На чем основано устройство электродвигателя

Инфофиз

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

Принцип действия электродвигателя.

Электродвигатель – это просто устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую.

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

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

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

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

Универсальные двигатели могут работать от источника любого типа.

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

Устройство и принцип работы простейшего электродвигателя.

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

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

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

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

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

Простейший электродвигатель

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

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

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

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

Промышленный электродвигатель

Электроизмерительные приборы.

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

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

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

Устройство прибора магнитоэлектрической системы

Измерительный прибор магнитоэлектрической системы устроен следующим образом.

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

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

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

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

Дополнительные материалы.

2. Презентация «Электроизмерительные приборы» скачать с Яндекса

Принцип работы электродвигателя

Unfortunately, you are using an outdated browser. Please update your browser to improve performance, quality of the displayed material, and improve security.

Электрический двигатель (коротко – электродвигатель) преобразует энергию тока в механическое движение. Принцип работы устройства основан на магнетизме, что определяет присутствие в конструкции магнитов (постоянных, электромагнитов, материалов с магнитными свойствами).

Виды электродвигателей

По принципу работы электрические двигатели делят на синхронные и асинхронные.

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

В быту и промышленности встречаются электрические двигатели различных видов, типов, классов, мощностей. Самыми востребованными остаются простые в конструкции устройства, которые решают задачу преобразования электроэнергии в механическое вращение вала. Но даже в этой группе есть масса нюансов, которые нужно знать, чтобы правильно эксплуатировать оборудование. Начинается такая практика (грамотного использования электродвигателей для любых целей) с понимания того, как оно функционирует (принципов работы).

Принцип работы синхронного электродвигателя на видео

Принцип работы асинхронного электродвигателя на видео

Конструкция электродвигателя

Центральный процесс функционирования электрического двигателя постоянного тока (коротко ДПТ) – нагнетание крутящего момента за счет напряжения, подаваемого на роторные катушки. Процесс становится возможным благодаря 4 конструктивным элементам:

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

Ротор

Ротор – подвижный элемент электрического двигателя, запускаемый магнитным полем, совершает вращательные движения вместе с валом. Имеет минимум 3 зуба, один из которых стабильно попадает в область подключения.

Коллектор электродвигателя

Ротор переключается автоматически. За эту функцию отвечает коллектор – конструкция из двух ламелей, закрепленных на роторном валу и двух щеток, выполняющих функцию токосъемных контактов (обеспечивают подачу постоянного тока на ламели). Принцип работы такой:

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

Статор электрического двигателя

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

Принцип работы электрического двигателя

Принцип работы электродвигателя построен на процессах взаимного притяжения и отталкивания одно- и разноименных полюсов магнитов на роторе (находится в движении) и статоре (его магнит неподвижен). В самой простой сборке электродвигателя постоянного тока в роли ротора выступает катушечный узел, а индуктором – сам магнит.

Магнитное поле обеспечивает высокую эффективность работы с одним уточнением, которое формирует сложности устройства механизма. Для обеспечения постоянного движения якоря нужно добиться автоматической смены его полюсов (чтобы притянувшись к противоположному полюсу неподвижного магнита, он сразу менял собственный полюс). Это единственный способ исключить «замирание» якоря и обеспечить его безостановочное движение под действием магнитного поля и инерции.

Магнитное поле электродвигателя

Принцип работы статорного электродвигателя (также называется индукционным) тоже основан на формировании магнитного поля статора. Оно образуется во время прохождения токов через его обмотки. Это поле (вращающееся магнитное) формирует магнитное поле ротора через индукцию токов в обмотках его проводников.

Оно же (статорное поле) создает собственный магнитный поток, при этом наблюдается пропорциональная связь:

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

Характеристики поля статора зависят от токов, проходящих через обмотки, и числа обмоток фаз. Магнитное поле ротора, в свою очередь, тоже формирует поток, движущийся медленнее потока статора. Оба потока (статора и якоря) взаимно притягиваются, принуждая ротор совершать вращательные движения.

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

Электрический двигатель постоянного тока (принцип работы синхронного электродвигателя)

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

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

Это один цикл. После поворота обмотка якоря снова подпадает под влияние статорного магнитного поля, и ротор снова совершает поворот.

Для непрерывной работы электродвигателя полюса постоянного роторного магнита должны сменять друг друга без остановки. Смена происходит, когда полюс пересекает «нейтраль» (ее еще называют магнитной нейтралью). Чтобы ее (смену полюсов) обеспечить, кольцо коллектора разделяют на сектора диэлектрическими ламелями, к которым поочередено присоединяются края роторных обмоток.

Токосъемные щетки, которые представляют собой графитовые стержни с высокой проводимостью и низким коэффициентом трения при скольжении, необходимы для присоединения коллектора к сети. В качестве магнитов могут применяться физически существующие материалы с высокими магнитными свойствами. Но часто из-за их массы в электродвигателях постоянного тока увеличенной мощности магниты заменяют несколькими металлическими штифтами/стержнями. При этом:

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

У синхронных электрических двигателей высокой мощности, обслуживаемых постоянным током, есть ряд конструктивных нюансов, ряд из которых проявляется в динамике (во время функционирования устройства). Среди них – смещение щеток роторного коллектора по отношению к валу на определенный угол против его вращения при изменении нагрузки на двигатель. Это необходимо, чтобы компенсировать эффект, называемый реакцией ротора/якоря и предупреждению торможения вала электродвигателя, которое снижает эффективность работы подключенного к нему оборудования.

Способы подключения синхронного электродвигателя

Преимущество синхронных электродвигателей, обеспечиваемое принципом их работы, – поступательное (плавное) регулирование скорости вращения, это обеспечило их высокую эффективность при работе с тягой – на грузоподъемниках и электромашинах. В современной практике применяют 3 схемы подключения электрических двигателей постоянного тока: с параллельным, последовательным и комбинированным возбуждением.

В первом случае вместе (параллельно) с обмоткой ротора запускается дополнительная регулируемая (обычно) обмотка-реостат. Такой вариант эффективен, когда для нормальной работы машины требуется плавная регулировка скоростей вращательного движения и максимальной стабильности количества оборотов в минуту. Примеры – электродвигатели кранов, промышленных станков и линий.

При последовательном подключении вспомогательная роторная обмотка в цепь процессов возбуждения ротора включается последовательно. Это обеспечивает возможность резкого увеличения усилия электрического двигателя в определенные моменты (на старте движения состава, например).

Устройство синхронного электродвигателя на видео

Принцип работы УКД (коллекторных электродвигателей универсального применения)

Принцип работы УКД:

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

При включении в цепь электродвигателя регулируемого трансформатора добавляется еще и возможность плавной регулировки его скорости вращения. А вот изменять вектор магнитного поля, если это коллекторный двигатель переменного тока, невозможно ни при каких обстоятельствах.

Коллекторный электродвигатель общего назначение имеет много плюсов. Он выдает высокий крутящий/вращающий момент, способен развивать высокую вращательную скорость, при этом весит и места занимает немного. Есть и минусы: графитовые щетки имеют низкую износостойкость (быстро стираются на больших скоростях вращения), снижая ресурс всей сборки.

Асинхронные электрические двигатели

Электродвигатель переменного тока (он же асинхронный) тоже использует магнитное поле для создания крутящего момента. Его изобретатель – российский физик-электротехник, Михаил Осипович Доливо-Добровольский. Первый образец асинхронного электрического двигателя появился в 1890-м (с него начались теория и практика применения 3-фазного переменного тока).

Конструкция и устройство электродвигателей переменного тока:

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

Течение токов и напряжения по 3-фазной сети имеет графический вид синусоиды (плавное изменение параметров работы). Мощность в обмотке плавно увеличивается по мере перехода от конца синусоиды к ее пику и снова снижается, «спускаясь» из вершины к другому концу, достигая на обоих концах своего минимума, а на вершине – максимума.

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

За счет того, что в электрических двигателях переменного тока используется короткозамкнутая система, при взаимодействии магнитного поля статора и обмотки ротора, в последнем образуется очень большой ток. Он и формирует собственное поле якоря. Контактируя по законам взаимного притяжения/отталкивания полюсов с магнитным потоком индуктора, поле ротора приводит в движение вал электродвигателя в направлении, аналогичном направлению этого поля.

Устройство электродвигателя переменного тока на видео

Почему асинхронный?

Скорость магнитных полей ротора и статора аналогична, но первый на 8–100 отстает от второго по фазе, что и обеспечивает асинхронную работу основных элементов (отсюда и название). Особенность таких электрических двигателей – создание очень больших пусковых токов. Это характерно для классических короткозамкнутых устройств (тех самых, при запуске которых мигает свет). Для снижения риска перегрузок при их эксплуатации применяется ряд мер:

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

В результате при старте работы такого электродвигателя происходит соединение с питанием и поступательное снижение активного сопротивления в цепи ротора до нуля. Нет миганий, перегрузок электросети – двигатель переменного тока запускается плавно.

Преимущества электродвигателей переменного тока

Электродвигатели асинхронного типа сделали возможной эксплуатацию 3-фазной сети, которая, по сути, сформирована тремя отдельными цепями с синусоидальными движущими силами (ЭДС) в каждой из них. ЭДС в фазах имеют одинаковую частоту, создаются одним источником (обычно это 3-фазный генератор), но сдвинуты по отношению друг к другу на 120 градусов.

3-фазная сеть – это уравновешенная система с константной мгновенной суммарной мощностью, а электродвигатель переменного тока, который от нее питается, имеет неоспоримые преимущества. Среди них:

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

Однофазные электродвигатели

Наряду с 3-фазным, в практике широко применяются и 1-фазные асинхронные электродвигатели. Они представляют собой электрооборудование, питаемое от бытовой сети с напряжением 220 В (частота – 50 Гц). Как и 3-фазный аналог, он работает на преобразование получаемой электроэнергии в механическое действие – вращение.

Устройство и принцип работы 1-фазного двигателя проще:

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

1-фазные электродвигатели переменного тока устанавливаются на приборах бытового применения (от центрифуг стиральных машин до холодильников) и маломощных станках для обрабатывающих предприятий.

Сравнение одно- и трехфазных электрических двигателей

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

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

Главный плюс коллекторного электродвигателя общего назначения (который может питаться от постоянного тока и переменного) – экономичность. Максимальный крутящий момент и потребление тока такими устройствами ограничены благодаря индуктивному сопротивлению на малых оборотах.

Двигатели с увеличенным скольжением

В отдельную группу электродвигателей стоит выделить трехфазные устройства с повышенным сопротивлением роторной обмотки, которая обеспечивает критическое скольжение. Оно составляет в механизмах с увеличенным скольжением 40%. Сами они применяются в машинах с высокой инерционностью, работающих в режиме частых кратковременных запусков.

Каталог электродвигателей по цене производителя

В каталоге ООО ПТЦ «Привод» широко представлены электродвигатели для работы в одно- и трехфазной сети. Каждая модель устройства имеет подробное описание (технические характеристики, расшифровка наименования, габариты, данные о производителе и т. д.). В нашем ассортименте легко выбрать и можно выгодно купить электрические двигатели для решения самого широкого спектра задач.

Электродвигатели

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

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

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

Конструкция электродвигателя

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

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

Принцип работы электродвигателя

Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:

Классификация электродвигателей

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

(многофазный)

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

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

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



Универсальный электродвигатель



Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Бесколлекторные электродвигатели

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

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

Асинхронный электродвигатель

Cинхронный электродвигатель

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

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

,

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

,

• где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• n_ном — номинальная частота вращения, мин -1 [4]

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

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

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

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

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

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

,

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

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

,

• где s – расстояние, м

Для вращательного движения

,

• где – угол, рад,

,

• где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя



Коэффициент полезного действия электродвигателя

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

,

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

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

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



Частота вращения



• где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

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

,

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

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

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

• где – угловое ускорение, с -2 [2]

,

Номинальное напряжение

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

Электрическая постоянная времени

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

,

• где – постоянная времени, с

Механическая характеристика

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

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

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

Принцип работы электродвигателя

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

Принцип работы электродвигателя постоянного тока

Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться. В результате рамка повернется в горизонтальное положение, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент. На рисунке выше это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.

В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.

Простыми словами о сложном

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



Рис. 1 Основа работы электрического двигателя

Направление силы ампера определяется правилом левой руки.



Рис. 2 Правило левой руки

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

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



Рис. 3 Рамка

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

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

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

Принцип работы электродвигателя постоянного тока

Способ 1. Смена направления тока в рамке.

Этот способ используется в двигателях постоянного тока и его потомках.

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



Рис. 4.1 Случайно расположенная рамка

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



Рис. 4.2

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



Рис. 4.3

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

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



Рис. 4.4

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



Рис. 4.5

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



Рис. 4.6

И рамка опять продолжает ускоряться куда нам надо.

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

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



Рис. 5

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

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

Принцип работы электродвигателя переменного тока

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

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



Рис. 6 Статор электродвигателя

А есть значит 3 фазы переменного тока.



Рис. 7

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

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



Рис. 8

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



Рис. 9 Вращающееся магнитное поле

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

Но здесь есть тоже различия, два разных способа.

Способ 2а. Рамка запитывается (синхронный двигатель).

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



Рис. 10 (Рис.1)

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

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

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

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

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

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

Похожие публикации:
1. Гарантия на порше кайен сколько лет
2. Как выбрать свечи зажигания для автомобиля
3. Сколько человек работает на белазе
4. Что за система в коробке передач смарт