Электрический двигатель схема устройства

Как устроен и как работает двигатель постоянного тока (ДПТ)

1. Физические начала ДПТ
2. Модель ДПТ
3. Устройство и принцип действия ДПТ
4. Разновидности ДПТ

Большая часть техники работает, принимая электроэнергию и переделывая ее в механическую. Устройство, которое осуществляет такое превращение, называется электрическим двигателем. Очень популярны двигатели постоянного тока, которые для краткости обозначают аббревиатурой ДПТ. Их важность в нашей жизни нельзя переоценить: устройство и принцип действия электродвигателя изучают даже в школах на уроках физики.

Как работают электрические двигатели

Асинхронные двигатели

Кратенько описали внешние отличия электрических двигателей, теперь пара слов по поводу устройства и функционирования. Асинхронные двигатели при помощи статора создают по оси вращающееся магнитное поле. Барабан беличьей клетки редко изготавливается из ферромагнитных материалов (если вообще имеет место быть). В противном случае нагрев вышел бы значительным. Фактически получается индукционная печь.

Силуминовый барабан вдоль линий магнитного поля содержит медные проводники. Разница в проводимости такова, что не проводится изоляции: ток несут красно-коричневые жилы. Поле, индуцированное статором ЭДС, слабое. Применяются специальные меры, помогающие разогнать вал. Магнитное поле ротора плохо цепляется, асинхронный двигатель стоит столбом. Действенная мера противодействия проблеме ограничивается созданием двойной беличьей клетки: вдоль барабана проходит на некоторой глубине второй ряд медных жил. Объединены торцами единой сетью.

На запуске частота тока, глубина проникновения поля велики. Включаются в работу оба слоя беличьей клетки. По мере разгона разница нивелируется, падает до нуля. Амплитуда поля снижается, рабочим остается внешний слой беличьей клетки. Обратите внимание, догнать поле ротор бессилен, проскальзывает, запаздывает. Поэтому двигатели получили название асинхронных. Англичане делают проще – зовут индукционными.

Если поле вращать со скоростью ротора, ЭДС перестает наводиться. Последует замедление, цикл повторится, начавшись разгоном. Ротор по-прежнему будет отставать от поля. Так работает устройство короткозамкнутого типа. Фазный ротор (спасибо Википедия), содержащий трехфазную обмотку, выполняет несколько функций, согласно назначению устройства:

• Подпитывается электричеством через кольцо токосъемника. Теперь ротор получает фазу и наводит на статоре ЭДС. Постепенно вал подхватывается полем, дальнейший процесс описан выше.
• Подпитывается постоянным током. Образуется синхронный двигатель.
• Снабжается реостатами, дросселями, регулирующими скорость.
• Реализует управление инвертором (усложненный первый случай).

Принцип действия асинхронных двигателей: используется наведенная ЭДС, скорость вращения неспособна догнать поле (пропадают токи). Иначе тип мотора меняется (синхронный). Для регуляции скорости часто используется амплитуда питающего напряжения. Способ годится двигателям асинхронного типа с короткозамкнутым, фазным ротором. Перечислим методики:

Работа двигателя переменного тока

• Для машин с короткозамкнутым ротором годятся:
  1. Регулирование частоты напряжения питания.
  2. Изменение числа пар полюсов статора. В результате меняется скорость вращения поля, давая нужный эффект.
• Для машин с фазным ротором допускается:
  1. Вводить реостат в цепь питания. Растут потери на скольжение, закономерно изменяя скорость.
  2. Применять специальные вентили. Энергия скольжения выпрямляется схемой Ларионова, подается в виде постоянного напряжения вспомогательному электрическому двигателю, нарезающему импульсы через управляемые извне тиристоры. Мощность, которая обычно терялась бы, возвращается. Через вал вспомогательного двигателя, трансформатор, обмотки которого частично включены в сеть питания. Управление скоростью выполняют внедрением дополнительной ЭДС. Делается либо напрямую (через источник питания), либо сдвигом угла включения тиристоров относительно питания. Частота отклоняется от номинала.
  3. Двигатель двойного питания является вариантом реализации регулировки скорости в оборудовании с фазным ротором. Тип чаще применяется для реализации схем генераторов. Ротор уплывает частотой вращения – двигатель все-таки асинхронный. Статор, ротор питаются отдельно. Позволяет для каждой обмотки задавать частоту, закономерно приводит к нужным изменениям скорости.

Асинхронным двигателям годится изменение амплитуды питания. Наибольшим КПД обладают вентильные схемы, самые дорогие.

Двигатель асинхронного типа

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.

Назначение и сфера применения АД

Электродвигатели, которые называются асинхронными, применяются почти во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства. Они тратят около 70% электричества, которое предназначено для превращения мощности тока в поступательное движение. Работа асинхронного двигателя считается наиболее эффективной в качестве электрической тяги. Без подобных машин не обходится большинство предприятий.

У данных устройств есть несколько положительных сторон:

1. Простая и недорогая конструкция, поэтому производство машин не отнимает много времени и средств.
2. Низкие расходы по эксплуатации обеспечены отказом от скользящего узелка токосъема, что и повышает надежность мотора.
3. Доступность. Они продаются почти во всех магазинах по невысокой цене.

Данный вид машин бывает трехфазным или однофазным в зависимости от числа питающих частей. Если соблюдать правила техники безопасности и настроить электросеть, то трехфазный мотор может работать на однофазной сети.

Асинхронные устройства используются не только на производстве, но и в быту. Однофазные двигатели устанавливаются в вентиляторы, стиральные машины, насосы для воды и небольшие электрические инструменты.

Синхронные электродвигатели

Однофазные электродвигатели переменного тока синхронного типа получили широкое распространение. Конструкция у таких моторов немного отличается от рассмотренной выше. В них ротор вращается с такой же скоростью, с какой движется магнитное поле обмоток статора. А на якоре имеются обмотки, соединенные с коллектором. Конструкция контактных площадок выполнена так, что в один момент времени питание подается при помощи графитовых щеток только на пару противоположных ламелей.

Следовательно, запитана только одна обмотка на роторе. Подобные коллекторные электродвигатели переменного тока получили широкое распространение в бытовой технике. Например, в электроинструментах, стиральных машинах, двигателях привода компрессоров кондиционеров или холодильников.

Типы двигателей

Давайте разберемся, что еще нужно знать об устройстве и характеристиках современных двигателей на электрических автомобилях. Итак, вот типы электродвигателей, которые ставятся на современные электромобили:

Тип напряжения

• Постоянное. Его использование более рационально, так как при постоянном токе его расходы впустую значительно уменьшаются.
• Переменное (все-таки, некоторые умудряются их ставить).

Количество фаз

• однофазные (одна обмотка вокруг сердечника);
• двухфазные (две обмотки: одна обхватывает сердечник снизу и сверху, вторая – слева и справа);
• трехфазные (тут используется три обмотки, которые расположены с отставанием в 120 градусов друг от друга).

Конструкция

• Коллекторные. С ними вы встречались в болгарках, дрелях и так далее. Они характеризуются наличием щеток. Довольно ненадежны.
• Бесколлекторные. Тут сердечник находится в постоянном магнитном поле и не касается стенок статора. Встречаются в аквариумных компрессорах и на системах индивидуального отопления. Они надежнее.

Принцип работы

Схема работы может быть следующей:

• Синхронный двигатель. Скорость бега магнитного потока в обмотке равняется скорости вращения ротора.
• Асинхронные. Тут ротор вращается с иной скоростью, чем течет магнитный поток.

Устройство двигателя

Конечно, показанное выше устройство назвать электродвигателем никак нельзя, потому что для примера был использован магнит, которого в моторе просто нет. Поэтому необходимо создать такую конструкцию, в которой электрический ток создавал бы это самое магнитное поле. К тому же оно должно еще и вращаться. Русскому ученому это оказалось под силу с помощью трехфазного переменного тока.

Поэтому в конструкции трехфазного асинхронного двигателя установлены три обмотки, расположенные относительно друг друга под углом в 120º. Каждая обмотка подсоединена к фазному контуру трехфазной сети переменного тока. Обмотки закрепляются к статору, который собой представляет металлический сердечник в виде полого корпуса. Они же закрепляются к полюсам сердечника.

Внимание! У каждой обмотки два свободных конца. Один соединяется с фазой сети, второй с двумя другими концами двух других обмоток, то есть, в единый контур.

Внутри полого сердечника на подшипниках закрепляется ротор. По сути, это тот же стержень-цилиндр. Ниже показана схема подключения обмоток и расположение ротора.

Как только электрический ток начинает подаваться на обмотки, образуется вращающееся магнитное поле, которое воздействует на ротор, заставляя его вращаться тоже.

Как работает

Чтобы понять принцип действия трехфазного асинхронного двигателя, необходимо рассмотреть график его работы. Чтобы облегчить данную задачу, предлагаем рассмотреть схему, расположенную ниже.

• Итак, позиция «А». В ней на первом полюсе фаза равна нулю, второй полюс является северным, то есть, отрицательным, в третьей фазе положительный заряд. Поэтому ток движется по стрелкам, указанным на рисунке. Тот, кто забыл школьную программу физики, напоминаем, что движение магнитного поля действует по правилу правой руки. Значит, вращение его будет направлено от севера к югу, то есть, от второй катушки (обмотки) к третьей.
• Позиция «Б». Теперь ноль расположен на второй обмотке, на первой юг (плюс), на третьей север (минус). То есть, магнитный поток будет теперь направлен от катушки №3 на катушку №1. Получается так, что полюсы сместились на 120º.
• В позициях «В» и «Г» произошли точно такие же сдвиги полюсов на 120º.

Смена полярности создает вращение магнитного потока, который в свою очередь увлекает за собой ротор. Последний начинает вращаться. Как было сказано выше, из энергии электрической получается энергия вращения (механическая).

Внимание! Если поменять местами вторую и третью обмотку, то вращение электродвигателя начнется в противоположную сторону. Конечно, сами обмотки не переставляются, а просто производится смена подключения к разным фазам сети.

Нами была рассмотрена конструкция электродвигателя асинхронного трехфазного с тремя обмотками на статоре, в котором используется двухполюсная схема магнитного поля. Число его оборотов вращения равна числу колебаний электрического тока в минуту. Если в сети переменного тока число колебания в секунду равно 50 Гц, то за минуту это значение станет 3000 (об/мин).

Но в статор можно заложить не три обмотки. К примеру, можно установить шесть или десять. При этом магнитное поле станет четырехполюсным и шестиполюсным соответственно. При этом измениться и скорость вращения ротора. В первом случае она будет равна: (50X60)/2=1500 об/мин. Во втором: (50X60)/3=1000 об/мин.

Выше нами уже упоминалось, что существует определенное отставание вращения ротора от вращения магнитного поля. Правда, это значение незначительно. К примеру, в холостом режиме работы данный показатель будет всего лишь 3%, при действующих нагрузках 5-7%. Даже 7% – значение небольшое, что и является одним из достоинств асинхронного двигателя.

Как использовать

К сожалению, не во всех частных домах есть трехфазное напряжение. Поэтому подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети производится через конденсаторы определенной емкости. Обычно расчет ведется в соответствии: на 1 кВт мощности 70 мкФ емкости. Но есть в этом деле еще одна проблема – невозможность регулировать скорость вращения ротора. Поэтому специалисты рекомендуют подключить к мотору регулятор частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей.

Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети

• Во-первых, установив его, отпадает необходимость устанавливать конденсаторы.
• Во-вторых, с помощью данного устройства выравнивается мощность электродвигателя до номинальной.
• В-третьих, можно регулировать частоту вращения, а также повышать ее больше номинала.
• В-четвертых, можно регулировать пусковой момент.

Эти устройства сегодня продаются в специализированных магазинах, но нет проблем их сделать и своими руками.

Ротор

По конструкции ротора электродвигатели асинхронные делятся на две группы:

1. С фазным ротором.
2. Короткозамкнутым.

Первый вариант – это двигатели с большой мощностью, которым необходим большой пусковой момент. В конструкции их ротора установлены контактные кольца. Второй вариант – это конструкция, в пазы которой заложены медные стержни. Это типичные электродвигатели, простые и дешевые. Но у них есть пара недостатков: большой пусковой ток и слабое усилие при начале вращения.