Где используются электродвигатели переменного тока. Типы электродвигателей и принципы работы

Явление электромагнитной индукции стало основой возникновения и развития всех электрических машин. Первооткрывателем этого явления в конце 19 века был Майкл Фарадей, английский учёный — экспериментатор. Он провёл опыты с первыми электрическими машинами. Сейчас без них невозможно представить нашу жизнь. Электродвигатели стали одними из самых распространённых электрических машин.

Для работы электромотора необходимо напряжение, свойства которого определяют его конструкцию. На переменном напряжении и токе работают такие электродвигатели:

на постоянном напряжении и токе работают:

• коллекторные;
• униполярные;
• шаговые.

Синхронные и асинхронные электродвигатели

Синхронные и асинхронные электромоторы имеют общие условия для своей работы. Для этого необходимо магнитное поле, максимальная величина которого перемещается в пространстве. Такое поле может быть создано двумя или большим числом обмоток. Обычные конструкции синхронных и асинхронных электромоторов содержат две или три обмотки.

Они размещаются на массивных ферримагнитных сердечниках, усиливающих магнитное поле. Для трёх обмоток применяется трёхфазное напряжение, для двух обмоток – двухфазное или одна фаза с фазосдвигающим конденсатором. Но с таким конденсатором к однофазной сети можно подключить и трёхфазные двигатели.

Если ротор электромотора создаёт постоянное магнитное поле, либо от постоянных магнитов, либо от встроенного в ротор источника питания постоянного тока, либо от внешнего источника питания постоянного тока через кольца со щётками такой двигатель является синхронным. В нём частота оборотов и частота напряжения источника питания одинаковы. В асинхронных двигателях используется немагнитный ротор без явно выраженных полюсов, колец со щётками, встроенных выпрямителей и комбинированных деталей из различных материалов. Исключением является синхронный гистерезисный двигатель.

Ротор асинхронного двигателя работает как вторичная обмотка трансформатора, которая замкнута накоротко. Но ток в его роторе может возникнуть только при более медленном вращении в сравнении с магнитным полем статора. Такое различие скоростей называется скольжением. Простота конструкции и соответствующая надёжность делают асинхронный электромотор наиболее широко используемым.

Коллекторные машины

Однако у синхронных и асинхронных электромоторов есть один непреодолимый недостаток – частота питающего напряжения. Она определяет скорость вращения магнитного поля и вала в этих двигателях. Никакими конструктивными изменениями в них при заданной частоте питающего напряжения невозможно получить частоту вращения вала большую, чем частота питающего напряжения. При необходимости большего числа оборотов используются коллекторные электромоторы.

В этих двигателях происходит постоянное переключение обмоток ротора коллектором. Каждая обмотка по сути это рамка с током, которая, как известно из опытов Фарадея, поворачивается в магнитном поле. Но одна рамка повернётся и остановится. Поэтому рамок — обмоток сделано несколько и каждой из них соответствует пара пластин в коллекторе. Ток подаётся через щётки, скользящие по коллектору.

Конструкция такого электромотора позволяет работать от источника либо постоянного, либо переменного напряжения, который обеспечивает ток и в статоре и в роторе. При переменном напряжении направление тока в статоре и роторе изменяется одновременно и поэтому направление действия силы вращающей ротор сохраняется. Частота питающего напряжения никак не влияет на частоту вращения ротора. Она зависит только от величины напряжения, питающего электромотор. Скользящий контакт щётки с коллектором ограничивает возможности этих электродвигателей по сроку службы и месту применения, поскольку искрение в щётках довольно быстро разрушает скользящий контакт и недопустимо в условиях повышенной взрывоопасности.

Униполярные и шаговые варианты

Однако есть такие конструкции электромоторов постоянного тока, в которых коллектора нет. Это униполярные электромоторы.

В этих электродвигателях ротор выполнен в виде диска, расположенного между полюсами постоянных магнитов. Щётки расположенные диаметрально противоположно питают током диск – ротор. Под воздействием силы Лоренца диск вращается. Несмотря на привлекательную простоту конструкции, такой электромотор не имеет широкого практического использования, поскольку требует слишком больших значений тока и магнитного поля. Тем не менее, существуют уникальные лабораторные разработки униполярных электромоторов со щётками из жидкого металла, которые развивают обороты немыслимые для иных конструкций двигателей.

Шаговый двигатель это ещё одна конструкция, работающая на постоянном токе.

В целом этот двигатель подобен синхронному электромотору с ротором из постоянных магнитов. Отличие в том, что число обмоток здесь больше, и они управляются ключами, которые подают на каждую обмотку питающее напряжение. В результате ротор меняет своё положение, притягиваясь к подключенной обмотке. Число обмоток определяет минимальный угол поворота ротора, а коммутаторы – скорость вращения ротора. В шаговом двигателе ротор может вращаться почти как угодно, поскольку ключи связаны с электронной схемой управления.

Рассмотренные конструкции электромоторов являются базовыми. На их основе для решения определённых задач создано много специальных разновидностей электромоторов. Но это уже совсем другая история…

Содержание:

Выполнение механической работы - это главный процесс в нашем материальном мире. По этой причине появление электродвигателей стало важнейшим событием в развитии человеческой цивилизации. Именно эти устройства понесли на себе весь груз промышленного производства. Это и обеспечило, в конце концов, так называемую научно-техническую революцию. В любых электрических движках в основу конструкции положено открытие взаимодействия проводов с проходящим по ним электрическим током.

О том, какие результаты были достигнуты за время, прошедшее с этого открытия, и будет рассказано нашим читателям. Напомним, что взаимодействие запитанных электротоком проводов обнаружил Андре Ампер в 1820 году. После этого события была создана конструкция, способная усилить это взаимодействие - соленоид. Катушка с ферромагнитным сердечником при сближении с постоянным магнитом или другой аналогичной катушкой воздействовала на них со значительным усилием. Поэтому оставалось только придумать такое конструктивное решение, которое позволит максимально увеличить взаимодействие соленоидов и придаст ему необходимое направление.

Превращение электроэнергии в механическую работу

Два соленоида могут либо притягиваться, либо отталкиваться. Их взаимодействие определяется полюсами. Одноименные - отталкиваются, разноименные - притягиваются. Поэтому не составляет особого труда догадаться о конструктивном решении, позволяющем получить вращение вала:

• Вал и соленоид объединяются в жесткую конструкцию. Соленоид располагается так, чтобы создаваемые силовые линии магнитного поля были перпендикулярны оси вращения вала. Полученный элемент двигателя называется ротором, а также индуктором.
• Вокруг ротора располагаются несколько других соленоидов для его притяжения. Чтобы направление было явно задано, а вращение равномерно, их должно быть как минимум три. Полученный элемент движка называется статором.
• Статор или ротор в разных конструкциях моторов могут также иметь название якорь. Суть якоря электрического двигателя заключена в его сходстве со своим корабельным тезкой. Для корабельного якоря характерна прикрепленная цепь, соединяющая его с кораблем. А строение якоря электрического движка включает в себя либо ротор, либо статор, а также присоединенный к нему электрический шнур. Он используется для подключения к источнику питания. То есть вместо якоря с цепью получается ротор или статор со шнуром питания - в этом и заключено их сходство и происхождение названия элемента движка.
• Статор состоит из стальных пластин, которые уменьшают потери электроэнергии, создаваемые вихревыми токами. В результате получается конструкция из обмоток с сердечниками, охватывающая ротор. Они образуют отверстие цилиндрической формы. В него входит цилиндрический ротор с некоторым зазором относительно статора. Такая конструкция электрических двигателей самая распространенная.

Однако для решения некоторых задач необходимо применение иных конструкций. Это может быть, например, расположение ротора снаружи статора или отсутствие вала по причине линейного перемещения элементов двигателя относительно друг друга.

Простейшим линейным двигателем является электромагнит с втягивающимся сердечником. Для того чтобы более точно управлять перемещением подвижной части линейного движка, в нем используется необходимое число взаимодействующих магнитных элементов. Электромагнитами могут быть либо все, либо их часть - это постоянные магниты.

Как видно из рассмотренных примеров, принцип работы электродвигателя использует магнитные поля. Они - следствие как постоянного тока, так и переменного. Но в любом случае принцип действия электродвигателя - это переход электроэнергии в энергию движения.

Электропитание источником переменного напряжения

Двигатель переменного тока наиболее широко используется. Это обусловлено переменным напряжением в большинстве электросетей. Электродвигатели переменного тока подключаются к ним с использованием минимального количества дополнительных устройств. Для любого из приборов надежность и долговечность являются главными качествами. Для этого конструкция должна иметь минимум потенциально уязвимых элементов. Наиболее значимыми из них являются контакты. Меньше контактов - больше надежности.

Устройство и принцип работы электродвигателя с максимальной надежностью основаны на явлении электромагнитной индукции. Это явление используется в трансформаторах. Создание гальванически развязанных электрических цепей - это их важнейшее назначение. Аналогично создаются гальванически развязанные статорные и роторные цепи. Под напряжением пребывают только обмотки статора. Возникающая в роторе электромагнитная индукция приводит к взаимодействию магнитных полей. Но принцип работы электродвигателя переменного тока - это не только индукция. Кроме нее должно существовать условие, обеспечивающее возникновение однонаправленной силы, без которой вращение невозможно. Для этого необходимо пространственное перемещение электромагнитного поля.

С этой целью устройство электродвигателя переменного тока предусматривает одно из следующих конструктивных решений:

• использование однофазного источника переменного напряжения с фазосдвигающим элементом с двумя парами полюсов;
• подключение к трехфазному источнику питания обмоток статора с тремя парами полюсов;
• применение коммутатора, переключающего взаимодействующие обмотки.

Движимые перемещающимся магнитным полем

Электродвигатель, принцип работы которого определяет электромагнитная индукция, работает следующим образом. В его роторе отсутствуют контакты. Переменное магнитное поле с максимумом, перемещающимся вокруг ротора, вызывает в нем токи, создающие собственное электромагнитное поле. Существование этих токов возможно только при отставании ротора от движущегося максимума электромагнитного поля статора.

Иначе не получится электромагнитной индукции, условием которой является пересечение силовых линий и проводника. Движки, в которых скорости перемещения поля статора и ротора отличаются друг от друга, называются асинхронными. Асинхронный электродвигатель , устройство которого показано далее, в основном имеет одинаковую конструкцию статора, но разные варианты исполнения ротора.

Самыми распространенными являются короткозамкнутый ротор и другая его конструкция, именуемая «беличьей клеткой». В последнем варианте ротора получается более эффективная индукция. Однако и конструкция при этом менее технологичная. Но в этих двух разновидностях асинхронного двигателя лишь один недостаток - большой пусковой ток.

Чтобы регулировать процесс пуска, потребовалась третья конструкция ротора, называемая «фазной». Но если где-то прибыло, значит, где-то и убыло. У фазного ротора появились контакты - кольца и щетки. А контакты - главная проблема электротехники. Выигрывая в экономичности, проигрываем в долговечности и эксплуатационных расходах. За щетками и кольцами необходим уход и периодическая замена, в результате чего фазный ротор применяется намного реже. Появление мощных полупроводниковых приборов делает возможным регулировку любого асинхронного двигателя в пределах коммутационных возможностей этих приборов. Поэтому сегодня фазный ротор - это архаичная конструкция.

Но если ротор изготовить из специального материала, который обладает некоторой остаточной намагниченностью, скорости поля статора и вращения ротора станут одинаковыми. Под воздействием статора в роторе такого движка из-за свойств его материала не могут возникать токи с величиной, достаточной для движения. Но это и не нужно. Материал способен многократно усиливать внешнее электромагнитное поле и становиться постоянным магнитом. И такой магнитный ротор будет тянуться за электромагнитным полем статора. Такой двигатель называется синхронно-гистерезисным.

К сожалению, гистерезисный ротор имеет высокую себестоимость материала. А поскольку мощность движка напрямую связана с его размерами, большие и мощные синхронные двигатели с гистерезисным ротором из-за его высокой цены не производятся. Вместо этого делается постоянный электромагнит с питанием через кольца. Так менее надежно, но гораздо дешевле.

Скорость вращения синхронных и асинхронных движков определяет частота напряжения питания и число пар полюсов. Эта особенность - их большой недостаток. Ведь частота электросети составляет 50–60 Гц, и без применения дополнительного оборудования, через которое придется подключать двигатель, изменить ее невозможно. А это значительно усложняет и удорожает установку. По этой причине в управляемом электроприводе для возможности широкого диапазона регулирования оборотов применяется другой двигатель, о котором будет рассказано далее.

Чтобы разобраться в том, как работает электромотор с коллектором, надо обратиться к опытам с рамкой, расположенной между полюсами магнитов. Это классический опыт для демонстрации взаимодействия проводника с током и магнитного поля. На изображениях далее наглядно показан результат этого взаимодействия.

Но сила, вращающая рамку, зависит от ее положения относительно полюсов. По мере вращения она постепенно уменьшается. И по этой причине рамка останавливается. Чтобы вращение продолжалось, для конкретной конструкции рамки с магнитами потребуется больше рамок. При этом каждая из них подключается к своей паре скользящих контактов. Они образуются парой щеток и парой пластин - ламелей.

Движок, в котором реализован принцип вращения рамки в магнитном поле, содержит ротор с большим числом обмоток - рамок. Ламели собраны в специальном конструктивном элементе - коллекторе. Если магнитное поле создается постоянными магнитами, вращение возможно только при постоянном напряжении на щетках коллектора. Это и есть двигатель постоянного тока (сокращенно ДПТ).

Скорость вращения ротора этого движка зависит только от напряжения на щетках коллектора. Если вместо постоянного магнита применить электромагнит, получится универсальный мотор, способный работать как при постоянном, так и при переменном напряжении. Полярность статора и ротора будет изменяться одновременно, сохраняя направление действия силы, вращающей ротор. Универсальный мотор - это тот самый движок, который широко применяется в регулируемых приводах.

Разновидностью ДПТ и универсального двигателя можно считать униполярный движок. У его конструкции нет коллектора, но есть щетки. Появление мощных полупроводниковых приборов позволило создавать роторы без колец и коллекторов. Но при этом принцип работы электродвигателя не изменился.

Наиболее характерное магнитное явление - притяжение магнитом кусков железа - известно со времен глубокой древности. Ещё одной очень важной особенностью магнитов является наличие у них полюсов: северного (отрицательного) и южного (положительного). Противоположные полюса притягиваются, а одинаковые - отталкиваются друг от друга.

Магнитное поле

Магнитное поле можно условно изобразить линиями в виде магнитного потока, движущегося от северного полюса к южному. В некоторых случаях определить, где северный, а где южный полюс, достаточно сложно.

Электромагнетизм

Вокруг проводника, при пропускании по нему электрического тока, создаётся магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Физические законы одинаковы для магнетизма и электромагнетизма.

Магнитное поле вокруг проводников можно усилить, если намотать их на катушку со стальным сердечником. Когда проводник намотан на катушку, все линии магнитного потока, образуемого каждым витком, сливаются и создают единое магнитное поле вокруг катушки.

Чем больше витков на катушке, тем сильнее магнитное поле. Это поле имеет такие же характеристики, что и естественное магнитное поле, а, следовательно, у него тоже есть северный и южный полюса.

Вращение вала электродвигателя обусловлено действием магнитного поля. Основные части электродвигателя: статор и ротор.

Ротор:

Подвижная часть электродвигателя, которая вращается с валом электродвигателя, двигаясь вместе с магнитным полем статора.

Неподвижный компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Вращение под действием магнитного поля

Преимуществом магнитных полей, которые создаются токопроводящими катушками, является возможность менять местами полюса магнита посредством изменения направления тока. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую.

Одинаковые полюса магнитов отталкиваются друг от друга, противоположные полюса - притягиваются. Можно сказать, что это свойство используется для создания непрерывного движения ротора с помощью постоянной смены полярности статора. Ротором здесь, является магнит, который может вращаться.

Чередование полюсов с помощью переменного тока

Чередование полюсов с помощью переменного тока

Полярность постоянно меняется с помощью переменного тока (AC). Далее мы увидим, как ротор заменяется магнитом, который вращается под действием индукции. Здесь важную роль играет переменный ток, поэтому будет полезно привести здесь краткую информацию о нём:

Переменный ток - AC

Под переменным током понимается электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью трёхфазного питания. Это означает, что статор подсоединяется к источнику переменного тока с тремя фазами. Полный цикл определяется как цикл в 360 градусов. Это значит, что каждая фаза расположена по отношению к другой под углом в 120 градусов. Фазы изображаются в виде синусоидальных кривых, как представлено на рисунке.

Трёхфазный переменный ток

Трёхфазное питание - это непрерывный ряд перекрывающихся напряжений переменного тока (AC).

На следующих страницах объясняется, как взаимодействуют ротор и статор, заставляя электродвигатель вращаться.

Для наглядности мы заменили ротор вращающимся магнитом, а статор - катушками. В правой части страницы приведено изображение двухполюсного трёхфазного электродвигателя. Фазы соединены парами: 1-й фазе соответствуют катушки A1 и A2, 2-й фазе - B1 и B2 , а 3-й соответствуют C1 и C2. При подаче тока на катушки статора одна из них становится северным полюсом, другая - южным. Таким образом, если A1 - северный полюс, то A2 - южный.

Питание в сети переменного тока

Обмотки фаз A, B и C расположены по отношению друг к другу под углом в 120 градусов.

Количество полюсов электродвигателя определяется количеством пересечений поля обмотки полем ротора. В данном случае каждая обмотка пересекается дважды, что означает, что перед нами двухполюсный статор. Таким образом, если бы каждая обмотка появлялась четыре раза, это был бы четырехполюсный статор и т.д.

Когда на обмотки фаз подаётся электрический ток, вал электродвигателя начинает вращаться со скоростью, обусловленной числом полюсов (чем меньше полюсов, тем ниже скорость)

Вращение ротора

Ниже рассказывается о физическом принципе работы электродвигателя (как ротор вращается внутри статора). Для наглядности, заменим ротор магнитом. Все изменения в магнитном поле происходят очень быстро, поэтому нам необходимо разбить весь процесс на этапы. При прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора в нем создается магнитное поле, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля.

Начав вращение, магнит будет следовать за меняющимся магнитным полем статора. Поле статора меняется таким образом, чтобы поддерживалось вращение в одном направлении.

Индукция

Ранее мы установили, как обыкновенный магнит вращается в статоре. В электродвигателях переменного тока AC установлены роторы, а не магниты. Наша модель очень схожа с настоящим ротором, за исключением того, что под действием магнитного поля ротор поляризуется. Это вызвано магнитной индукцией, благодаря которой в проводниках ротора наводится электрический ток.

Индукция

В основном ротор работает так же, как магнит. Когда электродвигатель включен, ток проходит по обмотке статора и создаёт электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Таким образом, в обмотках ротора индуцируется ток, который затем создаёт вокруг ротора электромагнитное поле и поляризацию ротора.

В предыдущем разделе, чтобы было проще объяснить принцип действия ротора, заменив его для наглядности магнитом. Теперь заменим магнитом статор. Индукция - это явление, которое наблюдается при перемещении проводника в магнитном поле. Относительное движение проводника в магнитном поле приводит к появлению в проводнике так называемого индуцированного электрического тока. Этот индуцированный ток создаёт магнитное поле вокруг каждой обмотки проводника ротора. Так как трёхфазное AC питание заставляет магнитное поле статора вращаться, индуцированное магнитное поле ротора будет следовать за этим вращением. Таким образом вал электродвигателя будет вращаться. Электродвигатели переменного тока часто называют индукционными электродвигателями переменного тока, или ИЭ (индукционными электродвигателями).

Принцип действия электродвигателей

Индукционные электродвигатели состоят из ротора и статора.

Токи в обмотках статора создаются фазовым напряжением, которое приводит в движение индукционный электродвигатель. Эти токи создают вращающееся магнитное поле, которое также называется полем статора. Вращающееся магнитное поле статора определяется токами в обмотках и количеством фазных обмоток.

Вращающееся магнитное поле формирует магнитный поток. Вращающееся магнитное поле пропорционально электрическому напряжению, а магнитный поток пропорционален электрическому току.

Вращающееся магнитное поле статора движется быстрее ротора, что способствует индукции токов в обмотках проводников роторов, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставляет ротор вращаться. Принципы действия индукционного электродвигателя представлены на иллюстрациях справа.

Таким образом, ротор и статор являются наиболее важными составляющими индукционного электродвигателя переменного тока. Они проектируются с помощью САПР (системы автоматизированного проектирования). Далее мы подробнее поговорим о конструкции ротора и статора.

Статор элетродвигателя

Статор - это неподвижный электрический компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых всё время меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Все статоры устанавливаются в раму или корпус. Корпус статора электродвигателей Grundfos для электродвигателей мощностью до 22 кВт чаще всего изготавливается из алюминия, а для электродвигателей с большей мощностью - из чугуна. Сам статор устанавливается в кожухе статора. Он состоит из тонких пластин электротехнической стали, обмотанных изолированным проводом. Сердечник состоит из сотен таких пластин. При подаче питания переменный ток проходит по обмоткам, создавая электромагнитное поле, перпендикулярное проводникам ротора. Переменный ток (AC) вызывает вращение магнитного поля.

Изоляция статора должна соответствовать требованиям IEC 62114, где приведены различные классы защиты (по уровням температуры) и изменения температуры (AT). Электродвигатели Grundfos имеют класс защиты F, а при увеличении температуры - класс B. Grundfos производит 2-полюсные электродвигатели мощностью до 11 кВт и 4-полюсные электродвигатели мощностью до 5,5 кВт. Более мощные электродвигатели Grundfos закупает у других компаний, уровень качества продукции которых соответствует принятым в Grundfos стандартам. Для насосов, в основном, используются статоры с двумя, четырьмя и шестью полюсами, так как частота вращения вала электродвигателя определяет давление и расход насоса. Можно изготовить статор для работы с различными напряжениями, частотами и мощностями на выходе, а также для переменного количества полюсов.

Ротор элетродвигателя

В электродвигателях используются так называемые «беличьи колеса» (короткозамкнутые роторы), конструкция которых напоминает барабаны для белок.

При вращении статора магнитное поле движется перпендикулярно обмоткам проводников ротора; появляется ток. Этот ток циркулирует по обмоткам проводников и создаёт магнитные поля вокруг каждого проводника ротора. Так как магнитное поле в статоре постоянно меняется, меняется и поле в роторе. Это взаимодействие и вызывает движение ротора. Как и статор, ротор изготовлен из пластин электротехнической стали. Но, в отличие от статора, с обмотками из медной проволоки, обмотки ротора выполнены из литого алюминия или силумина, которые выполняют роль проводников.

Асинхронные электродвигатели

В предыдущих разделах мы разобрали, почему электродвигатели переменного тока называют также индукционными электродвигателями, или электродвигателями типа «беличье колесо». Далее объясним, почему их ещё называют асинхронными электродвигателями. В данном случае во внимание принимается соотношение между количеством полюсов и числом оборотов, сделанных ротором электродвигателя.

Частоту вращения магнитного поля принято считать синхронной частотой вращения (Ns). Синхронную частоту вращения можно рассчитать следующим образом: частота сети (F), умноженная на 120 и разделенная на число полюсов (P).

Если, например, частота сети 50 Гц, то синхронная частота вращения для 2-полюсного электродвигателя равна 3000 мин-1.

Синхронная частота вращения уменьшается с увеличением числа полюсов. В таблице, приведенной ниже, показана синхронная частота вращения для различного количества полюсов.

Скольжение элетродвигателя

Теперь мы уже знаем, что электродвигатели переменного тока называют асинхронными, потому что движущееся поле ротора отстает от поля статора.

В электродвигателях переменного тока вращающий момент возникает в результате взаимодействия между ротором и вращающимся магнитным полем статора. Магнитное поле обмоток ротора будет стремиться к тому, чтобы приблизиться к магнитному полю статора, как это было описано раньше. Во время работы частота вращения ротора всегда ниже частоты вращения магнитного поля статора. Таким образом, магнитное поле ротора может пересекать магнитное поле статора и создавать вращающий момент. Эта разница в частоте вращения полей ротора и статора называется скольжением и измеряется в %. Скольжение необходимо для создания вращающего момента. Чем больше нагрузка, а, следовательно, и вращающий момент, тем больше скольжение.

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.

Основные физические процессы и принцип действия

На движущиеся внутри 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.

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.

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.

Виды электродвигателей

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 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.

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.

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 , 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).

Синхронные электродвигатели

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

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».

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.

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.

Эта же механическая конструкция успешно применяется в трехфазном шаговом двигателе . Только в каждую обмотку с помощью управления подаются и снимаются импульсы постоянного тока по описанному выше алгоритму.

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.

Асинхронные электродвигатели

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.

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.

Линейные электродвигатели

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.

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.

Недостатками линейных двигателей являются:

сложность технологии;

высокая стоимость;

низкие энергетические показатели.

Электродвигателем называется техническая система, в которой энергия электричества трансформируется в энергию механического типа. Работа такого двигателя построена на явлении электромагнитной индукции. Устройство предполагает наличие в нем неподвижного элемента – статора, а также подвижной части, называемой якорем или ротором.

В традиционном электрическом двигателе статор – это внешняя часть конструкции. Этот элемент формирует неподвижное магнитное поле. Подвижный ротор помещают внутрь статора. В его состав входят постоянные магниты, сердечник с обмотками, коллектор и щетки. Электрические токи протекают через обмотку, состоящую обычно из множества витков медного провода.

При работе , подключенного к источнику энергии, происходит взаимодействие полей статора и ротора. Появляется вращающий момент. Он и приводит ротор электромотора в движение. Таким образом, подаваемая на обмотки электроэнергия трансформируется в энергию вращательного движения. Вращение вала электродвигателя передается на рабочий орган технической системы, в состав которой включен двигатель.

Особенности электрического двигателя

Электродвигатель представляет собой одну из разновидностей электрических машин, к которым также относятся и . Благодаря свойству обратимости электромотор в случае необходимости способен выполнять функции генератора. Возможен и обратный переход. Но чаще всего каждую электрическую машину конструируют исключительно для выполнения вполне определенной функции. Иными словами, электромотор будет эффективнее всего работать именно в этом своем качестве.

Происходящее в двигателе преобразование электроэнергии в энергию механического вращения непременно связано с энергетическими потерями. Причинами этого явления становится нагревание проводников, намагничивание сердечников, вредная сила трения, возникающая даже при использовании подшипников. На коэффициент электромотора влияет даже трение движущихся частей о воздух. И все же в самых совершенных двигателях КПД достаточно высок и может достигать 90%.

Обладая рядом неоспоримых достоинств, двигатели, работающие на , получили чрезвычайно широкое распространение в промышленности и в быту. Главное преимущество такого двигателя состоит в удобстве его использования и высоких эксплуатационных характеристиках. Электромотор не дает вредных выбросов в атмосферу, поэтому очень перспективно его применение в автомобилях.