Принцип действия электродвигателя: как он работает

ИНФОФИЗ

Все знают, что это невозможно. Но вот приходит невежда, которому это неизвестно — он-то и делает открытие.

Альберт Эйнштейн

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

Учу детей тому, как надо учиться

Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно.

Урок 36 (дополнительный материал). Принцип действия электродвигателя. Электроизмерительные приборы

Принцип действия электродвигателя.

Электродвигательэто просто устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую.

В основе этого преобразования лежит магнетизм. В электродвигателях используются постоянные магниты и электромагниты, кроме того, используются магнитные свойства различных материалов, чтобы создавать эти удивительные устройства.

Существует несколько типов электродвигателей. Отметим два главных класса: AC и DC.

Электродвигатели класса AC (Alternating Current) требуют для работы источник переменного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти в любой электрической розетке в доме).

Электродвигатели класса DC (Direct Current) требуют для работы источник постоянного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти в любой батарейке).

Универсальные двигатели могут работать от источника любого типа.

Не только конструкция двигателей различна, различны способы контроля скорости и вращающего момента, хотя принцип преобразования энергии одинаков для всех типов.

Устройство и принцип работы простейшего электродвигателя.

В основе конструкции электрического двигателя лежит эффект, обнаруженный Майклом Фарадеем в 1821 году: что взаимодействие электрического тока и магнита может вызывать непрерывное вращение. Один из первых двигателей, нашедших практическое применение, был двигатель Бориса Семеновича Якоби (1801 –1874), приводивший в движение катер с 12 пассажирами на борту. Однако для широкого использования электродвигателя необходим был источник дешевой электроэнергии — электромагнитный генератор.

Принцип работы электродвигателя очень прост: вращение вызывается силами магнитного притяжения и отталкивания, действующими между полюсами подвижного электромагнита (ротора) и соответствующими полюсами внешнего магнитного поля, создаваемого неподвижным электромагнитом (или постоянным магнитом) — статором.

Вращающаяся часть электрической машины называется ротором (или якорем), а неподвижная – статором. В простом электродвигателе постоянного тока блок катушки служит ротором, а постоянный магнит – статором.

Сложность заключается в том, чтобы добиться непрерывного вращения двигателя. А для этого надо сделать так, чтобы полюс подвижного электромагнита, притянувшись к противоположному полюсу статора, автоматически менялся на противоположный — тогда ротор не замрет на месте, а повернется дальше — по инерции и под действием возникшего в этот момент отталкивания.

Для автоматического переключения полюсов ротора служит коллектор. Он представляет собой пару закрепленных на валу ротора пластин, к которым подключены обмотки ротора. Ток на эти пластины подается через токоснимающие контакты (щетки). При повороте ротора на 180° пластины меняются местами — это автоматически меняет направление тока и, следовательно, полюсы подвижного электромагнита. Так как одноименные полюсы взаимно отталкиваются, катушка продолжает вращаться, а ее полюсы притягиваются к соответствующим полюсам на другой стороне магнита.

Простейший электродвигатель

Простейший электродвигатель работает только на постоянном токе (от батарейки). Ток проходит по рамке, расположенной между полюсами постоянного магнита. Взаимодействие магнитных полей рамки с током и магнита заставляет рамку поворачиваться. После каждого полуоборота коллектор переключает контакты рамки, подходящие к батарейке, и поэтому рамка вращается.

В некоторых двигателях для создания магнитного поля вместо постоянного магнита служит электромагнит. Витки проволоки такого электромагнита называются обмоткой возбуждения.

Электродвигатели используются повсюду. Даже дома вы можете обнаружить огромное количество электродвигателей. Электродвигатели используются в часах, в вентиляторе микроволновой печи, в стиральной машине, в компьютерных вентиляторах, в кондиционере, в соковыжималке и т. д. и т. п. Ну а электродвигатели, применяемые в промышленности, можно перечислять бесконечно. Диапазон физических размеров – от размера со спичечную головку до размера локомотивного двигателя.

Показанный ниже промышленный электродвигатель работает и на постоянном, и на переменном токе. Его статор – это электромагнит, создающий магнитное поле. Обмотки двигателя поочередно подключаются через щетки к источнику питания. Одна за другой они поворачивают ротор на небольшой угол, и ротор непрерывно вращается.

Промышленный электродвигатель

Электроизмерительные приборы.

Электроизмерительные приборы – класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин.

Группа электромагнитных приборов является наиболее распространенной. Принцип их действия, использованный впервые еще Ф. Кольраушем в 1884 году, основан на перемещении подвижной железной части под влиянием магнитного потока, создаваемого катушкой, по которой пропускается ток. Практическое осуществление этого принципа отличается разнообразием.

Ориентирующее действие магнитного поля на контур с током используют в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы – амперметрах, вольтметрах и др.

Устройство прибора магнитоэлектрической системы

Измерительный прибор магнитоэлектрической системы устроен следующим образом.

Берут лёгкую алюминиевую рамку 2 прямоугольной формы, наматывают на неё катушку из тонкого провода. Рамку крепят на двух полуосях О и О’, к которым прикреплена также стрелка прибора 4. Ось удерживается двумя тонкими спиральными пружинами 3. Силы упругости пружин, возвращающие рамку к положению равновесия в отсутствие тока, подобраны такими, чтобы были пропорциональными углу отклонения стрелки от положения равновесия. Катушку помещают между полюсами постоянного магнита М с наконечниками формы полого цилиндра. Внутри катушки располагают цилиндр 1 из мягкого железа. Такая конструкция обеспечивает радиальное направление линий магнитной индукции в области нахождения витков катушки (см рисунок).

В результате при любом положении катушки силы, действующие на нее со стороны магнитного поля, максимальны и при неизменной силе тока постоянны. Векторы F и –F изображают силы, действующие на катушку со стороны магнитного поля и поворачивающие ее. Катушка с током поворачивается до тех пор, пока силы упругости со стороны пружины не уравновесят силы, действующие на рамку со стороны магнитного поля. Увеличивая силу тока в рамке в 2 раза, рамка повернётся на угол, вдвое больший. Это происходит потому, что Fm~I.

Читайте также:
Мутная вода в колодце весной: причины, способы устранения и профилактические меры

Силы, действующие на рамку с током прямо пропорциональны силе тока, то есть можно, проградуировав прибор, измерять силу тока в рамке.

Точно так же можно прибор настроить на измерение напряжения в цепи, если проградуировать шкалу в вольтах, причём сопротивление рамки с током должно быть выбрано очень большим по сравнению с сопротивлением участка цепи, на котором измеряем напряжение.

Дополнительные материалы.

2. Презентация “Электроизмерительные приборы” скачать с Яндекса

Принцип действия и устройство электродвигателя

Любой электрический двигатель предназначен для совершения механической работы за счет расхода приложенной к нему электроэнергии, которая преобразуется, как правило, во вращательное движение. Хотя в технике встречаются модели, которые сразу создают поступательное движение рабочего органа. Их называют линейными двигателями.

В промышленных установках электромоторы приводят в действие различные станки и механические устройства, участвующие в технологическом производственном процессе.

Внутри бытовых приборов электродвигатели работают в стиральных машинах, пылесосах, компьютерах, фенах, детских игрушках, часах и многих других устройствах.

Принцип действия и устройство электродвигателя

Основные физические процессы и принцип действия

На движущиеся внутри магнитного поля электрические заряды, которые называют электрическим током, всегда действует механическая сила, стремящаяся отклонить их направление в плоскости, расположенной перпендикулярно ориентации магнитных силовых линий. Когда электрический ток проходит по металлическому проводнику или выполненной из него катушке, то эта сила стремится подвинуть/повернуть каждый проводник с током и всю обмотку в целом.

На картинке ниже показана металлическая рамка, по которой течет ток. Приложенное к ней магнитное поле создает для каждой ветви рамки силу F, создающую вращательное движение.

Принцип работы электродвигателя

Это свойство взаимодействия электрической и магнитной энергии на основе создания электродвижущей силы в замкнутом токопроводящем контуре положено в работу любого электродвигателя. В его конструкцию входят:

обмотка, по которой протекает электрический ток. Ее располагают на специальном сердечнике-якоре и закрепляют в подшипниках вращения для уменьшения противодействия сил трения. Эту конструкцию называют ротором;

статор, создающий магнитное поле, которое своими силовыми линиями пронизывает проходящие по виткам обмотки ротора электрические заряды;

корпус для размещения статора. Внутри корпуса сделаны специальные посадочные гнезда, внутри которых вмонтированы внешние обоймы подшипников ротора.

Упрощенно конструкцию наиболее простого электродвигателя можно представить картинкой следующего вида.

Принципиальная схема конструкции электродвигателя

При вращении ротора создается крутящий момент, мощность которого зависит от общей конструкции устройства, величины приложенной электрической энергии, ее потерь при преобразованиях.

Величина максимально возможной мощности крутящего момента двигателя всегда меньше приложенной к нему электрической энергии. Она характеризуется величиной коэффициента полезного действия.

По виду протекающего по обмоткам тока их подразделяют на двигатели постоянного или переменного тока. Каждая из этих двух групп имеет большое количество модификаций, использующих различные технологические процессы.

Электродвигатели постоянного тока

У них магнитное поле статора создается стационарно закрепленными постоянными магнитами либо специальными электромагнитами с обмотками возбуждения. Обмотка якоря жестко вмонтирована в вал, который закреплен в подшипниках и может свободно вращаться вокруг собственной оси.

Принципиальное устройство такого двигателя показано на рисунке.

Принцип устройства электродвигателя постоянного тока

На сердечнике якоря из ферромагнитных материалов расположена обмотка, состоящая из двух последовательно соединенных частей, которые одним концом подключены к токопроводящим коллекторным пластинам, а другим скоммутированы между собой. Две щетки из графита расположены на диаметрально противоположных концах якоря и прижимаются к контактным площадкам коллекторных пластин.

На нижнюю щетку рисунка подводится положительный потенциал постоянного источника тока, а на верхнюю — отрицательный. Направление протекающего по обмотке тока показано пунктирной красной стрелкой.

Ток вызывает в нижней левой части якоря магнитное поле северного полюса, а в правой верхней — южного (правило буравчика). Это приводит к отталкиванию полюсов ротора от одноименных стационарных и притяжению к разноименным полюсам на статоре. В результате приложенной силы возникает вращательное движение, направление которого указывает коричневая стрелка.

При дальнейшем вращении якоря по инерции полюса переходят на другие коллекторные пластины. Направление тока в них изменяется на противоположное. Ротор продолжает дальнейшее вращение.

Простая конструкция подобного коллекторного устройства приводит к большим потерям электрической энергии. Подобные двигатели работают в приборах простой конструкции или игрушках для детей.

Электродвигатели постоянного тока, участвующие в производственном процессе, имеют более сложную конструкцию:

обмотка секционирована не на две, а на большее количество частей;

каждая секция обмотки смонтирована на своем полюсе;

коллекторное устройство выполнено определенным количеством контактных площадок по числу секций обмоток.

В результате этого создается плавное подключение каждого полюса через свои контактные пластины к щеткам и источнику тока, снижаются потери электроэнергии.

Устройство подобного якоря показано на картинке.

Конструкция якоря электродвигателя постоянного тока

У электрических двигателей постоянного тока можно реверсировать направление вращения ротора. Для этого достаточно изменить движение тока в обмотке на противоположное сменой полярности на источнике.

Электродвигатели переменного тока

Они отличаются от предыдущих конструкций тем, что электрический ток, протекающий в их обмотке, описывается по синусоидальному гармоническому закону, периодически изменяющему свое направление (знак). Для их питания напряжение подается от генераторов со знакопеременной величиной.

Статор таких двигателей выполняется магнитопроводом. Его делают из ферромагнитных пластин с пазами, в которые помещают витки обмотки с конфигурацией рамки (катушки).

Магнитопровод статора электродвигателя постоянного тока

На картинке ниже показан принцип работы однофазного двигателя переменного тока с синхронным вращением электромагнитных полей ротора и статора.

Взаимодействие магнитных полей ротора и стотора у синхронного двигателя

В пазах статорного магнитопровода по диаметрально противоположным концам размещены проводники обмотки, схематично показанные в виде рамки, по которой протекает переменный ток.

Рассмотрим случай для момента времени, соответствующего прохождению положительной части его полуволны.

В обоймах подшипника свободно вращается ротор с вмонтированным постоянным магнитом, у которого ярко выражены северный «N рот» и южный «S рот» полюса. При протекании положительной полуволны тока по обмотке статора в ней создается магнитное поле с полюсами «S ст» и «N ст».

Читайте также:
Ремонт спальни идей дизайна в спальной комнате, варианты современного евроремонта в маленькой квартире и спальне, бюджетный интерьер

Между магнитными полями ротора и статора возникают силы взаимодействия (одноименные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются), которые стремятся повернуть якорь электродвигателя из произвольного положения в окончательное, когда осуществляется максимально близкое расположение противоположных полюсов относительно друг друга.

Если рассматривать этот же случай, но для момента времени, когда по рамочному проводнику протекает обратная — отрицательная полуволна тока, то вращение якоря будет происходить в противоположную сторону.

Для придания непрерывного движения ротору в статоре делают не одну обмотку-рамку, а определенное их количество с таким учетом, чтобы каждая их них питалась от отдельного источника тока.

Принцип работы трехфазного двигателя переменного тока с синхронным вращением электромагнитных полей ротора и статора показан на следующей картинке.

Трехфазный синхронный двигатель

В этой конструкции внутри магнитопровода статора смонтированы три обмотки А, В и С, смещенные на углы 120 градусов между собой. Обмотка А выделена желтым цветом, В — зеленым, а С — красным. Каждая обмотка выполнена такими же рамками, как и в предыдущем случае.

На картинке для каждого случая ток проходит только по одной обмотке в прямом или обратном направлении, которое показано значками «+» и «-».

При прохождении положительной полуволны по фазе А в прямом направлении ось поля ротора занимает горизонтальное положение потому, что магнитные полюса статора формируются в этой плоскости и притягивают подвижный якорь. Разноименные полюса ротора стремятся приблизиться к полюсам статора.

Когда положительная полуволна пойдет по фазе С, то якорь повернется на 60 градусов по ходу часовой стрелки. После подачи тока в фазу В произойдет аналогичный поворот якоря. Каждое очередное протекание тока в очередной фазе следующей обмотки будет вращать ротор.

Если к каждой обмотке подвести сдвинутое по углу 120 градусов напряжение трехфазной сети, то в них будут циркулировать переменные токи, которые раскрутят якорь и создадут его синхронное вращение с подведенным электромагнитным полем.

Токи в фазах статора у трехфазного синхронного двигателя

Эта же механическая конструкция успешно применяется в трехфазном шаговом двигателе . Только в каждую обмотку с помощью управления специальным контроллером (драйвером шагового двигателя) подаются и снимаются импульсы постоянного тока по описанному выше алгоритму.

Токи в фазах статора у трехфазного шагового двигателя

Их запуск начинает вращательное движение, а прекращение в определенный момент времени обеспечивает дозированный поворот вала и остановку на запрограммированный угол для выполнения определенных технологических операций.

В обеих описанных трехфазных системах возможно изменение направления вращения якоря. Для этого надо просто поменять чередование фаз «А»-«В»-«С» на другое, например, «А»-«С»-«В».

Скорость вращения ротора регулируется продолжительностью периода Т. Его сокращение приводит к ускорению вращения. Величина амплитуды тока в фазе зависит от внутреннего сопротивления обмотки и значения приложенного к ней напряжения. Она определяет величину крутящего момента и мощности электрического двигателя.

Эти конструкции двигателей имеют такой же статорный магнитопровод с обмотками, как и в ранее рассмотренных однофазных и трехфазных моделях. Они получили свое название из-за несинхронного вращения электромагнитных полей якоря и статора. Сделано это за счет усовершенствования конфигурации ротора.

Принцип конструктивного исполнения ротора асинхронного двигателя

Его сердечник набран из пластин электротехнических марок стали с пазами. В них вмонтированы алюминиевые либо медные тоководы, которые по концам якоря замкнуты токопроводящими кольцами.

Когда к обмоткам статора подводится напряжение, то в обмотке ротора электродвижущей силой наводится электрический ток и создается магнитное поле якоря. При взаимодействии этих электромагнитных полей начинается вращение вала двигателя.

У этой конструкции движение ротора возможно только после того, как возникло вращающееся электромагнитное поле в статоре и оно продолжается в несинхронном режиме работы с ним.

Асинхронные двигатели проще в конструктивном исполнении. Поэтому они дешевле и массово применяются в промышленных установках и бытовой домашней технике.

Взрывозащищенный электродвигатель ABB

Взрывозащищенный электродвигатель ABB

Многие рабочие органы промышленных механизмов выполняют возвратно-поступательное или поступательное движение в одной плоскости, необходимое для работы металлообрабатывающих станков, транспортных средств, ударов молота при забивании свай …

Перемещение такого рабочего органа с помощью редукторов, шариковинтовых, ременных передач и подобных механических устройств от вращательного электродвигателя усложняет конструкцию. Современное техническое решение этой проблемы — работа линейного электрического двигателя.

Принцип устройства линейного электродвигателя

У него статор и ротор вытянуты в виде полос, а не свернуты кольцами, как у вращательных электродвигателей.

Принцип работы заключается в придании возвратно-поступательного линейного перемещения бегуну-ротору за счет передачи электромагнитной энергии от неподвижного статора с незамкнутым магнитопроводом определенной длины. Внутри него поочередным включением тока создается бегущее магнитное поле.

Оно воздействует на обмотку якоря с коллектором. Возникающие в таком двигателе силы перемещают ротор только в линейном направлении по направляющим элементам.

Линейные двигатели конструируются для работы на постоянном или переменном токе, могут работать в синхронном либо асинхронном режиме.

Электродвигатели

Электрический двигатель, сокращенно электродвигатель – электрическая машина, с помощью которой электрическая энергия преобразуется в механическую, для приведения в движение различных механизмов. Электродвигатель является основным элементом электропривода.

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является – электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор – неподвижная часть, ротор – вращающаяся часть.

Стандартная конструкция вращающегося электродвигателя

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Читайте также:
Перепланировка: как увеличить обеденную зону на кухне 5 кв. м

Принцип работы электродвигателя

Принцип работы двигателя

2. Если проводник с током I согнуть в рамку и поместить в магнитное поле, то две стороны рамки, находящиеся под прямым углом к магнитному полю, будут испытывать противоположно направленные силы F

Принцип работы электродвигателя

Принцип действия электродвигателя

4. Производимые электродвигатели имеют несколько витков на якоре, чтобы обеспечить больший постоянный момент.

Принцип работы двигателя

5. Магнитное поле может создаваться как магнитами, так и электромагнитами. Электромагнит обычно представляет из себя провод намотанный на сердечник. Таким образом, по закону электромагнитной индукции ток протекающий в рамки будет индуцировать ток в обмотки электромагнита, который в свою очередь будет создавать магнитное поле.

    Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:

Классификация электродвигателей

      Включение обмотки
    • БДПТ
      (Бесколлекторный двигатель + ЭП |+ ДПР)
    • ВРД
      (Реактивный двигатель с ротором с явновыраженными полюсами и сосредоточенной обмоткой статора + ЭП |+ ДПР)

      (многофазный)

      (с контактными кольцами и щетками) –> 5 –>
      • СДПМВ
      • СДПМП
      • Гибридный
      1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, – датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
      2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
      3. Вентильный электродвигатель постоянного тока – электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
      4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
      5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.
      • КДПТ – коллекторный двигатель постоянного тока
      • БДПТ – бесколлекторный двигатель постоянного тока
      • ЭП – электрический преобразователь
      • ДПР – датчик положения ротора
      • ВРД – вентильный реактивный двигатель
      • АДКР – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
      • АДФР – асинхронный двигатель с фазным ротором
      • СДОВ – синхронный двигатель с обмоткой возбуждения
      • СДПМ – синхронный двигатель с постоянными магнитами
      • СДПМП – синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
      • СДПМВ – синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами
      • СРД – синхронный реактивный двигатель
      • ПМ – постоянные магниты
      • ЧП – частотный преобразователь

      Типы электродвигателей

      Коллекторные электродвигатели

      Коллекторная машина – вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

      Универсальный электродвигатель

      Универсальный электродвигатель

      Может работать на переменном и постоянном токе. Широко используется в ручном электроинструменте и в некоторых бытовых приборах (в пылесосах, стиральных машинах и др.). В США и Европе использовался как тяговый электродвигатель. Получил большое распространение благодаря небольшим размерам, относительно низкой цены и легкости управления.

      Коллекторный электродвигатель постоянного тока

      Коллекторный электродвигатель постоянного тока

      Электрическая машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую. Преимуществами электродвигателя постоянного тока являются: высокий пусковой момент, быстродействие, возможность плавного управления частотой вращения, простота устройства и управления. Недостатком двигателя является необходимость обслуживания коллекторно-щеточных узлов и ограниченный срок службы из-за износа коллектора.

      Бесколлекторные электродвигатели

      У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

      Бесщеточная машина – вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

      Асинхронный электродвигатель

      Наиболее распространенный электродвигатель в промышленности. Достоинствами электродвигателя являются: простота конструкции, надежность, низкая себестоимость, высокий срок службы, высокий пусковой момент и перегрузочная способность. Недостатком асинхронного электродвигателя является сложность регулирования частоты вращения.

      Cинхронный электродвигатель

      Синхронные двигатели обычно используются в задачах, где требуется точное управление скоростью вращения, либо где требуется максимальное значение таких параметров как мощность/объем, КПД и др.

      Специальные электродвигатели

      Серводвигатель

      Серводвигатели не являются отдельным классом двигателей. В качестве серводвигателя могут использоваться электродвигатели постоянного и переменного тока с датчиком положения ротора. Серводвигатель используется в составе сервомеханизма для точного управления угловым положением, скоростью и ускорением исполнительного механизма. Для работы серводвигатель требует относительно сложную систему управления, которая обычно разрабатывается специально для сервопривода.

      Основные параметры электродвигателя

      Момент электродвигателя

      Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) – векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

      ,

      • где M – вращающий момент, Нм,
      • F – сила, Н,
      • r – радиус-вектор, м

      ,

      • где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
      • nном – номинальная частота вращения, мин -1 [4]

      Начальный пусковой момент – момент электродвигателя при пуске.

      Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

      1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
      1 lb = 4,448222 N (Н)

      момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

      1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
      1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

      Мощность электродвигателя

      Мощность электродвигателя – это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

      Механическая мощность

      Мощность – физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

      ,

      • где P – мощность, Вт,
      • A – работа, Дж,
      • t – время, с

      Работа – скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

      ,

      • где s – расстояние, м

      Для вращательного движения

      ,

      ,

      Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

      Справка: Номинальное значение – значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

      Коэффициент полезного действия электродвигателя

      Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя – характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

      ,

      • где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
      • P1 – подведенная мощность (электрическая), Вт,
      • P2 – полезная мощность (механическая), Вт
        При этом потери в электродвигатели обусловлены:
      • электрическими потерями – в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
      • магнитными потерями – потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
      • механическими потерями – потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
      • дополнительными потерями – потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

      КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

      Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

      IEC 60034-31

      Частота вращения

      • где n – частота вращения электродвигателя, об/мин

      Момент инерции ротора

      Момент инерции – скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

      ,

      • где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
      • m – масса, кг

      1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

      Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

      ,

      ,

      Номинальное напряжение

      Номинальное напряжение (англ. rated voltage) – напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

      Электрическая постоянная времени

      Электрическая постоянная времени – это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

      ,

      Механическая характеристика

      Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

      Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

      Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

      Сравнение механических характеристик электродвигателей разных типов

      Зависимость мощности от скорости вращения вала для двигателей разных типов

      Зависимость мощности от скорости вращения вала для двигателей разных типов при ограниченном токе статора

      Устройство и принцип работы электродвигателя

      Как разобратУстройство электродвигателяь электродвигатель своими руками

      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

      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.

      Устройство и принцип работы асинхронного электродвигателя

      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

      Устройство синхронного электродвигателя

      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

      Принцип работы электродвигателя основывается на эффекте обнаруженном Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита, может возникнуть непрерывное вращение.

      Принцип работы электродвигателя постоянного тока

      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 положение, 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 выше 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.

      Простыми словами о сложном

      На самом деле там векторное произведение, дифференциалы и т.п. но это детали, а у нас упрощённый случай. И так…

      Принцип работы электродвигателя

      Рис. 1 Основа работы электрического двигателя

      Направление силы ампера определяется правилом левой руки.

      Принцип работы электродвигателя

      Рис. 2 Правило левой руки

      Мысленно ставим левую ладонь на верхний рисунок и получаем направление сил Ампера. Она типа растягивают рамку с током в том положении как нарисовано на рис.1. И никуда вертеться тут ничего не будет, рамка в равновесии, устойчивом.

      А если рамка с током повернута по-другому, то вот что будет:

      Принцип работы электродвигателя

      Рис. 3 Рамка

      Здесь уже равновесия нет, сила Ампера разворачивает противоположные стенки так, что рамка начинает вращаться. Появляется механическое вращение. Это основа электрического двигателя, самая суть, дальше только детали.

      Теперь что будет делать рамка с током на рис.3?. Если система идеальная, без трения, то очевидно будут колебания. Если трение присутствует, то колебания постепенно затухнут, рамка с током стабилизируется и станет как на рис.1.

      Но нам нужно постоянное вращение и достичь его можно двумя принципиально разными способами и отсюда и возникает разница между двигателями постоянного и переменного трёхфазного тока.

      Принцип работы электродвигателя постоянного тока

      Способ 1. Смена направления тока в рамке.

      Этот способ используется в двигателях постоянного тока и его потомках.

      Наблюдаем за картинками. Пусть наш двигатель обесточен и рамка с током ориентирована как-то хаотично, вот так например:

      Принцип работы электродвигателя

      Рис. 4.1 Случайно расположенная рамка

      На случайно расположенную рамку действует сила Ампера и она начинает вращаться.

      Принцип работы электродвигателя

      Рис. 4.2

      В процессе движения рамка достигает угла 90°. Момент (момент пары сил или вращательный момент) максимальный.

      Принцип работы электродвигателя

      Рис. 4.3

      И вот рамка достигает положения, когда момента вращения нет. И если сейчас не отключить ток, то сила Ампера будет уже тормозить рамку и в конце полуоборота рамка остановится и начнёт вращение в противоположном направлении. Но нам ведь этого не надо.

      Поэтому мы на рис.3 делаем хитрый ход – меняем направление тока в рамке.

      Принцип работы электродвигателя

      Рис. 4.4

      И вот после пересечения этого положения, рамка с поменянным направлением тока уже не тормозится, а снова разгоняется.

      Принцип работы электродвигателя

      Рис. 4.5

      А когда рамка подходит к следующему положению равновесия, мы меняем ток ещё раз.

      Принцип работы электродвигателя

      Рис. 4.6

      И рамка опять продолжает ускоряться куда нам надо.

      Вот так и получается постоянное вращение. Красиво? Красиво. Нужно только менять направление тока два раза за оборот и всего делов.

      А делает это, т.е. обеспечивает смену тока специальный узел – щёточно-коллекторный узел. Принципиально он устроен так:

      Принцип работы электродвигателя

      Рис. 5

      Рисунок понятен и без пояснений. Рамка трётся то об один контакт, то об другой и так вот ток и меняется.

      Очень важная особенность щёточно-коллекторного узла – его малый ресурс. Из-за трения. Например, вот движок ДПР-52-Н1 – минимальная наработка 1000 часов. В то же время срок службы современных бесколлекторных двигателей более 10000 часов, а двигателей переменного тока (там тоже нет ЩКУ) более 40000 часов.

      Принцип работы электродвигателя переменного тока

      Способ 2. Вращается магнитный поток, т.е. магнитное поле.

      Вращающееся магнитное поле получают с помощью переменного трёхфазного тока. Вот есть статор.

      Принцип работы электродвигателя

      Рис. 6 Статор электродвигателя

      А есть значит 3 фазы переменного тока.

      Принцип работы электродвигателя

      Рис. 7

      Между ними как видно на Рис. 7 120 градусов, электрических градусов.

      Эти три фазы укладывают в статор специальным образом, чтобы они геометрически были повернуты друг к дружке на 120°.

      Принцип работы электродвигателя

      Рис. 8

      И тогда при подаче трёхфазного питания получается само собой за счёт складывания магнитных потоков от трёх обмоток вращающееся магнитное поле.

      Принцип работы электродвигателя
      Рис. 9 Вращающееся магнитное поле

      Далее вращающееся магнитное поле влияет силой Ампера на нашу рамку и она вращается.

      Но здесь есть тоже различия, два разных способа.

      Способ 2а. Рамка запитывается (синхронный двигатель).

      Подаём значит на рамку напряжение (постоянное), рамка выставляется по магнитному полю. Помните рис.1 из самого начала? Вот так рамка и становится.

      Принципы работы электрического двигателя

      Рис. 10 (Рис.1)

      Но поле магнитное у нас тут вращается, а не просто так висит. Рамка чего будет делать? Тоже будет вращаться, следуя за магнитным полем.

      Они (рамка и поле) вращаются с одинаковой частотой, или синхронно, поэтому такие двигатели называются синхронными двигателями.

      Способ 2б. Рамка не запитывается (асинхронный двигатель).

      Фишка в том, что рамка не запитывается, совсем не запитывается. Просто проволока такая замкнутая.

      Когда мы начинаем вращать магнитное поле, по законам электромагнетизма в рамке наводится ток. От этого тока и магнитного поля получается сила Ампера. Но сила Ампера будет возникать только если рамка движется относительно магнитного поля (известная история с опытами Ампера и его походами в соседнюю комнату).

      Так что рамка всегда будет отставать от магнитного поля. А то, если она его вдруг почему-то догонит, то пропадёт наводка от поля, пропадёт ток, пропадёт сила Ампера и всё вообще пропадёт. То есть, в асинхронном двигателе рамка всегда отстаёт от поля и частота у них значит разная, то есть вращаются они асинхронно, поэтому и двигатель называется асинхронным.

      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

      Таблица классификации различает электродвигатели по разным признакам, основные из них – тип питания и принцип работы. Первый делит устройства на электродвигатели постоянного тока (работают на аккумуляторах, батарейках, других источниках) и переменного тока (запитаны напрямую от электрической сети).

      По принципу работы электрические двигатели делят на синхронные и асинхронные.

      • Синхронные электродвигатели сложнее в плане конструкции. У них есть обмотка ротора, а питание подается через щеточный механизм. Свое название получили благодаря синхронности вращения с магнитным полем, которое его запускает.
      • Асинхронные просты в сборке, а потому пользуются самой большой популярностью (нет обмотки, щеток и т. д.). Их роторы двигаются медленнее магнитного поля, что определяет асинхронность вращения электродвигателя и его название.

      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

      • коллектору;
      • щеточному механизму (2 щетки + 2 пластины/ламели);
      • ротору электрического двигателя (якорь, в синхронном двигателе имеет 1 обмотку);
      • статору, на котором устанавливаются магниты (в электродвигателях постоянного тока – постоянные).

      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:

      • ротор вращается, меняя направление тока;
      • когда якорь совершает поворот на 180 градусов, ламели меняются местами;
      • при смене позиций пластин меняется и направление тока, и (соответственно) полюсы магнита;
      • одноименные полюсы, подчиняясь законам физики, взаимно отталкиваются – катушка вращается, ее полюсы притягиваются к противоположным полюсам на другой стороне магнита.

      Статор электрического двигателя

      Статор – стационарный или неподвижный блок электродвигателя. Другое название – индуктор . Он включает несколько обмоток со сменяемой полярностью (при прохождении переменного тока), что и обеспечивает образование магнитного поля. В большинстве случаев статор имеет 2 пары основных полюсов, но может включать и вспомогательные для лучшего переключения ротора на коллекторе.

      Принцип работы электрического двигателя

      3.jpg

      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:

      • магнитное поле статора пропорционально электронапряжению в сети;
      • магнитный поток, создаваемый вращающимся полем, пропорционален току.

      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.

      Так возникает крутящий момент – тот самый ключевой процесс, ради которого собирается вся конструкция электродвигателя . Учитывая роль статора и ротора в работе электродвигателя переменного тока, несложно заключить, что именно эти 2 элемента имеют самое большое значение в его сборке.

      Электрический двигатель постоянного тока (принцип работы синхронного электродвигателя)

      4.jpg

      Под синхронными электрическими двигателями понимают устройства постоянного тока. Принцип работы такого устройства можно кратко описать 4 пунктами:

      • к обмотке статора (ее еще называют индукторной или обмоткой возбуждения) подается постоянный ток;
      • проходя через обмотку, ток образует постоянное магнитное поле возбуждения (используется постоянный магнит);
      • к роторной обмотке тоже подается постоянный ток, на который воздействует поле статора, обеспечивая возникновение крутящего момента;
      • под действием вращательной силы, ротор поворачивается на 90 градусов.

      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 каждого стержня формируется собственная обмотка из проводника, который подключается к шине питания («+» и «-»);
      • включение одноименных полюсов осуществляется последовательно;
      • количество пар полюсов – 1 или 4;
      • число щеток коллектора должно соответствовать этому количеству пар.

      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

      5.jpg

      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)

      УКД (двигатели универсального использования) применяются в маломощных устройствах и электроинструментах (бытовых, профессиональных) – везде, где требуется высокий момент вращения на хорошей скорости, плавная регулировка числа оборотов и небольшие пусковые токи. По конструкции УКД повторяют синхронные с последовательной схемой электродвигателя .

      Принцип работы УКД:

      • при подаче напряжения на статоре возникает магнитное поле;
      • исполнение магнитного провода в УКД несколько отличается – здесь они сделаны не цельнолитыми, а сборными во избежание перемагничивания и нагрева токами Фуко;
      • вспомогательная обмотка ротора (индуктивность) подключается к питанию последовательно, что позволяет настраивать одинаковую направленность магнитных полей статора и ротора в одной фазе;
      • магнитные поля индуктора и якоря практически полностью синхронны – электродвигатель набирает скорость вращения при высоких нагрузках, что важно для работы многих инструментов (перфораторов, шуруповертов, пылесосов, точильных аппаратов и т. д.).

      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

      6.jpg

      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:

      • на каждый статор наматывается 3 обмотки;
      • к каждой обмотке подключается 1 из 3 фаз;
      • для охлаждения обмоток, которые сильно нагреваются, пропуская через себя переменные токи, на торцовый вал электрического двигателя устанавливается кулер (вентилятор).

      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.

      • напряжение, подаваемое с 3 фаз на обмотки статора, образует магнитное поле (частота его вращения равна частоте вращения в сети – 50 Гц);
      • ротор располагается внутри индуктора, и в нем тоже возникает свое поле;
      • поле ротора отталкивается от поля статора, образуя вращательный момент.

      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 машинах с высокими показателями мощности используют фазный якорь с тремя соединенными «звездой» обмотками;
      • подключение роторных обмоток осуществляется не напрямую к электросети, а через коллектор (щетки, пластины), соединенный с пусковым реостатом.

      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

      7.jpg

      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:

      • простая эксплуатация;
      • низкая цена;
      • надежность;
      • эффективность в части контроля момента вращения и ее скоростью. Она обеспечивается за счет управляемости электрического двигателя (его динамикой) с помощью сигнала (цифрового или аналогового). Плюс, 3-фазный электродвигатель можно «заставить» вращаться в любом направлении, если изменить направление переменного тока на роторной обмотке.
      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:

      • на статоре формируются минимум 2 обмотки – пусковая и рабочая;
      • оси обмоток должны быть сдвинуты по отношению друг к другу на 90%;
      • в конструкции добавляется еще один элемент – фазосдвигающий (это может быть катушка, конденсатор или резистор);
      • питание осуществляется через подачу переменного тока на обмотку.

      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

      9.jpg

      По сравнению с 3-фазными 1-фазные асинхронные двигатели несколько проигрывают по ряду характеристик:

      • мощность первых как минимум на 30% ниже при аналогичных размерах;
      • однофазные устройства не способны работать на холостом ходу дольше 5–10 минут;
      • перегрузочная способность у трехфазных значительно выше.

      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.

      Электродвигатель

      Если вы увлекаетесь техникой , то наша статья будет интересна к ознакомлению . В ней мы объясним читателям принцип работы электродвигателей и сложную систему их классификации . Из материала можно будет узнать , какими бывают виды электродвигателей , где наиболее часто они используются и почему эти устройства так популярны .

      Виды и особенности электродвигателей

      Наш материал будет посвящен электроприводу — одному из самых старых устройств , разработка которого началась еще в середине XIX столетия . Впрочем , несмотря на прошедшие века , эти устройства вполне комфортно чувствуют себя и в первой четверти 21 века . Электрические двигатели популярны , востребованы , а их мощностные спецификации совершенствуются . Мы не будем рассказывать о том , как сделать электродвигатель , но давайте узнаем , как устроены электромоторы , какими они бывают и как их подобрать , по каким техническим спецификациям их классифицируют и где они нашли применение .

      Устройство и принцип работы электродвигателя

      Электрический двигатель — изделие , которое преобразует электроэнергию в механическую . Достигается это при помощи работы внутренних механизмов электромотора . Необходимо отметить , что движок — это главная деталь привода .

      Есть определенные рабочие режимы электрического привода , когда мотор выполняет функцию преобразователя электроэнергии ( другими словами — выступает в роли электрогенератора ).

      В зависимости от спецификаций механики движения , выделяют различные виды электродвигателей . Среди них :

      • вращающиеся ;
      • линейные и другие типы .

      Подробно вопросы классификации мы рассмотрим в соответствующем разделе , но внесем одну ясность — зачастую под понятием “ электрический двигатель ” рассматриваются именно вращающиеся модели , получившие наибольшее распространение и , как следствие , применения в самых разных сферах , отраслях .

      По виду создаваемого механического движения модели бывают вращающиеся , линейные и т . д . Под электроприводами очень часто подразумевают именно вращающиеся , так как они получили самое большое распространение и , как следствие , применение , чем другие виды двигателей .

      Из чего состоит электродвигатель

      Что понять , как работает электродвигатель мы должны разобраться , как устроен электродвигатель , из чего он состоит , узнать плюсы и минусы изделий . Главными деталями ( а мы рассматриваем именно вращающийся электромотор ), обеспечивающими плавный пуск двигателя , являются :

      • статор — неподвижный компонент ;
      • ротор — механизм , отвечающий за вращательные движения .

      Эти основные элементы присущи всем моделям вне зависимости от их типа .

      Чаще всего компании — производители помещают ротор внутри статора , для достижения оптимального КПД электродвигателя . Если же движок имеет противоположную состав конструкции , подразумевающей расположение подвижного компонента снаружи , то такие изделия являются асинхронными или обращенными электродвигателями с короткозамкнутым ротором .

      Как работает электродвигатель

      Обратимся к физике и рассмотрим принцип функционирования электропривода . Так , по закону Ампера мы имеем проводник ( I ). Он находится в магнитном поле , соответственно, на него оказывает действие сила ( F ). В том случае , если проводник ( I ) согнут в специальную рамку , в магнитном поле наблюдается следующая картина : на обе стороны рамки , расположенные под углом в 90 градусов , оказывают воздействие разнонаправленные силы ( F ), которые и создают вращательные движения .

      Для обеспечения постоянного момента вращения на якорях движков устанавливают специальные витки . Что касается магнитного поля , то оно достигается за счет использование магнитов ( также могут применяться электромагниты — провода , которыми обматывают сердечник ) из — за чего энергия , воздействующая на рамки проводника , индуцирует электричество , что способствует высокому КПД движка .

      Классификация электродвигателей

      Мы подошли к самому объемному пласту информации , который должен объяснить , по какому принципу подбирают и разделяют виды двигателей . И если по специфике организации вращательного момента техники можно поделить всего на пару категорий , а именно — гистерезисные и магнитоэлектрические , то дальше не все так однозначно . Давайте разбираться вместе . Необходимо отметить , что у гистерезисных электромоторов за вращательный момент отвечает магнитный гистерезис , оказывающий действие на ротор . Такие модели не очень востребованы и их редко можно встретить на промышленных предприятиях . А вот магнитоэлектрические моторы встречаются повсеместно . Но и они имеют свою собственную классификацию , разделяясь на такие виды приводов :

      • работающие от постоянного тока ;
      • работающие от переменного тока .

      Впрочем , в современном мире существуют и универсальные движки , работающие как на постоянном , так и на переменном токах с высоким КПД электродвигателя .

      Электроприводы постоянного тока

      В эту категорию относятся изделия , где смена фаз происходит непосредственно в моторе . Из — за этой особенности КПД электрического движка высоко , а сами модели могут легко работать с постоянным или переменным напряжением .

      Выбор электродвигателя под конкретные задачи осуществляется по специфике смены фаз в устройствах , а также присутствию обратной связи . По этим параметрам выделяют такие виды движков :

      • коллекторные . Изделия могут обладать независимым возбуждением или авто — возбуждением ( параллельным , последовательным , универсальным самовозбуждением ). Как правило , в изделиях коллекторный узел отвечает за синхронную смену цепочек подвижной части мотора . Отметим , что данный элемент крайне труден в обслуживании мотора , а значит при неисправности будут трудности с ремонтом ;
      • вентильные ( другая маркировка движков данного типа — бесколлекторные ). В таких устройствах переключение фаз происходит с использованием специальных инверторов . Устройства имеют функцию обратной связи с применением датчика положения ротора или же обладают свойствами асинхронного электромотора ( привода с короткозамкнутым ротором ).

      Если вы думаете , что на этом подбор видов двигателей заканчиваеются , спешим вас разуверить , это не так . Мы продолжаем обзор и переходим к следующим видам .

      Электроприводы пульсирующего тока

      Высокий КПД электромотора данного типа достигается за счет особенностей его питания . Происходит оно при помощи пульсирующего тока . Строение и назначение привода схоже с аналогом , работающим от постоянного напряжения . Разница лишь в том , что здесь используются шихтованные детали в остове , большее количество полюсов и наличие компенсационной обмотки . Где применяются изделия данного типа ? Очень часто их можно увидеть на электровозах , оснащенных оборудованием для выпрямления переменного тока .

      Электромоторы переменного тока

      Как становится понятным из названия , питание в таких моделях происходит за счет переменного тока . Такие устройства могут быть как синхронными , так и асинхронными ( для примера — движки с короткозамкнутым ротором ). И , если в первой категории гармоника силы магнитного поля статора соответствует скорости вращения ротора , то в электромоторах , где используется короткозамкнутый ротор , зачастую , движения магнитного поля более частые . Рассмотрим обе эти категории двигателей детальнее .

      Синхронные электроприводы могут иметь :

      • обмотки возбуждения . Большие мощности — вот где применяются двигатели с такими конструкционными особенностями ;
      • постоянные магниты ;
      • реактивный , шаговый , гистерезисный , универсальный и другие виды движков .

      Есть модели , где используется дискретное угловое перемещение ротора . Это , так называемые , шаговые приводы . В устройствах расположение ротора может быть зафиксировано подачей энергии на определенные обмотки . Смена положений происходит путем сброса напряжения с одних обмоток и перенос энергии на другие .

      Дополнительно можно выделить еще один тип синхронных приводов — вентильный реактивный электромотор . В таком изделии питание обмоток происходит с использованием специальных полупроводниковых элементов .

      Что до асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором , то он питается от переменного источника питания и в нем априори различны частоты магнитного поля статора и ротора . Именно такие электромоторы являются самыми популярными и востребованными на сегодняшний день . Модельный ряд изделий , различающихся конструкционными особенностями и КПД электромотора включает такие устройства :

      • однофазные . Запуск привода осуществляется в ручном режиме . В изделиях используется пусковая обмотка , фазосдвигающая цепочка или полюса с дополнительным экранированием ;
      • двухфазные ( к данной категории относятся и конденсаторные приводы );
      • трёхфазные и многофазные изделия .

      А мы продолжаем рассматривать другие , менее распространенные виды движков .

      Коллекторный движок универсального типа

      Устройство способно работать как на постоянном , так и переменном источниках питания . Производится привод только с последовательной обмоткой возбуждения из расчета мощности до 200 Вт . Статор изготавливается из отдельных пластин , в конструкции используется специальной электротехническая сталь .

      Обмотка возбуждения начинает работу только частично при наличии переменного источника напряжения и работает в полную меру при постоянном . Где применяются модели данного типа : очень часто их можно встретить в бытовой технике или же электрических инструментах . Минусы у модели есть — КПД электрического двигателя невысокий , но его с избытком хватает для решения технических задач , так что вряд ли это можно считать полноценным недостатком .

      Синхронный электропривод возвратно — поступательного движения

      Принцип действия электрического двигателя следующий : ротор выполнен в виде магнитов , которые установлены на штоке . Переменный ток проходит через неподвижные обмотки и , вследствие данной процедуры , на магниты воздействует сила магнитного поля , производимой обмотками , что позволяет перемещать шток возвратно — поступательными движениями .

      Области применения электродвигателей

      На сегодняшний день электроприводы — это главные потребители энергетики . Практически половина всей потребляемой энергии в мире приходится на самые разнообразные модели электромоторов . Электроприводы крайне востребованы во всех сферах нашей жизни , в промышленных отраслях и бытовом использовании . Давайте рассмотрим , где применяются электромоторы :

      • промышленная отрасль : шлифовальное , металлообрабатывающее , деревообрабатывающее насосное , конвейерное , компрессорное оборудование , вентиляторы , производство автомобилей и другой техники ;
      • сфера строительства строительство : устройства выступают компонентами лебедок , талей , кранов и прочего подъемно — транспортного оборудования , используются в лифтовых системах , узлах отопления , вентилирования и кондиционирования воздуха ( функционируют за счет крыльчатки электрического двигателя );
      • бытовая техника : холодильники , пылесосы , комплектующие для ПК и ноутбуков ( HDD — диски , кулеры ), системы климат — контроля и кондиционеры , стиральные машины , миксеры и т . д .

      Как видим , эксплуатация электроприводов распространена повсеместно .

      Преимущества электроприводов

      В завершение хотелось бы отметить главные достоинства двигателей , обеспечившие им такую популярность . Среди них :

      • простота конструкции ;
      • высокая ремонтопригодность ;
      • большой выбор устройств с различной мощностью под любое оборудование , разные технические и бытовые задачи ;
      • простота и удобство регулировки скорости вращения вала движка ;
      • возможность автоматического управления устройствами ;
      • быстродействие моторов ;
      • постоянная готовность к старту ;
      • возможность применения реверсивного ( обратного ) вращения ;
      • для монтажа и техосмотра устройств не обязательны дорогостоящие услуги квалифицированных специалистов ;
      • долгий срок эксплуатации ;
      • высокий КПД ;
      • устройства являются экологически чистым продуктом — они не загрязняют окружающую среду и не вредят здоровью человека .

      Но главное преимущество электрического привода перед всеми прочими — его действия можно контролировать и регулировать на большом расстоянии от источника энергии и от устройства включения — выключения . Электромотор не создает такого шума и не несет прямой опасности для рабочих , как механические аналоги .

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Строительный
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: