електродвигун перетворює електроенергію в енергію механічного руху. Так само як і електричний генератор електродвигун складається зазвичай з статора і ротора, ставлячись до обертових електричних машин Випускаються однак, двигуни у яких рухається частина здійснює лінійне (зазвичай прямолінійний рух (лінійні двигуни).
Найпоширенішим видом електродвигунів є трифазний короткозамкнений асинхронний двигун принцип пристрою якого представлений на рис. 1, роторна обмотка цього двигуна являє собою систему масивних мідних або алюмінієвих стрижнів, розміщених паралельно один одному в пазах ротора кінці яких з'єднані між собою короткозамкненими кільцями.
Рис. 1. Принцип пристрою короткозамкнутого асинхронного двигуна.
1 статор, 2 - ротор, 3 - вал, 4 - корпус
У разі застосування алюмінію вся обмотка (біляча клітина) зазвичай формується шляхом лиття під тиском. Обертове магнітне поле статора індукує в обмотці ротора струм, взаємодія якого з магнітним полем статора призводить ротор в обертання. Швидкість обертання ротора при цьому завжди менше ніж магнітного поля статора і її відносну різницю зі швидкістю обертання магнітного поля статора (з синхронією швидкістю) називають ковзанням. Ця величина залежить від навантаження на валу двигуна і становить при повному навантаженні зазвичай 3 ... 5%. Для ступеневої регулювання швидкості може використовуватися статорна обмотка з перемикається числом полюсів за таким принципом можуть виконуватися, наприклад, двох трьох і чотиришвидкісні асинхронні двигуни. Для плавного регулювання швидкості зазвичай здійснюється харчування двигуна через регульований перетворювач частоти.
Для головного регулювання швидкості асинхронного двигуна нижче номінальної раніше замість короткозамкнутих двигуні використовувалися двигуни з фазним ротором, у яких роторна обмотка має таке ж трифазне виконання як і статорна. Така обмотка з'єднується через контактні кільця, розташовані на валу двигуна з регулювальним реостатом де частина енергії споживаної двигуном, перетворюється в тепло. Регулювання відбувається, отже, за рахунок зниження ККД двигуна і в даний час застосовується рідко.
Короткозамкнені асинхронні двигуни характеризуються своєю компактністю і високою надійністю, а також набагато більшим терміном служби, ніж двигуни внутрішнього згоряння. За розмірами вони зазвичай менше і по масі легше, ніж двигуни внутрішнього згоряння тієї ж потужності. Вони можуть виготовлятися в дуже великому діапазоні номінальних потужностей від кількох ват до декількох десятків мегават. Двигуни малої потужності (до декількох сотень ват можуть бути і однофазними.
синхронні двигуни влаштовані так само, як і синхронні генератори. При незмінній мережевий частоті вони обертаються з постійною швидкістю не залежно від навантаження. Їх перевагою перед асинхронними двигунами вважається те, що вони не споживають з мережі реактивну енергію, а можуть віддавати її в мережу покриваючи цим споживання реактивної енергії іншими електроприймачами. Синхронні двигуни не підходять для частих пусків і застосовуються, головним чином, при відносно стабільній механічного навантаження і тоді, коли потрібна постійна швидкість обертання.
Двигуни постійного струму використовуються при необхідності плавного регулювання швидкості. Це досягається шляхом зміни струму якоря та / або порушення за допомогою напівпровідникових пристроїв (раніше - за допомогою регулювальних реостатів) або шляхом зміни напруги живлення. Так як в даний час легко і без істотної зміни ККД (за допомогою перетворювачів частоти) здійснюється і плавне регулювання швидкості двигунів змінного струму, то двигуни постійного струму, через їх більшої вартості, великих розмірів і додаткових втрат, що виникають при регулюванні, стали застосовуватися значно рідше, ніж раніше.
Крокові двигуни приводять в рух за допомогою імпульсів напруги. При кожному імпульсі ротор двигуна повертається на певний кут (наприклад, на кілька градусів). Такі двигуни використовуються в тихохідних механізмах, які потребують звичайно ще точного позиціонування. Можуть виготовлятися, наприклад, двигуни, які вчиняють один про рот за добу або навіть за рік.
лінійні двигуни використовуються для лінійного руху, коли перетворення обертового руху в лінійне за допомогою механічних передач чи інших пристроїв неможливо або неприйнятно. Найбільш часто застосовуються асинхронні лінійні двигуни, але існують також синхронні і крокові лінійні двигуни і навіть двигуни постійного струму.
Основними перевагами електричних двигунів перед двигунами внутрішнього згоряння можуть вважатися
- менші розміри, менша маса і менша вартість,
- набагато більш високий ККД (зазвичай 90 ..95%),
- найкраща можливість регулювання (зазвичай із збереженням високого КПД),
- висока надійність і довгий термін служби,
- менший шум і менша вібрація при роботі,
- швидкий і безпроблемний (при необхідності - плавний) пуск,
- набагато простіша експлуатація,
- відсутність споживання палива і, як результат, відсутність викидів продуктів згорання в навколишнє середовище,
- легке приєднання до будь-яких робочих машин і механізмів.
Застосування електродвигунів може виявитися проблемним у разі, коли вони повинні розміщуватися на переносних і пересувних пристроях або на транспортних засобах. Для електроживлення в таких випадках можуть застосовуватися, в залежності від дальності і характеру пересування,
- гнучкі кабелі,
- контактні дроти або контактні шини,
- розміщуються на пересувних засобах джерела живлення (акумулятори, паливні елементи, двигун-генератори і т. П.).
У багатьох випадках ці способи харчування обмежують маневреність або дальність пробігу транспортних засобів (особливо автомобілів) або інших пересувних машин в такій мірі що застосування двигунів внутрішнього згоряння залишається більш раціональним. Перший електродвигун не була електромагнітним, а електростатичним і його виготовив в 1748 році видавець і громадський діяч міста Філадельфія (Philadelphia, США) Бенджамін Франклін (Benjamin Franklin, 1706-1790). Ротор цього двигуна був зубчастий диск, на зуби якого діяли імпульсні сили тяжіння і відштовхування, що викликаються електростатичними розрядами, диск здійснював 12 ... 15 оборотів в хвилину і міг нести до 100 срібних монет. Перші електромагнітні двигуни (прилади, в яких або провідник, через який протікав струм обертався навколо стрижневого магніту (рис. 2), здійснюючи при цьому роботу - перемішуючи ртуть, або стрижневий магніт обертався навколо провідника зі струмом, винайшов в 1821 році асистент Лондонського Королівського інституту (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday).
Рис. 2. Принцип пристрою досвідченого приладу Майкла Фарадея для демонстрації електричного обертання.
1 - обертається металевий стрижень, 2 - стрижневий магніт, 3 - скляний або фарфоровий посуд, 4 - ртуть, 5 - ущільнення, i - струм
Перший (що коливається) двигун, який, в принципі, можна було б поєднати з приводиться робочої машиною, виготовив в 1831 році вчитель математики і природознавства школи хлопчиків міста Албані (Albany, США) Джозеф Генрі (Joseph Henry, 1797-1878); принцип пристрою цього двигуна представлений на рис. 3.
Рис. 3. Принцип пристрою коливається електродвигуна Джозефа Генрі.
1 - постійні магніти, 2 - хитний електромагніт, 3 - вал, 4 - ртутні контакти.
Після двигуна Генрі було створено ще кілька різних досвідчених електродвигунів зворотно-поступального руху. Перший обертається електродвигун створив з метою реального застосування 8 квітня 1834 інспектор порту Піллау rPiilau, Східна Пруссія), інженер-будівельник Моріц Герман Яко6і (Moritz Hermann Jacobi. 1801-1874), який вивчав самостійно електротехніку в бібліотеці і в лабораторіях Кенігсберзького університету. Восьміполюсний двигун, у якого як статор, так і ротор складалися з чотирьох підковоподібних електромагнітів і який здійснював 80 ... 120 обертів на хвилину, отримував харчування з батареї гальванічних елементів напругою 6V. Потужність його на валу була приблизно 15 W а ККД - близько 13%. Якобі досліджував і удосконалював свої двигун, між іншим, в Тартуському університеті, професором цивільної архітектури якого він був обраний в 1835 році.
Моріц Герман (пізніше, в Росії - Борис Семенович) Якобі народився в 1801 році в Потсдамі (Potsdam, Німеччина) в заможній родині і отримав хорошу домашню освіту; вже в юнацтві він однаково вільно володів німецькою, англійською та французькою мовами і відмінно знав також латину і давньогрецьку мову. У 1828 році він закінчив Геттінгенського університету (Gottingen Німеччина) з кваліфікацією архітектора, працював потім на будівництві доріг, а в 1833 році переїхав до Кенігсберга, де його молодший брат Карл Густав Яків Якобі (Carl Gustav Jacob Jacobi, 1804-1851) був професором математики . Він став працювати інспектором порту Піллау і відвідувати Кенигсбергский університет для придбання знань з електротехніки. У 1834 році він побудував вищезгаданий двигун, а в 1835 році, з ініціативи професора астрономії Тартуського університету Фрідріха Георга Вільгельма Струве (Friedrich Georg Wilhelm Struve, 1793-1864) він був обраний професором цивільної архітектури цього університету. Його двигун викликав інтерес у Петербурзі, і в 1837 році Якобі був прикомандирований до столичної Академії Наук для розробки електроприводу військових кораблів, залишаючись до 1840 офіційно на службі в Тартуському університеті. У 1838 році Якобі випробував на Неві перший в світі електропривод з обертовим двигуном (встановлений на морському боті), але подальші дослідження показали, що для електроживлення приводу, на жаль, немає технічно і економічно придатного джерела енергії.
У 1839 році Якобі був обраний членом-кореспондентом, а в 1842 році - членом Академії Наук і в подальшому займався, в основному, розвитком електромагнітного телеграфу, гальванотехніки та метрології. Неодноразово він зустрічався з Майклом Фарадеєм, відомими французькими та німецькими фізиками того часу.
В середині 19-го століття було розроблено ще кілька різновидів двигунів постійного струму, але їх практичного застосування перешкодили мала потужність і, як встановив вже Якобі, недостатня економічна ефективність джерел електроживлення того часу - гальванічних елементів і примітивних електромашинних генераторів. Більш широко застосування електродвигунів стало можливим тільки в 1866 році після появи генераторів постійного струму з самозбудженням.
Після появи багатофазної системи змінного струму німецька фірма АЕГ стала досліджувати можливості використання асинхронних двигунів, винайдених її головним інженером Михайлом Доліво-Добровольським (на німецький лад Michael von Dolivo-Dobrowolsky) і представив 8 березня 1889 заяву на патентування короткозамкнутого асинхронного двигуна. Після цього почалося широке застосування надійних і високоефективних двигунів змінного струму. В даний час всі вищеназвані електродвигуни досягли дуже високого технічного рівня і знаходять широке застосування в стаціонарних установках, а останнім часом все частіше і в засобах пересування.
Електричний двигун - неоціненне винахід людини. Завдяки цьому пристрою наша цивілізація за останні сотні років пішла далеко вперед. Це настільки важливо, що принцип роботи електродвигуна вивчають ще зі шкільної лави. Кругове обертання електроприводних вала легко трансформується в усі інші види руху. Тому будь-який верстат, створений для полегшення праці і скорочення часу на виготовлення продукції, можна пристосувати під виконання безлічі завдань. Який же принцип дії електродвигуна, як він працює і яке його пристрій - про все це зрозумілою мовою розповідається в представленій статті.
Як працює двигун постійного струму
Переважна більшість електричних машин працює за принципом магнітного відштовхування і тяжіння. Якщо між північним і південним полюсами магніту помістити дріт і пропустити по ній струм, то її виштовхне назовні. Як це можливо? Справа в тому, що проходячи по провіднику, ток формує навколо себе круговий магнітне поле по всій довжині дроту. Напрямок цього поля визначають за правилом свердлика (гвинта). При взаємодії кругового поля провідника і однорідного поля магніту, між полюсами магнітне поле з одного боку слабшає, а з іншого посилюється. Тобто середовище стає пружною і результуюча сила виштовхує провід з поля магніту під кутом 90 градусів в напрямку, який визначається за правилом лівої руки (правило правої руки використовується для генераторів, а правило лівої руки підходить тільки для двигунів). Ця сила називається «амперовой» і її величина визначається за законом Ампера F \u003d BхIхL, де В - значення магнітної індукції поля; I - струм, що циркулює в провіднику; L - довжина проводу.
Це явище використовували як основний принцип роботи перших електродвигунів, цей же принцип використовують і понині. У двигунах постійного струму малої потужності для створення постійного магнітного поля застосовуються постійні магніти. У електромоторах середньої і великої потужності однорідне магнітне поле створюють за допомогою обмотки збудження або індуктора.
Розглянемо принцип створення механічного руху за допомогою електрики більш докладно. На динамічної ілюстрації показаний найпростіший електромотор. В однорідному магнітному полі вертикально маємо дротяну рамку і пропускаємо по ній струм. Що відбувається? Рамка провертається і за інерцією рухається якийсь час до досягнення горизонтального положення. Це нейтральне положення - мертва точка - місце, де вплив поля на провідник зі струмом дорівнює нулю. Щоб рух продовжилося, потрібно додати ще хоча б одну рамку і забезпечити перемикання напрямок струму в рамці в потрібний момент. На навчальному відео внизу сторінки добре видно цей процес.
Принцип дії сучасних електродвигунів
Сучасний двигун постійного струму замість однієї рамки має якір з безліччю провідників, укладених в пази, а замість постійного подковообразного магніту має статор з обмоткою збудження з двома і більше полясамі. На малюнку показаний двополюсний електродвигун в розрізі. Принцип його роботи наступний. Якщо по дротах верхній частині якоря пропустити струм рухається «від нас» (відзначено хрестиком), а в нижній частині - «на нас» (відзначено крапкою), то згідно з правилом лівої руки верхні провідники будуть виштовхувати з магнітного поля статора вліво, а провідники нижньої половини якоря за тим же принципом будуть виштовхувати вправо. Оскільки мідний дріт укладений в пазах якоря, то, вся сила впливу буде передаватися і на нього, і він буде провертатися. Далі видно, що коли провідник з напрямком струму «від нас» провернётся вниз і стане на південного полюса створюваного статором, то він видавлюватиметься в ліву сторону, і відбудеться гальмування. Щоб цього не сталося потрібно поміняти напрям струму в проводі на протилежне, як тільки буде пересічена нейтральна лінія. Це робиться за допомогою колектора - спеціального перемикача, комутуючого обмотку якоря із загальною схемою електродвигуна.
Таким чином, обмотка якоря передає крутний момент на вал електромотора, а той в свою чергу приводить в рух робочі механізми будь-якого обладнання, такого як, наприклад, верстат для сітки рабиці. Хоча в цьому випадку використовується змінного струму, основний принцип його роботи ідентичний принципом дії двигуна постійного струму - це виштовхування провідника зі струмом з магнітного поля. Тільки у асинхронного електромотора обертове магнітне поле, а у електродвигуна постійного струму - поле статичне.
Продовжуючи тему двигуна постійного струму потрібно відзначити, що принцип дії електродвигуна грунтується на інвертуванні постійного струму в якірного ланцюга, щоб не було гальмування, і обертання ротора підтримувалося в постійному ритмі. Якщо змінити напрямок струму в збудливою обмотці статора, то, згідно з правилом лівої руки, зміниться напрямок обертання ротора. Те ж саме відбудеться, якщо ми поміняємо місцями щіткові контакти, що підводять живлення від джерела до якірної обмотці. А ось якщо поміняти «+» «-» і там і там, то напрямок обертання вала не зміниться. Тому, в принципі, для харчування такого мотора можна використовувати і змінний струм, тому що ток в індукторі і якорі буде змінюватися одночасно. На практиці такі пристрої використовуються рідко.
Що стосується електричної схеми включення двигуна, то їх кілька і вони показані на малюнку. При паралельному з'єднанні обмоток, обмотка якоря робиться з великої кількості витків тонкого дроту. При такому підключенні комутований колектором ток буде значно менше через великий опір і пластини не будуть сильно іскрити і вигоряти. Якщо робити послідовне з'єднання обмоток індуктора і якоря, то обмотка індуктора робиться з дроту більшого діаметра з меншою кількістю витків, тому що весь якірний струм спрямовується через статорних обмотку. При таких маніпуляціях з пропорційним зміною значень струму і кількості витків, що намагнічує сила залишається постійною, а якісні характеристики пристрою стають краще.
На сьогоднішній день двигуни постійного струму мало використовуються на виробництві. З недоліків цього типу електричних машин можна відзначити швидкий знос щітково-колекторного вузла. Переваги - хороші характеристики запуску, легка регулювання частоти і напрямку обертання, простота пристрою і управління.
Електродвигун цей пристрій перетворює енергію електрики в механічну енергію. Електродвигуни набули широкого поширення, практично у всіх сферах повсякденного життя. Перш ніж розглядати види електродвигунів, слід коротко зупинитися на принципі їх роботи. Вся дія відбувається згідно закону Ампера, коли навколо дроту, де протікає електричний, утворюється магнітне поле. При обертанні цього дроту всередині магніту, кожна її сторона буде по черзі притягатися до полюсів. Таким чином, буде відбуватися обертання дротяної петлі. Електродвигуни розділяються між собою, в залежності від застосовуваного струму, який може бути змінним або постійним.
Електродвигуни змінного струму
Особливістю змінного струму є зміна його напрямку певну кількість разів протягом секунди. Як правило, використовується змінний струм з частотою в 50 герц.
При підключенні, ток спочатку починає протікати в одному напрямку, а, потім, його напрямок повністю змінюється. Таким чином, сторони петлі, отримуючи поштовх, притягуються черзі до різних полюсів. Тобто, фактично, відбувається їх впорядковане притягання і відштовхування. Тому, при зміні напрямку, буде відбуватися обертання дротяної петлі навколо своєї осі. За допомогою цих кругових рухів відбувається перетворення енергії з електричної в механічну.
Двигуни змінного струму мають безліч конструкцій і представлені найрізноманітнішими моделями. Це дозволяє широко використовувати їх не тільки в промисловості, але і в побуті.
Електродвигуни постійного струму
Першими винайденими двигунами були все-таки пристрої постійного струму. Змінний струм в цей час був ще невідомий. На відміну від змінного, рух постійного струму здійснюється завжди в одному напрямку. Обертання ротора припиняється після того, як відбудеться оборот на 90 градусів. Напрямок магнітного поля збігається в напрямом електроструму.
Тому, металеве кільце, підключений до джерела постійного струму, розрізається на дві частини і носить назву кільцевого комутатора. На початку обертання, протікання струму відбувається по першій стороні комутатора і по проводах. Електрострум, що протікає по дротяної петлі, створює в ній магнітне поле. При подальшому обертанні петлі, відбувається і обертання комутатора. Після проходження кільцем порожнього простору, відбувається його перехід на іншу частину комутатора. Далі, відбувається ефект змінного електроструму, завдяки якому обертання петлі триває.
Всі електродвигуни постійного струму застосовуються спільно з пристроями змінного струму на виробництві та транспорті.
Класифікація електродвигунів
Електричний двигун являє собою особливий перетворювач. Це машина, де електрична енергія перетворюється і переходить в механічну. Принцип дії двигуна заснований на електромагнітної індукції. Є до того ж і електростатичні двигуни. Можна без особливих доповнень використовувати двигуни на інших принципах перетворення електрики в переміщенні. Але мало хто знає, як влаштований і як працює електродвигун.
Принцип роботи пристрою
У складі електродвигуна змінного струму присутні нерухомі і рухомі частини. До перших відносять:
- статор;
- індуктор.
Статор знаходить застосування для машин синхронного і асинхронного типу. Індуктор експлуатується в машинах постійного струму. Рухома частина складається з ротора і якоря. Перший застосовують для синхронних і асинхронних пристроїв, тоді як якір використовується для обладнання з постійними показниками. Функція індуктора лежить на двигунах невеликої потужності. Тут нерідко використовують постійні магніти.
Говорячи про те, як влаштований електродвигун, необхідно визначити, до якого класу обладнання відноситься конкретна модель. У конструкції асинхронного двигуна ротор буває:
- короткозамкненим;
- фазним, тобто з обмоткою.
Останній тип використовується, якщо потрібно зменшити пусковий струм і 
відрегулювати частоту обертання асинхронного електродвигуна. Зазвичай мова йде про кранових електродвигунах, повсюдно використовуваних в кранових установках.
Кран має рухливістю і застосовується в машинах постійного струму. Це може бути генератор або двигун, а також універсальний двигун, що функціонують за тим же принципом. Його використовують в інструменті. Фактично універсальний двигун - це той же двигун з постійними показниками, в якому відбувається послідовне збудження. Відмінність стосується лише розрахунків обмоток. Тут відсутній реактивний опір. Воно буває:
- ємнісним;
- індуктивним.
Ось чому будь-який електроінструмент, якщо з нього витягується електронний блок, зможе працювати і на постійному струмі. Але при цьому напруга в мережі буде менше. Принцип дії електродвигуна визначається залежно від того, з яких компонентів він складається і для яких цілей призначається.
Робота трифазного асинхронного двигуна
Під час включення в мережу формується обертове магнітне поле. Воно відзначається в статорі і проникає через короткозамкненим обмотку ротора. У ній переходить в індукцію. Після цього, відповідно до закону Ампера, ротор починає обертатися. Частота переміщення цього елемента залежить від частоти напруги живлення і кількості магнітних полюсів, представлених парами.
Різниця між частотою обертання ротора і магнітного поля статора виражається у вигляді ковзання. двигун іменують асинхронним, Тому що частота обертання магнітного поля у нього сообразна з частотою обертання ротора. Синхронний двигун має відмінності в конструкції. Ротор доповнюється магнітом постійного типу або електромагнітом. У ньому є елементи, такі як для запуску біляча клітина і постійні магніти. Також їх роль можуть виконувати електромагніти.
В асинхронному двигуні у магнітного поля статора частота обертання збігається з аналогічним показником у ротора. Для включення використовують асинхронні електродвигуни допоміжного типу або ротор з короткозамкненою обмоткою. Асинхронні двигуни змогли знайти широке застосування у всіх технічних областях.
Особливо це актуально щодо трифазних двигунів, що характеризуються простотою конструкції. Вони не тільки доступні за ціною, але і надійніше в порівнянні з електричними. Догляду вони не вимагають майже ніякого. Назва асинхронний, присвоєне їм, обумовлено несинхронним обертанням ротора в такому двигуні. Якщо відсутня трифазна мережа, такий двигун може включатися в мережу однофазного струму.
У складі статора асинхронного електродвигуна присутній пакет. У ньому є лаковані листи електротехнічної сталі, чия товщина складає 0,5 мм. У них є пази, куди покладена обмотка. Три фази обмотки з'єднані один з одним трикутником або зіркою, які зміщені на 120 градусів просторово.
Якщо мова йде про роторі електродвигуна, в якому є контактні кільця в пазах, тут відзначається ситуація, схожа на обмотку статора. Це актуально, якщо він включений зіркою або початкові кінці фаз з'єднані трьома контактними кільцями, зафіксованими на валу. Коли двигун запущено, можна підключити реостат на фази обмотки для контролю частоти обертання. Після успішного розбігу контактні кільця коротко замикаються, а тому обмотка ротора виконує ті ж функції, що і у випадку з короткозамкненим виробом.
сучасна класифікація
За принципом формування крутного моменту двигуни електричного типу ділять на магнітоелектричні і гістерезисна. Остання група відрізняється тим, що обертає момент тут формується внаслідок гістерезису при надмірному намагничивании ротора. Такі двигуни не вважаються класичними і не так поширені в промисловості. Найбільшого поширення набули магнітоелектричні модифікації, які діляться на дві великі групи, згідно споживаної енергії. Це двигуни змінного і постійного струму. Випускаються також універсальні моделі, які здатні харчуватися обома видами електричного струму.
Основні особливості
Було б правильно називати ці пристрої електричними нефазнимі. Це обумовлено тим, що фази перемикаються тут безпосередньо в двигуні. За рахунок цього мотор харчується постійним, як і змінним типами струму, з однаковим успіхом. Ця група ділиться за способом перемикання фаз і присутності зворотного зв'язку. Вони бувають вентильними і колекторними.
Що стосується типу збудження, колекторні двигуни підрозділяють на моделі з самозбудженням, мотори з незалежним збудженням від постійних магнітів і електромагнітів. Перший тип, в свою чергу, класифікується на мотори з послідовним, паралельним, змішаним збудженням.
Безколекторні, або вентильні вироби, працюють від електрики. У них перемикання фаз відбувається за допомогою спеціального електроблока, що носить назву інвертора. Процес цей може оснащуватися зворотним зв'язком, коли пускають в хід датчик положення ротора або без зворотного зв'язку. Такий пристрій можна фактично позиціонувати, як аналог асинхронного пристрою.
Агрегати пульсуючого струму
Такий двигун є електричним, і харчування у нього здійснюється пульсуючим електрострумом. Конструкційні особливості його схожі з аналогічними особливостями у пристроїв постійного струму. Конструктивні відмінності його від двигуна з постійними показниками складаються в присутності шихтованних вставок для випрямлення змінного струму. Використовують його на електровозах зі спеціальними установками. Характерною особливістю є наявність компенсаційної обмотки і значної кількості пар полюсів.
Модифікації змінного струму
Двигун являє собою пристрій, харчування якого відбувається зі змінним струмом. Агрегати ці бувають асинхронними і синхронними. Різниця полягає в тому, що в асинхронних машинах магнитодвижущая сила статора переміщається зі швидкістю обертання ротора. У асинхронного обладнання завжди спостерігається різниця між швидкістю обертання магнітного поля і ротора.
Синхронний електродвигун працює від змінного струму. Ротор тут обертається по руху магнітного поля напруги живлення. Синхронні електродвигуни діляться на модифікації з обмотками збудження, з постійними магнітами, а також на реактивні модифікації, гістерезисна, крокові, гібридні реактивні типи пристроїв.
Виділяють і так званий реактивно-гістерезисний тип. Випускають також моделі з кроковими агрегатами. Тут певне положення ротора фіксується подачею харчування на певні зони обмотки. Перехід в інше положення досягається за допомогою зняття напруги з одних обмоток і переміщення його в інші області. Вентильні реактивні моделі електричного типу формують харчування обмоток за допомогою напівпровідникових елементів. Асинхронне пристрій має частоту обертання ротора, відмінну від частоти магнітного поля. Вона створюється годує напругою. Такі моделі отримали на сьогодні найбільше поширення.
Універсальне коллекторное обладнання
Такий агрегат може працювати на змінному та постійному струмі. Виготовляють його з послідовною обмоткою збудження при показниках потужності до 200 Вт. Статор виконується з особливою електротехнічної сталі. Обмотка збудження здійснюється при постійному показнику напруги повністю і частково при змінному показнику. Номінальна напруга для змінного електроструму складають 127 і 220 В, аналогічні показники для постійного параметра рівні 110 і 220 В. Знаходять застосування в електроінструментах і побутових апаратах.
Те, як працює електродвигун, залежить від його належності до того чи іншого типу обладнання. Модифікації змінного струму з живленням від промислової мережі 50 Гц не дають отримати частоту обертання більше 3000 оборотів в хвилину. Ось чому для отримання значних частот використовують колекторний мотор електричного типу. Він до того ж легше і менше за розмірами, ніж пристрої зі змінними показниками з аналогічною потужністю.
У їх відношенні використовують спеціальні передавальні механізми, що перетворюють кінематичні параметри механізму до прийнятних. При використанні перетворювачів частоти і при наявності мережі підвищеної частоти двигуни змінного струму легше і менше колекторних виробів.
Ресурс асинхронних моделей зі змінними показниками значно вище, ніж у колекторних. Визначається він станом підшипників і особливостями обмотувальної ізоляції.
Синхронний двигун, у якого є датчик положення ротора і інвертор, вважається електронним аналогом колекторного двигуна постійного струму. Фактично він є колекторним електродвигуном з послідовно включеними обмотками статора. Вони ідеально оптимізовані для роботи з побутовою електромережею. Таку модель, незалежно від полярності напруги, можна обертати в одну сторону, так як послідовне з'єднання обмоток і ротора гарантує зміну полюсів з магнітних полів. Відповідно, результат залишається спрямованим в одну сторону.
Статор з магнітного м'якого матеріалу застосуємо для роботи на змінному струмі. Це можливо, якщо опір в перемагничивании у нього незначне. Щоб знизити втрати на вихрові струми, статор роблять з ізольованих пластин. Він виходить складальним. Його особливістю є те, що струм обмежується за рахунок індуктивного опору обмоток. Відповідно, момент двигуна оціночно стає максимальним і варіюється від 3 до 5. Щоб наблизити до механічних характеристиках двигуни загального призначення, застосовуються секційні обмотки. Вони мають окремі висновки.
Примітно, що для пересування деякими видами бактерій використовується електродвигун з декількох білкових молекул. Він здатний трансформувати енергію електричного струму в формі руху протонів в обертанні джгутика.
Синхронна модель зворотно-поступального руху працює таким чином, що рухома частина пристрою оснащена постійними магнітами. Вони зафіксовані на шторці. За допомогою нерухомих елементів постійні магніти знаходяться під впливом магнітного поля і проводять переміщення штока зворотно-поступальним методом.
Електричні двигуни призначені для перетворення електричної енергії в механічну. Перші їхні прототипи були створені в 19 столітті, а сьогодні ці пристрої максимально інтегровані в життя сучасного людства. Приклади їх використання можна зустріти в будь-якій сфері життєдіяльності: від громадського транспорту до домашньої кавомолки.
Електричний двигун: вид в розрізі
Принцип перетворення енергії
Принцип роботи електродвигуна будь-якого типу полягає в використанні електромагнітної індукції, що виникає всередині пристрою після підключення в мережу. Для того щоб зрозуміти, як ця індукція створюється і призводить елементи двигуна в рух, слід звернутися до шкільного курсу фізики, що пояснює поведінку провідників в електромагнітному полі.
Отже, якщо ми погрозами провідник у вигляді обмотки, по якому рухаються електричні заряди, в магнітне поле, він почне обертатися навколо своєї осі. Це пов'язано з тим, що заряди знаходяться під впливом механічної сили, що змінює їхнє становище на перпендикулярній магнітних силових ліній площині. Можна сказати, що ця ж сила діє на весь провідник.
Схема, представлена \u200b\u200bнижче, показує струмопровідну рамку, що знаходиться під напругою, і два магнітних полюси, що додають їй обертальний рух.
Саме ця закономірність взаємодії магнітного поля і струмопровідного контуру зі створенням електрорушійної сили лежить в основі функціонування електродвигунів всіх типів. Для створення аналогічних умов в конструкцію пристрою включають:
- Ротор (обмотка) - рухома частина машини, закріплена на осерді і підшипниках обертання. Вона виконує роль токопроводящего обертального контуру.
- Статор - нерухомий елемент, який створює магнітне поле, що впливає на електричні заряди ротора.
- Корпус статора. Оснащений посадочними гніздами з обоймами для підшипників ротора. Ротор розміщується всередині статора.
Для подання конструкції електродвигуна можна створити принципову схему на основі попередньої ілюстрації:
Після включення даного пристрою в мережу, по обмотках ротора починає йти струм, який під впливом магнітного поля, що виникає на статорі, надає ротора обертання, що передається на крутиться вал. Швидкість обертання, потужність і інші робочі показники залежать від конструкції конкретного двигуна і параметрів електричної мережі.
Класифікація електричних двигунів
Всі електродвигуни між собою класифікують в першу чергу по типу струму, що протікає через них. У свою чергу, кожна з цих груп теж ділити на кілька видів, залежно від технологічних особливостей.
Двигуни постійного струму
На малопотужних двигунах постійного струму магнітне поле створюється постійним магнітом, що встановлюється в корпусі пристрою, а обмотка якоря закріплюється на обертовому валу. Принципова схема ДПТ виглядає наступним чином:
Обмотка, розташована на осерді, виготовляється з феромагнітних матеріалів і складається з двох частин, послідовно з'єднаних між собою. Своїми кінцями вони приєднуються до колекторним пластин, до яких притискаються графітові щітки. На одну з них подається позитивний потенціал від джерела постійного струму, а на іншу - негативний.
Після подачі живлення на двигун відбувається наступне:
- Струм від нижньої «плюсової» щітки подається на ту колекторну пластину, до контактної платформі якої вона підключена.
- Проходження струму по обмотці на колекторних пластину (позначено пунктирною червоною стрілкою), підключену до верхньої «негативною» щітці створює електромагнітне поле.
- Згідно з правилом свердлика, в правій верхній частині якоря виникає магнітне поле південного, а в лівій нижній - північного магнітного полюса.
- Магнітні поля з однаковим потенціалом відштовхуються одна від одної і призводять ротор в обертальний рух, позначене на схемі червоною стрілкою.
- Пристрій колекторних пластин призводить до зміни напрямку протікання струму по обмотці під час інерційного обертання, і робочий цикл повторюється знову.
Найпростіший електричний двигун
При очевидній простоті конструкції істотним недоліком таких двигунів є низький ККД, обумовлений великими втратами енергії. Сьогодні ДПТ з постійними магнітами використовуються в простих побутових приладах і дитячих іграшках.
Пристрій двигунів постійного струму великої потужності, які використовуються у виробничих цілях, не передбачає використання постійних магнітів (вони займали б занадто багато місця). У цих машинах використовується наступна конструкція:
- обмотка складається з більшої кількості секцій, що представляють собою металевий стрижень;
- кожна обмотка окремо підключається до позитивного і негативного полюса;
- кількість контактних майданчиків на колекторному пристрої відповідає кількості обмоток.
Таким чином, зниження втрат електроенергії забезпечується плавним підключенням кожної обмотки до щіток і джерела живлення. На наступній картинці представлена \u200b\u200bконструкція якоря такого двигуна:
Пристрій електричних двигунів постійного струму дозволяє легко звернути напрямок обертання ротора за допомогою простої зміни полярності на джерелі живлення.
Функціональні особливості електродвигунів визначаються наявністю деяких «хитрощів», до яких відноситься зрушення струмознімальних щіток і кілька схем підключення.
Зрушення вузла струмознімальних щіток щодо обертання валу відбувається після запуску двигуна і зміни подається навантаження. Це дозволяє компенсувати «реакцію якоря» - ефект, що знижує ефективність машини за рахунок гальмування вала.
Є три способи підключення ДПТ:
- Схема з паралельним збудженням передбачає паралельне підключення незалежної обмотки, як правило, регульованою реостатом. Так забезпечується максимальна стабільність швидкості обертання і її плавне регулювання. Саме завдяки цьому двигуни з паралельним збудженням знаходять широке застосування в вантажопідіймальному обладнанні, на електричному транспорті та верстатах.
- Схема з послідовним збудженням теж передбачає використання додаткової обмотки, але підключається вона послідовно з основною. Це дозволяє при необхідності різко збільшити крутний момент двигуна, наприклад, на старті руху залізничного складу.
- Змішана схема використовує переваги обох методів зв'язку, описаних вище.
Біполярний електричний двигун
Двигуни змінного струму
Головною відмінністю цих двигунів від описаних раніше моделей полягає в струмі, що протікає по їх обмотці. Він описує за синусоїдальним законом і постійно змінює свій напрямок. Відповідно і харчування цих двигунів здійснюється від генераторів зі знакозмінної величиною.
Одним з головних конструктивних відмінностей є пристрій статора, що представляє собою муздрамтеатр зі спеціальними пазами для розташування витків обмотки.
Двигуни змінного струму класифікують за принципом роботи на синхронні і асинхронні. Коротко кажучи, це означає, що в перших частота обертання ротора збігається з частотою обертання магнітного поля в статорі, а по-друге - немає.
синхронні двигуни
В основі роботи синхронних електродвигунів змінного струму теж лежить принцип взаємодії полів, що виникають всередині пристрою, однак в їх конструкції постійні магніти закріплюються на роторі, а по статора проводиться обмотка. Принцип їх дії демонструє наступна схема:
Провідники обмотки, по якій проходить струм, показані на малюнку у вигляді рамки. Обертання ротора відбувається наступним чином:
- На певний момент часу ротор з закріпленим на ньому постійним магнітом знаходиться у вільному обертанні.
- На обмотці в момент проходження через неї позитивної напівхвилі формується магнітне поле з діаметрально протилежними полюсами Sст і Nст. Воно показано на лівій частині наведеної схеми.
- Однойменні полюси постійного магніту і магнітного поля статора відштовхуються одна від одної і призводять двигун в положення, показане на правій частині схеми.
У реальних умовах для створення постійного плавного обертання двигуна використовується не одна котушка обмотки, а кілька. Вони по черзі пропускають через себе струм, завдяки чому створюється обертове магнітне поле.
асинхронні двигуни
А асинхронному двигуні змінного струму обертається магнітне поле створюється трьома (для мережі 380 В) обмотками статора. Їх підключення до джерела живлення здійснюється через клемник, а охолодження - вмонтованим в двигун вентилятором.
Ротор, зібраний з декількох замкнутих між собою металевих стрижнів, жорстко з'єднаний з валом, складаючи з ним одне ціле. Саме через з'єднання стрижнів межу собою цей тип ротора називається короткозамкненим. Завдяки відсутності струмопровідних щіток в даній конструкції значно спрощується технічне обслуговування двигуна, збільшується термін служби і надійність. Головною причиною виходу з ладу двигунів цього типу є знос підшипників вала.
Принцип роботи асинхронного двигуна грунтується на законі електромагнітної індукції - якщо частота обертання електромагнітного поля обмоток статора перевищує частоту обертання ротора, в ньому наводиться електрорушійна сила. Це важливо, оскільки при однаковій частоті ЕРС не виникає і, відповідно, не виникає обертання. Насправді навантаження на вал і опір від тертя підшипників завжди уповільнює ротор і створює достатні для роботи умови.
Головним недоліком двигунів даного типу є неможливість отримання постійної частоти обертання валу. Справа в тому, що робочі характеристики пристрою змінюються в залежності від різних факторів. Наприклад, без навантаження на вал циркулярна пила обертається з максимальною швидкістю. Коли ми підводимо до пильному полотну дошку і починаємо її різати, частота обертання диска помітно знижується. Відповідно, знижується і швидкість обертання ротора щодо електромагнітного поля, що призводить до наведення ще більшої ЕРС. Це збільшує споживаний струм і робоча потужність мотора збільшується до максимальної.
Принцип роботи електричного мотора
Важливо підбирати двигун підходящої потужності - занадто низька призведе до пошкодження короткозамкнутого ротора через перевищення розрахункового максимуму ЕРС, а надто висока призводить до необгрунтованих енерговитратами.
Асинхронні двигуни змінного струму розраховані на роботу від трифазної електричної мережі, однак можуть бути підключені і в однофазну мережу. Так, наприклад, вони використовуються в пральних машинах і верстатах для домашніх майстерень. Однофазний двигун має приблизно на 30% нижчу потужність, в порівнянні з трифазним - від 5 до 10 кВт.
З огляду на простоти виконання і надійності асинхронні двигуни змінного струму найбільш поширені не тільки у виробничому обладнанні, а й у побутовій техніці.
Універсальні колекторні двигуни
У багатьох побутових електроприладах необхідна наявність високої швидкості обертання двигуна і крутного моменту при малих пускових токах і плавною регулюванню. Всім цим вимоги задовольняють колекторні двигуни, звані універсальними. За своєю будовою вони дуже схожі на двигуни постійного струму з послідовним збудженням.
Головною відмінністю від ДПТ є магнітна система, що комплектуються декількома ізольованими одна від одної листами електротехнічної сталі, до полюсів яких приєднані по дві секції обмотки. Така конструкція знижує нагрівання елементів струмами Фуко і перемагнічування.
Висока синхронність магнітних полів в універсальних колекторних двигунах зберігає високу швидкість обертання навіть під великим навантаженням на вал. Тому їх використовують в малопотужному швидкохідному обладнанні і домашню техніку. При підключенні в ланцюг регульованого трансформатора з'являється можливість плавного настроювання частоти обертання.
Головний недолік таких електромоторів полягає в низькому моторесурс, обумовленому швидким стиранням графітових щіток.