Электрический двигатель как устроен

Принцип действия электродвигателя: как он работает

Электрический двигатель представляет собой особый преобразователь. Это машина, где электрическая энергия преобразуется и переходит в механическую. Принцип действия двигателя основан на электромагнитной индукции. Есть к тому же и электростатические двигатели. Можно без особых дополнений использовать двигатели на других принципах преобразования электричества в перемещении. Но немногие знают, как устроен и как работает электродвигатель.

Принцип работы устройства
Работа трехфазного асинхронного двигателя
Современная классификация
Основные особенности
Агрегаты пульсирующего тока
Модификации переменного тока
Универсальное коллекторное оборудование

Отличие тока переменного от постоянного

Прежде всего, вспомним, что включает понятие «электрический ток» и какие его виды существуют. Это сделать легко, потому что все учились в школе и еще помнят о том, что преподавали на уроке физика. Понимают под ним направленное движение ионов или электронов, то есть, заряженных частиц.

Направление и величина тока за определенный промежуток времени определяют, будет ли ток считаться переменным или постоянным, что наглядно отражает график, приведенный ниже:

Постоянным будет ток, который со временем не изменяет своего значения. Напряжение всегда стабильно. Это красная линия.

Зеленая линия, имеющая форму синусоиды, это ток переменный, который меняет как свое направление, так и величину. Периодичность прохождения одинаковых точек на горизонтальной оси ординат называют его частотой. Она для переменного тока считается стандартной и равняется 50 Гц.

В действительности, все инструменты и бытовые приборы (или, почти все) работают от постоянного тока, преобразованного из переменного (имеющегося в сети). Зачем же тогда нужен ток синусоидальный?

Вопрос вполне закономерный и объяснение ему следующее: подобная форма разрешает очень просто преобразовать поступающее от генератора электрической станции напряжение. Иными словами, от станции, напряжение которой 200000-300000 Вольт, до значения 220, привычного нам.

Характеристики эл. двигателя

Любой электродвигатель – это оборудование, которым можно и нужно управлять в зависимости от требуемых условий. Регулирование происходит одним из трех основных способов/принципов:

Изменение напряжения, которое подается на обмотки ротора,
Ввод в цепь дополнительного сопротивления,
Изменения возбуждения (величины потока).

Работа эл. двигателя оценивается по графикам характеристик, которые бывают:

Механическими. Представляют собой зависимость частоты/скорости вращения от момента на валу с учетом поправочного коэффициента,
Регулировочными. Зависимость частоты вращения от напряжения в цепи питания обмоток якоря, сопротивления или потока.

На графике механической характеристики откладываются значения частоты вращения (ось ординат) и момента (ось абсцисс). По форме она представляет прямую с отрицательным уклоном. Построение графика происходит для определенной величины напряжения. Базовым уравнением механической характеристики является:

где ω – скорость вращения якоря, U – напряжение якорной цепи, К – конструктивный коэффициент, Ф – значение потока, RЯ – активное сопротивление якорной обмотки, М – электромагнитный момент электродвигателя.

В отличие от нее, график регулировочной характеристики строится для определенного момента на валу (ось абсцисс). На оси ординат по-прежнему находится частота. Для каждого из видов регулирования электродвигателя, уравнение будет иметь отдельную форму:

Уравнение при регулировании напряжением:
Уравнение при реостатном регулировании (сопротивлением):
Уравнение при потоковом регулировании:

Сравнительный вид графиков представлен ниже:

Также следует напомнить, что механические характеристики могут быть естественными (снятые при номинальном режиме) или искусственными (получаются при изменении напряжения, сопротивления или потока).

Отличия по типу тока

Существует несколько разновидностей электродвигателей: они могут питаться от постоянного, пульсирующего или переменного тока. Во всех случаях их работа основана на явлении электромагнитной индукции. Отличие состоит в конструкции таких механизмов и способе питания привода.

Читать еще: Блок схема работы двигателя

Двигатели постоянного тока

Во всех электродвигателях такого типа присутствуют якорь (вращающийся элемент) и индуктор (неподвижная часть), которые разделены воздушным пространством. Индуктор состоит из станины, которая является элементом магнитной цепи, а также главных и добавочных полюсов.

На них располагаются обмотки, необходимые для создания магнитного поля устройства. Индуктор двигателя постоянного тока создаёт неподвижное магнитное поле. Якорь состоит из магнитной системы и коллектора, где с помощью щёток образуется электрический ток.

Коллекторный электродвигатель имеет свои недостатки:

повышенный уровень шума при работе;
необходимость замены деталей (трущиеся щётки и коллектор);
помехи из-за искрения щёток и переключения обмоток якоря.

Электродвигатель постоянного тока имеет более высокий коэффициент полезного действия, а также имеет возможность более точно регулировать обороты, что отражается на стоимости такого устройства.

Видео: устройство и принцип работы двигателя постоянного тока

Двигатели пульсирующего тока

Такие электромоторы по своей конструкции схожи с двигателями постоянного тока. Различие между ними в том, что данный тип мотора имеет в своей конструкции дополнительную компенсационную обмотку и шихтованные полюса. Применяются двигатели пульсирующего тока в электровозах, где питаются выпрямленным переменным током.

Рекомендуем для прочтения:

Крутящий момент двигателя: что дает, какой должен быть и как повысить
Принцип работы роторного двигателя внутреннего сгорания
Атмосферный двигатель: принцип работы, плюсы и минусы
MPI двигатель — что это такое?

Двигатели переменного тока

Электрические моторы такого вида могут питаться одно-, двух- или трёхфазным током. Трехфазные, в свою очередь, делятся на синхронные и асинхронные.

Внешне они практически идентичны, статоры имеют одинаковую конструкцию и выполняют одну и ту же функцию — создают вращающееся магнитное поле. Отличие состоит в работе роторов. Несомненным преимуществом двигателей переменного тока является рекуперация, т. е. способность генерировать энергию в процессе торможения электромобиля и сохранение её в аккумуляторе.

Важно! Оптимальная температура для электромобиля составляет +21°С. Резкое потепление или похолодание негативно скажется на работе батареи: использование печки или кондиционера может сократить заряд аккумулятора.

В агрегатах такого типа ротор и магнитное поле статора движутся с одинаковой скоростью. Синхронные двигатели мощностью в сотни киловатт имеют на роторе дополнительные обмотки возбуждения. В электродвигателях меньшей мощности полюса образуются постоянными магнитами. Подобные устройства используют там, где необходима постоянная частота вращения, независимо от нагрузки. Такие моторы способны генерировать реактивную мощность.

В большинстве современных электромобилей используется асинхронный, или индукционный двигатель. Отличием такого электромотора является то, что скорость вращения ротора в нём меньше скорости вращения электромагнитного поля.

Скорость такого мотора зависит от частоты переменного тока, т. е. изменив частоту тока, можно изменить скорость вращения ведущих колёс, что позволяет легко контролировать скорость электромобиля. Скорость вращения электродвигателя может составить от 0 до 18 000 оборотов в минуту.

Видео: принцип работы асинхронного электродвигателя

Строение и принцип работы

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

Электродвигатель;
Контроллер;
Аккумуляторные батареи.

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

Читать еще: Что такое телевизор в двигателе

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

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

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

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

Схема работы электродвигателя

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

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

Устройство

По определению «асинхронным» называют двигатель переменного тока, у которого ротор вращается медленнее чем магнитное поле статора, то есть несинхронно. Но это определение не слишком информативно. Чтобы его понять нужно разобраться как устроен этот двигатель.

Асинхронный двигатель, как и любой другой состоит из двух основных частей — ротор и статор. «Для чайников» в электрике расшифруем:

Статором называют неподвижную часть любого генератора или электродвигателя.
Ротором называют вращающуюся часть двигателя, которая и приводит в движение механизмы.

Статор состоит из корпуса, торцы которого закрываются подшипниковыми щитами, в которых установлены подшипники. В зависимости от назначения и мощности двигателя используют подшипники скольжения или качения. В корпусе расположен сердечник, на нём установлена обмотка. Её называют обмоткой статора.

Так как ток переменный, чтобы снизить потери из-за блуждающих токов (токи Фуко) сердечник статора набирают из тонких стальных пластин, изолированных друг от друга окалиной и скрепленных лаком. На обмотки статора подают питающее напряжение, ток протекающий в них называют током статора.

Количество обмоток зависит от числа питающих фаз и конструкции двигателя. Так у трёхфазного двигателя минимум три обмотки, соединённых по схеме звезды или треугольника. Их количество может быть больше, и оно влияет на скорость вращения вала, но об этом мы поговорим далее.

Читать еще: Что такое коэффициент короткоходности двигателя

А вот с ротором дела обстоят интереснее, как уже было сказано он может быть или короткозамкнутым, или фазным.

Короткозамкнутый ротор – это набор металлических стержней (обычно алюминиевых или медных), на рисунке выше обозначены цифрой 2, впаянных или залитых в сердечник (1) замкнутых между собой кольцами (3). Такая конструкция напоминает колесо, в котором бегают одомашненные грызуны, отчего её часто называют «беличьей клеткой» или «беличьим колесом» и такое название не жаргонное, а вполне литературное. Для уменьшения высших гармоник ЭДС и пульсации магнитного поля, стержни укладывают не вдоль вала, а под определенным углом относительно оси вращения.

Фазный ротор отличается от предыдущего тем, что на нем уже есть три обмотки, как на статоре. Начала обмоток подключаются к кольцам, обычно медным, они напрессованы на вал двигателя. Позже мы кратко объясним зачем они нужны.

В обоих случаях, один из концов вала соединяют с приводимым в движение механизмом, он выполняется конической или цилиндрической формы с проточками или без, для установки фланца, шкива и других механических приводных деталей.

На «задней» части вала закрепляют крыльчатку, которая необходима для обдува и охлаждения, поверх крыльчатки на корпус надевается кожух. Таким образом холодный воздух направляется вдоль ребер асинхронного двигателя, если эта крыльчатка по какой-то причине не будет вращаться — он перегреется.

Конструкция первого асинхронного двигателя была разработана М.О. Доливо-Добровольским и запатентовал он её в 1889 г. Без особых изменений дожила до настоящего времени.

Трёхфазные двигатели

Трехфазные асинхронные электродвигатели, как правило, используются только на крупных промышленных предприятиях, т.к. для его работы требуется трёхфазное напряжение 380 В AC.

Отличаются по мощности и количеству обмоток. С мощностью всё понятно, чем больше мощность, тем большее усилие создаётся на валу электродвигателя.

Количество обмоток влияет на частоту вращения двигателя, а именно:
при частоте трёхфазного тока f равной 50 Гц или 3000 периодов в минуту, число оборотов N вращающегося поля в минуту будет:

при 2 полюсах на статоре: N = (50х60) / 1 = 3000 об/мин,
при 4 полюсах на статоре: N = (50х60) / 2 = 1500 об/мин,
при 6 полюсах на статоре: N = (50х60) / 3 = 1000 об/мин,
при числе пар полюсов статора, равном P: N = (fх60) / P.

Коммутационная колодка трехфазного двигателя имеет 6 зажимов, которые соединяются с началом (U₁, V₁, W₁) и концом (U₂, V₂, W₂) обмотки каждой фазы.

Возможно подключение обмотки трёхфазного электродвигателя в двух режимах: «звезда» и «треугольник».

При подключении двигателя «треугольником» фазные концы обмоток подключаются последовательно друг с другом с напряжением 220 В AC.
При подключении двигателя «звездой» все выходные концы фазных обмоток соединяются в один узел с напряжением 380 В AC.

При малых напряжениях нагрузки рекомендуется использовать соединение «треугольник», при более высоких – «звезду».

При необходимости получить консультацию по подключению и работе электродвигателя,
а также по приобретению устройств, которые помогут улучшить его работу,
обращайтесь к специалистам Компании « РусАвтоматизация » .