. Корпус.
6. Вентилятор.
7. Комплект подшипников скольжения.

Для охлаждения трущихся частей на корпус агрегата устанавливается вентилятор, работающий от того же трехфазного источника тока.

Асинхронные двигатели отличаются относительной дешевизной и высокой надежностью функционирования.

К недостаткам традиционно относят:

• Непостоянство скорости вращения вала.
• Сложность управления этим параметром.
• Его ограниченность по величине (не более 3000 оборотов в минуту).

Для устранения всех перечисленных недостатков был разработан синхронный электродвигатель.

Синхронные агрегаты

Этот тип электродвигателей примечателен тем, что ротор у них вращается синхронно с создаваемым статором э/м полем. В корпусе такого изделия также имеются полюса с обмотками (3). Подвижный ротор, называемый в этом случае «якорем», тоже состоит из обмоток, намотанных в пазах основания из электротехнической стали.

Выводы его катушек припаиваются к секторам коллектора 5, выполненного в виде токосъемного кольца. А на них в свою очередь подается рабочее напряжение, для чего используются графитовые щетки 4. За счет подачи напряжения на коллектор якоря в его обмотках формируется свое собственное э/м поле.

Вращающий момент в синхронных двигателях создается в результате взаимодействия между электромагнитными потоками ротора (якоря) и возбуждающей обмотки. Регулировать скорость вращения вала можно путем изменения величины прикладываемого к щеткам напряжения. В большинстве бытовых приборов, работающих по этому принципу, в качестве регулирующего органа чаще всего используется переменное сопротивление или проволочный реостат.

По способу подачи питания на вращающийся ротор все известные двигатели подразделяются на агрегаты с коллекторным подключением и обходящиеся без него. Вторая разновидность так и называется – бесколлекторные моторы. Они характеризуются высокой надежностью и привлекают пользователя низким уровнем вредных электромагнитных излучений.

К их достоинствам также относят:

• Отсутствие искрообразования, позволяющее применять эти устройства на особо опасных производствах.
• Пониженная шумность.
• Длительные сроки эксплуатации.
• Простота обслуживания.

Такие электродвигатели востребованы во взрывоопасных производствах, связанных с переработкой и перекачкой нефти и газа.

Бесколлекторные агрегаты применяются не только в промышленном производстве. Они востребованы и в быту, где на их основе производятся такие нужные в домашнем хозяйстве устройства, как электрические мясорубки, холодильники, пылесосы, а также вентиляторы, соковыжималки и т.п. Универсальность этих агрегатов заключается в том, что они выпускаются в двух исполнениях, одно из которых работает от сети переменного тока, а второе – от постоянного напряжения. Это позволяет применять такой электродвигатель в миниатюрных приборах самого широкого назначения.

Области применения асинхронных и синхронных машин

Асинхронные электродвигатели – самый распространенный тип устройств, преобразующих электрическую энергию во вращательное движение. Изделия этого класса широко применяются в самых различных областях народнохозяйственной деятельности. Чаще всего они используются в качестве приводных агрегатов, устанавливаемых в дерево- и металлообрабатывающих станках и в подобных им механизмах.

В бытовых условиях асинхронные двигатели применяются в приборах, где не требуется регулировка скорости вращения вала. К этой категории относятся следующие изделия:

• Холодильники различных типов.
• Бытовые вентиляторы.
• Стиральные машины.
• Электробритвы.
• Звуковоспроизводящая аппаратура и другие устройства.

Однофазные синхронные (коллекторные) электродвигатели нередко применяются в быту там, где требуется высокая скорость вращения, а также возможность ее плавного изменения. Они востребованы и в тех областях, где необходима частота вращения вала более 3000 оборотов в минуту. Такой электродвигатель устанавливается в профессиональном и бытовом электроинструменте (в дрелях и перфораторах, например), а также в кофемолках, пылесосах и миксерах.

Устройство и принцип работы электродвигателя

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 постоянного тока.

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 щетокили 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 следующей статье.

Принцип работы электродвигателя на современных автомобилях

Удачное авто, которое обладает высокой мощностью и хорошей динамикой, получило сегодня еще один важный критерий качества и современности. Это экономичность, которая позволяет не только экономить определенные средства в эксплуатации транспорта, но и сохранять окружающую среду, не передавая огромное количество загрязнений на мир вокруг. Достаточно помнить, что цена топлива постоянно повышается, и этому нет никаких пределов. Ресурс нефти исчерпаем, политические игры с ее стоимостью закончатся ровно в тот момент, когда количество запасов резко уменьшится. Потому мир неизбежно должен задумываться об экономичности своего транспорта.

Именно это стало основной причиной столь активных разработок электромобилей в последние годы. Конечно, сфера сталкивается с большим количеством трудностей на пути к росту, поскольку нефтяные магнаты не слишком довольны фактом расширения инфраструктуры для электромобилей. Тем не менее, машины неизбежно будут электрическими уже через несколько лет, вскоре это станет отличной альтернативой бензиновым транспортным средствам. Сегодня мы рассмотрим принцип работы некоторых типов электромобилей, а также поговорим о реальных перспективах и присутствующих победах этого транспорта.

Гибридные автомобили — оптимальная комбинация электричества и бензина

Если с вводом электромобилей для покупателей у мировых брендов пока возникает больше проблем, чем выгод, то гибриды присутствуют в модельной линейке каждого уважающего себя бренда. Сегодня гибридные авто способны на очень многое. К примеру, Lexus RX, достаточно большой кроссовер элитного класса, в своем гибридном исполнении имеет больше 300 лошадиных сил, а потребляет на трассе и в городских условиях порядка 6 литров топлива на 100 километров. Принцип работы гибридного автомобиля следующий:

• на двух колесах установлены небольшие электродвигатели (зачастую это задние колеса автомобиля);
• на передние колеса действует бензиновый двигатель, который может быть несколько меньшего объема;
• к бензиновому агрегату также подключен мощный генератор, который заряжает батарею авто;
• батарея в необходимое время восполняет свой заряд, а далее транспорт может ехать на одной только электротяге;
• когда заряд заканчивается, включается бензиновый агрегат и работает ровно нужное количество времени;
• возможна также работа всех агрегатов одновременно — в данном случае водитель получает максимум мощности;
• батарею не нужно заряжать от розетки, весь заряд выполняется с помощью бензинового (иногда дизельного) силового агрегата.

В модельной линейке компании Peugeot во Франции присутствует гибрид с дизельным двигателем. Это малый семейный кроссовер, которые потребляет рекордные 3.4 литра на 100 километров. Впрочем, это не самый экономичный автомобиль. В мире уже присутствуют гибриды, которые могут использовать от 1 литра бензина на 100 километров пробега. Такие авто имеют не слишком мощные двигатели, но для городской поездки они вполне подходят. И это также может быть шаг в будущее. Впрочем, гибридные авто имеют довольно сложную конструкцию, которую дорого обслуживать.

Чистый электромобиль — принципы работы современных систем

Сложно описать работу электромобиля в общем, поскольку сегодня компании используют различные технологии для создания необходимых характеристик и особенностей транспорта будущего. В качестве эталона все принимают концерн Tesla, который произвел легендарный автомобиль Tesla Model S. При своей цене в Америке в пределах 50 000 долларов эта машина демонстрирует невероятные характеристики. О принципе работы этой машины говорить сложно, поскольку концерн не слишком распространяется о примененных инструментах. Тем не менее, будет весьма полезно узнать даже оглашенные данные:

• практически все детали кузова, а также подвеска и некоторые элементы периферии изготовлены из облегченного алюминия;
• при производстве двигатели компания отказалась использовать дорогие редкие материалы, снизив стоимость и повысив экологичность машины;
• двигатель индукционного типа является самой главной разработкой корпорации, он очень экономично расходует заряд батареи;
• сами батареи LI-ION, их емкость зависит от комплектации, но в любой версии является достаточно большой;
• полного заряда батарей хватает на 225, 320 или на целых 425 километров экономичной поездки (запас хода зависит от комплектации и емкости батарей);
• батарею расположили под полом, чтобы значительно снизить уровень тяжести машины и придать ей спортивных характеристик, большой накат.

Все решения производителя увенчались успехом, этот электромобиль стал одним из самых успешных представителей своего класса. Тем не менее, компания Tesla не выдумала ничего такого, что не было бы известно современным производителям электрических приборов. Просто все технологии были выработаны в оптимальном исполнении. Все 250 патентов, которыми обладает автомобиль, связаны не с новыми технологиями, а с методом применения уже известных и разработанных узлов. Тем не менее, это не отменяет гениальность разработчиков и их серьезные достижения в этой непростой сфере.

Так как же работает электродвигатель в современном электромобиле?

Пока во всех электромобилях используются индукционные двигатели, задачей которых является преобразование электрической энергии в механическую. Такие силовые агрегаты не имеют вращающихся деталей, что значительно снижает стоимость их обслуживания. Ремонт двигателей связан только с восстановлением обмотки и обслуживанием двух подшипников, удерживающих вал в центре двигателя. Конструкция электродвигателя известна многие годы, но только сегодня производители автомобилей начали активно имплементировать этот узел в машины. Есть ряд проблем, которые препятствуют полному переходу на электромобили:

• для движения на электромобиле требуется достаточно много энергии, которую нужно брать из мобильных источников;
• коэффициент полезного действия электродвигателей в современном виде достигает 90%, но необходимо выработать еще больший показатель;
• батареи Li-Ion являются достаточно тяжелым, но единственным разумным источником энергии для электромобиля;
• аккумуляторы не только много весят, но и предельно дорого стоят, а их ресурс ограничен примерно 1000 перезарядок (некоторые могут выдерживать больше);
• утилизация батарей пока представляет очень большую сложность, из-за которой противники электромобилей говорят о вреде природе;
• многие считают, что эксплуатация транспорта с литий-ионными аккумуляторами сильно вредит окружающей среде;
• конструкция и особенности электродвигателя мало известны обывателю, потому противники распускают немало ложных слухов.

Многие факты, которые нам сегодня известны о работе электромобиля являются слухами, придуманными для предотвращения полного перехода на электрический транспорт. Впрочем, о полном переходе в ближайшие три десятка лет думать не приходится. Люди в большинстве стран не могут позволить себе купить электромобиль, стоимость которого стартует с 30-40 тысяч долларов за маленький хэтчбек с небольшим максимальным пробегом. Да и сеть заправок необходимо оборудовать, чтобы за несколько минут восполнять все потери батареи. Предлагаем посмотреть репортаж о мастере, который переделывает обычные машины на электромобили:

Подводим итоги

Развитие электромобилей является одним из самых интересных направлений деятельности современной сферы автомобилестроения. Тем не менее, есть много спорных фактов, которые могут стать настоящей проблемой для этой отрасли. Пока идут споры о том, будет ли стандартный бензиновый и дизельный транспорт заменен на электрические автомобили, но эти споры беспочвенны. Бензиновые авто в течение следующих трех десятилетий отойдут в историю по причине окончания запасов нефти. Этот ресурс станет слишком дорогим для того, чтобы заливать его в баки автомобилей.

Но станет ли электричество следующим топливом для массового транспорта, или вид персонального средства передвижения вообще изменится до неузнаваемости? Вопросов в этом деле больше чем ответов, потому мы не будем делать никаких догадок. Можно наблюдать за развитием технологий автомобильного рынка и делать собственные выводы по поводу его дальнейших шагов. Как вы думаете, станут ли электромобили следующим мировым транспортом с огромным количеством покупателей и массовой заменой бензиновых машин?

Источник http://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/ustrojstva/elektrodvigatel/

Источник http://elektro-enot.ru/ustrojstvo-i-princip-raboty-elektrodvigatelya/

Источник http://avto-flot.ru/blog/printsip-rabotyi-elektrodvigatelya-na-sovremennyih-avtomobilyah.html