Принцип действия и устройство электродвигателя

Любой электрический двигатель предназначен для совершения механической работы за счет расхода приложенной к нему электроэнергии, которая преобразуется, как правило, во вращательное движение. Хотя в технике встречаются модели, которые сразу создают поступательное движение рабочего органа. Их называют линейными двигателями.

В промышленных установках электромоторы приводят в действие различные станки и механические устройства, участвующие в технологическом производственном процессе.

Внутри бытовых приборов электродвигатели работают в стиральных машинах, пылесосах, компьютерах, фенах, детских игрушках, часах и многих других устройствах.

Основные физические процессы и принцип действия

На движущиеся внутри магнитного поля электрические заряды, которые называют электрическим током, всегда действует механическая сила, стремящаяся отклонить их направление в плоскости, расположенной перпендикулярно ориентации магнитных силовых линий. Когда электрический ток проходит по металлическому проводнику или выполненной из него катушке, то эта сила стремится подвинуть/повернуть каждый проводник с током и всю обмотку в целом.

На картинке ниже показана металлическая рамка, по которой течет ток. Приложенное к ней магнитное поле создает для каждой ветви рамки силу F, создающую вращательное движение.

Это свойство взаимодействия электрической и магнитной энергии на основе создания электродвижущей силы в замкнутом токопроводящем контуре положено в работу любого электродвигателя. В его конструкцию входят:

обмотка, по которой протекает электрический ток. Ее располагают на специальном сердечнике-якоре и закрепляют в подшипниках вращения для уменьшения противодействия сил трения. Эту конструкцию называют ротором;

статор, создающий магнитное поле, которое своими силовыми линиями пронизывает проходящие по виткам обмотки ротора электрические заряды;

корпус для размещения статора. Внутри корпуса сделаны специальные посадочные гнезда, внутри которых вмонтированы внешние обоймы подшипников ротора.

Упрощенно конструкцию наиболее простого электродвигателя можно представить картинкой следующего вида.

При вращении ротора создается крутящий момент, мощность которого зависит от общей конструкции устройства, величины приложенной электрической энергии, ее потерь при преобразованиях.

Величина максимально возможной мощности крутящего момента двигателя всегда меньше приложенной к нему электрической энергии. Она характеризуется величиной коэффициента полезного действия.

По виду протекающего по обмоткам тока их подразделяют на двигатели постоянного или переменного тока. Каждая из этих двух групп имеет большое количество модификаций, использующих различные технологические процессы.

Электродвигатели постоянного тока

У них магнитное поле статора создается стационарно закрепленными постоянными магнитами либо специальными электромагнитами с обмотками возбуждения. Обмотка якоря жестко вмонтирована в вал, который закреплен в подшипниках и может свободно вращаться вокруг собственной оси.

Принципиальное устройство такого двигателя показано на рисунке.

На сердечнике якоря из ферромагнитных материалов расположена обмотка, состоящая из двух последовательно соединенных частей, которые одним концом подключены к токопроводящим коллекторным пластинам, а другим скоммутированы между собой. Две щетки из графита расположены на диаметрально противоположных концах якоря и прижимаются к контактным площадкам коллекторных пластин.

На нижнюю щетку рисунка подводится положительный потенциал постоянного источника тока, а на верхнюю — отрицательный. Направление протекающего по обмотке тока показано пунктирной красной стрелкой.

Ток вызывает в нижней левой части якоря магнитное поле северного полюса, а в правой верхней — южного (правило буравчика). Это приводит к отталкиванию полюсов ротора от одноименных стационарных и притяжению к разноименным полюсам на статоре. В результате приложенной силы возникает вращательное движение, направление которого указывает коричневая стрелка.

При дальнейшем вращении якоря по инерции полюса переходят на другие коллекторные пластины. Направление тока в них изменяется на противоположное. Ротор продолжает дальнейшее вращение.

Простая конструкция подобного коллекторного устройства приводит к большим потерям электрической энергии. Подобные двигатели работают в приборах простой конструкции или игрушках для детей.

Электродвигатели постоянного тока, участвующие в производственном процессе, имеют более сложную конструкцию:

обмотка секционирована не на две, а на большее количество частей;

каждая секция обмотки смонтирована на своем полюсе;

коллекторное устройство выполнено определенным количеством контактных площадок по числу секций обмоток.

В результате этого создается плавное подключение каждого полюса через свои контактные пластины к щеткам и источнику тока, снижаются потери электроэнергии.

Устройство подобного якоря показано на картинке.

У электрических двигателей постоянного тока можно реверсировать направление вращения ротора. Для этого достаточно изменить движение тока в обмотке на противоположное сменой полярности на источнике.

Электродвигатели переменного тока

Они отличаются от предыдущих конструкций тем, что электрический ток, протекающий в их обмотке, описывается по синусоидальному гармоническому закону, периодически изменяющему свое направление (знак). Для их питания напряжение подается от генераторов со знакопеременной величиной.

Статор таких двигателей выполняется магнитопроводом. Его делают из ферромагнитных пластин с пазами, в которые помещают витки обмотки с конфигурацией рамки (катушки).

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

В пазах статорного магнитопровода по диаметрально противоположным концам размещены проводники обмотки, схематично показанные в виде рамки, по которой протекает переменный ток.

Рассмотрим случай для момента времени, соответствующего прохождению положительной части его полуволны.

В обоймах подшипника свободно вращается ротор с вмонтированным постоянным магнитом, у которого ярко выражены северный «N рот» и южный «S рот» полюса. При протекании положительной полуволны тока по обмотке статора в ней создается магнитное поле с полюсами «S ст» и «N ст».

Между магнитными полями ротора и статора возникают силы взаимодействия (одноименные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются), которые стремятся повернуть якорь электродвигателя из произвольного положения в окончательное, когда осуществляется максимально близкое расположение противоположных полюсов относительно друг друга.

Если рассматривать этот же случай, но для момента времени, когда по рамочному проводнику протекает обратная — отрицательная полуволна тока, то вращение якоря будет происходить в противоположную сторону.

Для придания непрерывного движения ротору в статоре делают не одну обмотку-рамку, а определенное их количество с таким учетом, чтобы каждая их них питалась от отдельного источника тока.

Принцип работы трехфазного двигателя переменного тока с синхронным вращением электромагнитных полей ротора и статора показан на следующей картинке.

В этой конструкции внутри магнитопровода статора смонтированы три обмотки А, В и С, смещенные на углы 120 градусов между собой. Обмотка А выделена желтым цветом, В — зеленым, а С — красным. Каждая обмотка выполнена такими же рамками, как и в предыдущем случае.

На картинке для каждого случая ток проходит только по одной обмотке в прямом или обратном направлении, которое показано значками «+» и «-».

При прохождении положительной полуволны по фазе А в прямом направлении ось поля ротора занимает горизонтальное положение потому, что магнитные полюса статора формируются в этой плоскости и притягивают подвижный якорь. Разноименные полюса ротора стремятся приблизиться к полюсам статора.

Когда положительная полуволна пойдет по фазе С, то якорь повернется на 60 градусов по ходу часовой стрелки. После подачи тока в фазу В произойдет аналогичный поворот якоря. Каждое очередное протекание тока в очередной фазе следующей обмотки будет вращать ротор.

Если к каждой обмотке подвести сдвинутое по углу 120 градусов напряжение трехфазной сети, то в них будут циркулировать переменные токи, которые раскрутят якорь и создадут его синхронное вращение с подведенным электромагнитным полем.

Эта же механическая конструкция успешно применяется в трехфазном шаговом двигателе . Только в каждую обмотку с помощью управления специальным контроллером (драйвером шагового двигателя) подаются и снимаются импульсы постоянного тока по описанному выше алгоритму.

Их запуск начинает вращательное движение, а прекращение в определенный момент времени обеспечивает дозированный поворот вала и остановку на запрограммированный угол для выполнения определенных технологических операций.

В обеих описанных трехфазных системах возможно изменение направления вращения якоря. Для этого надо просто поменять чередование фаз «А»-«В»-«С» на другое, например, «А»-«С»-«В».

Скорость вращения ротора регулируется продолжительностью периода Т. Его сокращение приводит к ускорению вращения. Величина амплитуды тока в фазе зависит от внутреннего сопротивления обмотки и значения приложенного к ней напряжения. Она определяет величину крутящего момента и мощности электрического двигателя.

Эти конструкции двигателей имеют такой же статорный магнитопровод с обмотками, как и в ранее рассмотренных однофазных и трехфазных моделях. Они получили свое название из-за несинхронного вращения электромагнитных полей якоря и статора. Сделано это за счет усовершенствования конфигурации ротора.

Его сердечник набран из пластин электротехнических марок стали с пазами. В них вмонтированы алюминиевые либо медные тоководы, которые по концам якоря замкнуты токопроводящими кольцами.

Когда к обмоткам статора подводится напряжение, то в обмотке ротора электродвижущей силой наводится электрический ток и создается магнитное поле якоря. При взаимодействии этих электромагнитных полей начинается вращение вала двигателя.

У этой конструкции движение ротора возможно только после того, как возникло вращающееся электромагнитное поле в статоре и оно продолжается в несинхронном режиме работы с ним.

Асинхронные двигатели проще в конструктивном исполнении. Поэтому они дешевле и массово применяются в промышленных установках и бытовой домашней технике.

Взрывозащищенный электродвигатель ABB

Многие рабочие органы промышленных механизмов выполняют возвратно-поступательное или поступательное движение в одной плоскости, необходимое для работы металлообрабатывающих станков, транспортных средств, ударов молота при забивании свай …

Перемещение такого рабочего органа с помощью редукторов, шариковинтовых, ременных передач и подобных механических устройств от вращательного электродвигателя усложняет конструкцию. Современное техническое решение этой проблемы — работа линейного электрического двигателя.

У него статор и ротор вытянуты в виде полос, а не свернуты кольцами, как у вращательных электродвигателей.

Принцип работы заключается в придании возвратно-поступательного линейного перемещения бегуну-ротору за счет передачи электромагнитной энергии от неподвижного статора с незамкнутым магнитопроводом определенной длины. Внутри него поочередным включением тока создается бегущее магнитное поле.

Оно воздействует на обмотку якоря с коллектором. Возникающие в таком двигателе силы перемещают ротор только в линейном направлении по направляющим элементам.

Линейные двигатели конструируются для работы на постоянном или переменном токе, могут работать в синхронном либо асинхронном режиме.

Электрический двигатель — принцип работы электродвигателя

Электрические двигатели предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. Первые их прототипы были созданы в 19 веке, а сегодня эти устройства максимально интегрированы в жизнь современного человечества. Примеры их использования можно встретить в любой сфере жизнедеятельности: от общественного транспорта до домашней кофемолки.

Принцип преобразования энергии

Принцип работы электродвигателя любого типа заключается в использовании электромагнитной индукции, возникающей внутри устройства после подключения в сеть. Для того чтобы понять, как эта индукция создается и приводит элементы двигателя в движение, следует обратиться к школьному курсу физики, объясняющему поведение проводников в электромагнитном поле.

Итак, если мы погрузим проводник в виде обмотки, по которому движутся электрические заряды, в магнитное поле, он начнет вращаться вокруг своей оси. Это связано с тем, что заряды находятся под влиянием механической силы, изменяющей их положение на перпендикулярной магнитным силовым линиям плоскости. Можно сказать, что эта же сила действует на весь проводник.

Схема, представленная ниже, показывает токопроводящую рамку, находящуюся под напряжением, и два магнитных полюса, придающие ей вращательное движение.

Именно эта закономерность взаимодействия магнитного поля и токопроводящего контура с созданием электродвижущей силы лежит в основе функционирования электродвигателей всех типов. Для создания аналогичных условий в конструкцию устройства включают:

• Ротор (обмотка) – подвижная часть машины, закрепленная на сердечнике и подшипниках вращения. Она исполняет роль токопроводящего вращательного контура.
• Статор – неподвижный элемент, создающий магнитное поле, воздействующее на электрические заряды ротора.
• Корпус статора. Оснащен посадочными гнездами с обоймами для подшипников ротора. Ротор размещается внутри статора.

Для представления конструкции электродвигателя можно создать принципиальную схему на основе предыдущей иллюстрации:

После включения данного устройства в сеть, по обмоткам ротора начинает идти ток, который под воздействием магнитного поля, возникающего на статоре, придает ротору вращение, передаваемое на крутящийся вал. Скорость вращения, мощность и другие рабочие показатели зависят от конструкции конкретного двигателя и параметров электрической сети.

Классификация электрических двигателей

Все электродвигатели между собой классифицируют в первую очередь по типу тока, протекающему через них. В свою очередь, каждая из этих групп тоже делить на несколько видов, в зависимости от технологических особенностей.
Двигатели постоянного тока

На маломощных двигателях постоянного тока магнитное поле создается постоянным магнитом, устанавливаемым в корпусе устройства, а обмотка якоря закрепляется на вращающемся валу. Принципиальная схема ДПТ выглядит следующим образом:

Обмотка, расположенная на сердечнике, изготавливается из ферромагнитных материалов и состоит из двух частей, последовательно соединенных между собой. Своими концами они подсоединяются к коллекторным пластинам, к которым прижимаются графитовые щетки. На одну из них подается положительный потенциал от источника постоянного тока, а на другую – отрицательный.

После подачи питания на двигатель происходит следующее:

1. Ток от нижней «плюсовой» щетки подается на ту коллекторную пластину, к контактной платформе которой она подключена.
2. Прохождение тока по обмотке на коллекторную пластину (обозначено пунктирной красной стрелкой), подключенную к верхней «отрицательной» щетке создает электромагнитное поле.
3. Согласно правилу буравчика, в правой верхней части якоря возникает магнитное поле южного, а в левой нижней — северного магнитного полюса.
4. Магнитные поля с одинаковым потенциалом отталкиваются друг от друга и приводят ротор во вращательное движение, обозначенное на схеме красной стрелкой.
5. Устройство коллекторных пластин приводит к смене направления протекания тока по обмотке во время инерционного вращения, и рабочий цикл повторяется вновь.

При очевидной простоте конструкции существенным недостатком таких двигателей является низкий КПД, обусловленный большими потерями энергии. Сегодня ДПТ с постоянными магнитами используются в простых бытовых приборах и детских игрушках.

Устройство двигателей постоянного тока большой мощности, используемых в производственных целях, не предусматривает использование постоянных магнитов (они занимали бы слишком много места). В этих машинах используется следующая конструкция:

• обмотка состоит из большего количества секций, представляющих собой металлический стержень;
• каждая обмотка отдельно подключается к положительному и отрицательному полюсу;
• количество контактных площадок на коллекторном устройстве соответствует количеству обмоток.

Таким образом, снижение потерь электроэнергии обеспечивается плавным подключением каждой обмотки к щеткам и источнику питания. На следующей картинке представлена конструкция якоря такого двигателя:

Устройство электрических двигателей постоянного тока позволяет легко обратить направление вращения ротора с помощью простой смены полярности на источнике питания.

Функциональные особенности электродвигателей определяются наличием некоторых «хитростей», к которым относится сдвиг токосъемных щеток и несколько схем подключения.

Сдвиг узла токосъемных щеток относительно вращения вала происходит после запуска двигателя и изменения подаваемой нагрузки. Это позволяет компенсировать «реакцию якоря» — эффект, снижающий эффективность машины за счет торможения вала.

Есть три способа подключения ДПТ:

1. Схема с параллельным возбуждением предусматривает параллельное подключение независимой обмотки, как правило, регулируемой реостатом. Так обеспечивается максимальная стабильность скорости вращения и её плавная регулировка. Именно благодаря этому двигатели с параллельным возбуждением находят широкое применение в грузоподъемном оборудовании, на электрическом транспорте и станках.
2. Схема с последовательным возбуждением тоже предусматривает использование дополнительной обмотки, но подключается она последовательно с основной. Это позволяет при необходимости резко увеличить крутящий момент двигателя, к примеру, на старте движения железнодорожного состава.
3. Смешанная схема использует преимущества обоих способов подключения, описанных выше.

Двигатели переменного тока

Главным отличием этих двигателей от описанных ранее моделей заключается в токе, протекающем по их обмотке. Он описывает по синусоидальному закону и постоянно меняет свое направление. Соответственно и питание этих двигателей осуществляется от генераторов со знакопеременной величиной.

Одним из главных конструктивных отличий является устройство статора, представляющего собой магнитопровод со специальными пазами для расположения витков обмотки.

Двигатели переменного тока классифицируют по принципу работы на синхронные и асинхронные. Коротко говоря, это означает, что в первых частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля в статоре, а во вторых – нет.

Настоятельно рекомендуем прочитать нашу статью об устройстве электродвигателей переменного тока.

Синхронные двигатели

В основе работы синхронных электродвигателей переменного тока тоже лежит принцип взаимодействия полей, возникающих внутри устройства, однако в их конструкции постоянные магниты закрепляются на роторе, а по статору проводится обмотка. Принцип их действия демонстрирует следующая схема:

Проводники обмотки, по которой проходит ток, показанные на рисунке в виде рамки. Вращение ротора происходит следующим образом:

1. На определенный момент времени ротор с закрепленным на нем постоянным магнитом находится в свободном вращении.
2. На обмотке в момент прохождения через нее положительной полуволны формируется магнитное поле с диаметрально противоположными полюсами Sст и Nст. Оно показано на левой части приведенной схемы.
3. Одноименные полюса постоянного магнита и магнитного поля статора отталкиваются друг от друга и приводят двигатель в положение, показанное на правой части схемы.

В реальных условиях для создания постоянного плавного вращения двигателя используется не одна катушка обмотки, а несколько. Они поочередно пропускают через себя ток, благодаря чему создается вращающееся магнитное поле.

Асинхронные двигатели

А асинхронном двигателе переменного тока вращающееся магнитное поле создается тремя (для сети 380 В) обмотками статора. Их подключение к источнику питания осуществляется через клеммную коробку, а охлаждение — вмонтированным в двигатель вентилятором.

Ротор, собранный из нескольких замкнутых между собой металлических стержней, жестко соединен с валом, составляя с ним одно целое. Именно из-за соединения стержней межу собой этот тип ротора называется короткозамкнутым. Благодаря отсутствию токопроводящих щеток в данной конструкции значительно упрощается техническое обслуживание двигателя, увеличивается срок службы и надежность. Главной причиной выхода из строя двигателей этого типа является износ подшипников вала.

Принцип работы асинхронного двигателя основывается на законе электромагнитной индукции – если частота вращения электромагнитного поля обмоток статора превышает частоту вращения ротора, в нем наводится электродвижущая сила. Это важно, поскольку при одинаковой частоте ЭДС не возникает и, соответственно, не возникает вращения. В действительности нагрузка на вал и сопротивление от трения подшипников всегда замедляет ротор и создает достаточные для работы условия.

Главным недостатком двигателей данного типа является невозможность получения постоянной частоты вращения вала. Дело в том, что рабочие характеристики устройства изменяются в зависимости от различных факторов. К примеру, без нагрузки на вал циркулярная пила вращается с максимальной скоростью. Когда мы подводим к пильному полотну доску и начинаем её резать, частота вращения диска заметно снижается. Соответственно, снижается и скорость вращения ротора относительно электромагнитного поля, что приводит к наведению еще большей ЭДС. Это увеличивает потребляемый ток и рабочая мощность мотора увеличивается до максимальной.

Важно подбирать двигатель подходящей мощности – слишком низкая приведет к повреждению короткозамкнутого ротора из-за превышения расчетного максимума ЭДС, а слишком высокая приводит к необоснованным энергозатратам.

Асинхронные двигатели переменного тока рассчитаны на работу от трехфазной электрической сети, однако могут быть подключены и в однофазную сеть. Так, например, они используются в стиральных машинах и станках для домашних мастерских. Однофазный двигатель имеет примерно на 30% более низкую мощность, по сравнению с трехфазным – от 5 до 10 кВт.

Ввиду простоты исполнения и надежности асинхронные двигатели переменного тока наиболее распространены не только в производственном оборудовании, но и в бытовой технике.

Универсальные коллекторные двигатели

Во многих бытовых электроприборах необходимо наличие высокой скорости вращения двигателя и крутящего момента при малых пусковых токах и плавной регулировке. Всем этим требования удовлетворяют коллекторные двигатели, называемые универсальными. По своему устройству они очень похожи на двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением.

Главным отличием от ДПТ является магнитная система, комплектуемая несколькими изолированными друг от друга листами электротехнической стали, к полюсам которых подсоединены по две секции обмотки. Такая конструкция снижает нагрев элементов токами Фуко и перемагничивание.

Высокая синхронность магнитных полей в универсальных коллекторных двигателях сохраняет высокую скорость вращения даже под большой нагрузкой на вал. Поэтому их используют в маломощном быстроходном оборудовании и домашней технике. При подключении в цепь регулируемого трансформатора появляется возможность плавной настройки частоты вращения.

Главный недостаток таких электромоторов заключается в низком моторесурсе, обусловленном быстрым стиранием графитовых щеток.