Электродвигатель - это устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в механическую.

Принцип действия

В основе работы электродвигателей лежит принцип электромагнитной индукции . Электродвигатель включает в себя статор (неподвижную часть) и ротор (якорь, если мы имеем дело с машиной постоянного тока)(подвижную часть). При помощи электрического тока (либо постоянных магнитов) в электродвигателе возникают неподвижные и/или вращающиеся магнитные поля.

Статор - это неподвижная, обычно внешняя часть электродвигателя. Функции статора зависят от типа электродвигателя: он способен как генерировать неподвижное магнитное поле и состоять из постоянных магнитов и/или электромагнитов, так и создавать вращающееся магнитное поле и состоять из обмоток, питаемых переменным током.

Ротор - это подвижная, обычно расположенная внутри статора, часть электродвигателя.

• постоянные магниты;
• обмотки на сердечнике , через которые протекают электрические токи (подключаемые через щёточно-коллекторный узел);
• короткозамкнутую обмотку («беличье колесо»/«беличья клетка»), токи в которой возникают под действием вращающегося магнитного поля статора).

Благодаря взаимодействию магнитных полей ротора и статора в электродвигателе возникает вращающий момент, который приводит в движение ротор двигателя. Так происходит преобразование электрической энергии, подаваемой на обмотки двигателя, в механическую энергию вращения. Данная энергия используется с целью привода механизмов в движение.

Подробнее об электродвигателях

Отличительной чертой электродвигателей является свойство обратимости: любой электрический генератор способен выполнять задачи двигателя и наоборот, а в любом трансформаторе и электромашинном преобразователе электрической энергии направление преобразования энергии можно изменить на обратное. Несмотря на это каждая вращающая машина, как правило, создана только для одного режима работы (например, в качестве двигателя или генератора). Таким же образом одна из обмоток трансформатора играет роль приемника электрической энергии (первичная обмотка), а вторая отвечает за отдачу энергии(вторичная обмотка). Это дает возможность наилучшим образом адаптировать электродвигатель для заданных условий работы и максимально выгодно использовать материалы, т.е. добиться наибольшей мощности на единицу веса электродвигателя.

Процесс преобразования энергии в электродвигателях неразрывно связан с ее потерями, порожденными перемагничиванием ферромагнитных сердечников, прохождением тока через проводники, трением в подшипниках и о воздух и т. д. В связи с этим мощность, потребляемая электродвигателем, всегда выше отдаваемой мощности, а КПД - меньше 100%. Несмотря на это электродвигатели в сравнении с тепловыми и другими видами машин, считаются вполне совершенными преобразователями энергии с достаточно высокими КПД. Например, в самых мощных электродвигателях КПД достигает 98-99,5%, а в электродвигателях мощностью 10 вт. КПД принимает значения 20-40%. Такие высокие показатели КПД при столь низких мощностях недостижимы в других видах машин.

Электродвигатели получили широкое распространение благодаря целому ряду своих достоинств, таких как: высокие энергетические показатели, удобство подачи и отдачи энергии, возможность выполнения электродвигателей самых разных мощностей, скоростей вращения и, в довершение всему, удобство обслуживания и легкость в обращении.

Энергия, теряемая в электродвигателях, приводит к нагреванию отдельных их частей. Для того чтобы электродвигатель прослужил как можно дольше, нагревание должно быть ограничено. Наиболее подвержены нагреванию электроизоляционные материалы, и в зависимости от их качества - задаются допустимые уровни нагревания электродвигателей. Также необходимо позаботиться о создании хороших условий отвода тепла и охлаждения электродвигателей.

С повышением нагрузки электрической машины увеличиваются потери энергии, растет уровень нагревания машины. В связи с этим максимальная мощность нагрузки машины определяется в зависимости от допустимой величины ее нагревания, а также от механической прочности отдельных ее частей, условий токосъема на скользящих контактах и т.д. Напряженность режима работы электродвигателей переменного тока по отношению к электромагнитным нагрузкам (величине магнитной индукции, плотности тока и т.д.), потерям энергии и нагреванию определяется не активной, а полной мощ­ностью, т.к. величина магнитного потока в машине зависит от полного напряжения, а не от его активной части. Полезная мощность, предусмотренная для электрической машины, носит название номинальной. Остальные величины, которые также характеризуют работу электродвигателя при данной мощности - также называются номинальными. Среди них номинальные ток, напряжение, скорость вращения, КПД и др. величины(для машины переменного тока - номинальные частота и коэффициент мощности).

Основные номинальные величины прописываются в паспортной таблице , прикрепленной к машине. Считается, что номинальной мощностью у двигателя служит полезная мощность на его валу, а у генератора - электрическая мощность, отдаваемая с его выходных зажимов. Тем временем для генераторов переменного тока дается или полная, или активная номинальная мощность. Все технико-экономические данные и требования для электрических машин устанавливаются в России государственными стандартами (ГОСТ) на электродвигатели.

Номинальные напряжения электродвигателей сопоставлены в ГОСТ стандартным номинальным напряжениям электрических сетей. В то же время номинальные напряжения электрических двигателей и первичных обмоток трансформаторов считаются равными стандартным напряжениям электрических сетей, а напряжения генераторов и вторичных обмоток трансформаторов — на 5-10% больше для компенсации падения напряжения в сетях. Наиболее широко употребляемые номинальные напряжения электродвигателей: для двигателей постоянного тока ПО, 220 и 440 в, для генераторов постоянного тока 115, 230 и 460 в, для двигателей переменного тока и первичных обмоток трансформаторов 220, 380, 660 б и 3, 6, 10 кв, для генераторов и вторичных обмоток трансформаторов 230, 400, 690 в и 3,15; 6,3; 10,5; 21 кв (для вторичных обмоток трансформаторов также 3,3; 6,6; 11 и 22 кв). Из более высоких напряжений для первичных обмоток трансформаторов стандартными являются 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кв и для вторичных обмоток 38,5; 121; 165; 242; 347; 525 и 787 кв.

В России, как и в большинстве других стран мира промышленная частота тока равна 50 гц, поэтому большинство машин переменного тока также создается на 50 гц. В США и др. странах Америки промышленная частота тока равна 60 гц. Для различных специальных назначений (электротермические установки, устройства автоматики и др.) используют также электродвигатели с др. показателями частоты тока.

По мощности электродвигатели делятся на следующие группы:

• до 0,5 квт - электродвигатели весьма малой мощности, или микроэлектродвигатели;
• 0,5 - 20 квт - электродвигатели малой мощности;
• 20 - 250 квт - электродвигатели средней мощности;
• более 250 квт — электродвигатели большой мощности.

Эти границы между группами в некоторой мере условны.

Является устройством для преобразования электрической энергии в механическую и приведения в движение машин и механизмов. Электродвигатель – главный и обязательный (но не единственный) элемент электропривода.

Первые электродвигатели были изобретены еще в первой ХІХ ст., а с конца того же столетия стали получать все большее распространение. Современные промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство, быт уже невозможно представить без электрических двигателей.

Преобладающее большинство электрических двигателей являются двигателями вращательного движения (рис. 1). Они состоят из неподвижной части (статора) и подвижной (ротора). Ротор начинает вращаться после подачи питания к обмоткам двигателя. Однако для ряда механизмов, выполняющих поступательное или возвратно-поступательное движение (суппорты и столы металлорежущих станков, некоторые транспортные средства), с целью упрощения конструкции механической части электропривода иногда используют линейные двигатели. Подвижная часть таких двигателей (вторичный элемент или бегун) осуществляет линейное перемещение (рис. 2).

В зависимости от рода электрического тока, применяемого для питания электродвигателей, различают двигатели постоянного и переменного тока.

Рис. 1 Электродвигатели вращательного движения
Рис. 2 Линейный электродвигатель: 1 – статор, 2 – подвод питания, 3 – бегун

Принцип действия любого электродвигателя основывается на взаимодействии магнитных полей. Если приблизить один магнит к другому, то разноименные их полюса будут притягиваться друг к другу, а одноименные – отталкиваться. В двигателе роль по крайней мере одного из магнитов играет катушка с током (то есть электромагнит). Известно, протекание по проводнику электрического тока вызывает появления магнитного поля вокруг проводника (рис. 3). Это поле имеет коаксиальный характер, а направление его магнитных силовых линий можно определить с помощью «правила буравчика». В соответствии с этим правилом, если буравчик закручивать в проводник таким образом, чтобы направление поступательного движения буравчика совпадало с направлением тока в проводнике, то направление вращения буравчика покажет направление магнитных силовых линий поля (стрелки на рис. 3).

Рис. 3 Возникновение магнитного поля проводника с током

На рис. 4 показан поперечный разрез проводника. Внутри разреза условно показано направление тока: крест («хвост» стрелки тока) – ток от зрителя (рис. 4а), точка («острие» стрелки тока) – ток на зрителя (рис. 4б). Из рис. 4в, г видно, что магнитное поле замкнутой рамки (кольца) с током подобно магнитному полю постоянного магнита (силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный). Таким образом, рамка с током представляет собой элементарный электромагнит.

Рис. 4 Магнитные силовые линии проводников с током: а – ток от зрителя, б – ток на зрителя, в – рамка с током, г – силовые линии рамки (кольца) с током

Электрические двигатели переменного тока

К двигателям переменного тока относятся синхронные, шаговые (разновидность синхронных) и асинхронные двигатели. Их объединяет то, что по их обмоткам обмотками протекают знакопеременные токи, а питаются они от источников знакопеременного напряжения.

Статор электродвигателей переменного тока представляет из себя сердечник (магнитопровод) из листов специальной электротехнической стали, в котором сделаны отверстия (пазы) для размещения обмотки (фрагмент магнитопровода статора показан на рис. 5). Обмотка состоит из отдельных секций (катушек, рамок). Внутри статора на подшипниках помещен ротор, способный свободно вращаться вокруг своей оси.

Рис. 5 Магнитопровод статора двигателя переменного тока

На рис. 6 схематично показан поперечный разрез статора и ротора. На противоположных сторонах статора в двух пазах размещены проводники элементарной катушки обмотки. Эта катушка выглядит так, как на рис. 4в и к ней можно подати напряжение от постороннего источника с той или другой полярностью (как на рис. 4в). На роторе располагается постоянный магнит (полюса Nr и Sr). Если к обмотке статора подать постоянный ток такого направления, как показано на рис. 6а, возникает магнитное поле статора с полюсами Ns и Ss. Ротор поворачивается по часовой стрелке, чтобы совместить противоположные полюса полей ротора и статора (окончательное положение ротора показано штриховой линией). Если полярность тока статора противоположна (рис. 6б), полюса статора поменяются местами, а ротор будет поворачиваться в противоположном направлении.

Рис. 6 Взаимодействие магнитных полей статора и ротора

Чтобы обеспечить непрерывное вращение ротора, на статоре размещают несколько отдельных обмоток, питаемых от отдельных источников. На рис. 7 показан поперечный разрез двигателя с тремя обмотками статора (красная А, синяя В, зеленая С). Подобный двигатель называется трехфазным, а его обмотки – фазными. Обмотки представляют собой элементарные рамки из проводника (как на рис. 4в), сдвинутые в пространстве на 120 градусов друг относительно друга. На рис. 7 ток протекает только по обмоткам со значками точки и крестика.

Рис. 7 Принцип действия синхронного двигателя

Если подать ток к обмотке А так, как показано на рис. 7а, магнитная ось поля статора займет горизонтальное положение, а южный полюс поля ротора после его поворота совместится с северным полюсом поля статора. Протекание тока по обмотке С приведет к повороту магнитной оси статора (а за ним – ротора) на 60 по часовой стрелке (рис. 7б). Затем ток подается в обмотку В (рис. 7в). После этого ток протекает по обмоткам А, С, В, но в противоположном направлении (сравните рис. 7а и 7г, 7б и 7д, 7в и 7е). С каждым переключение обмоток магнитная ось статора, а за нею – и ротор будут поворачиваться на следующие 60 градусов. Если после очередного переключения тока в обмотках продлить протекание тока в последней обмотке, ротор останется неподвижным. Именно таким есть принцип действия шагового двигателя . Такие двигатели используют для дозированного поворота вала механизма на заданный угол (например, в электромеханических часах и принтерах). Изменить направление вращения ротора можно, изменив порядок подключения обмоток к положительному полюсу источника (А-С-В вместо А-В-С).

Подавая попеременно ток в фазные обмотки (рис. 8), можно обеспечить непрерывное вращение ротора. Обратите внимание, что токи ІA, ІB, ІC фазных обмоток сдвинуты во времени друг по отношению к другу на треть периода Т. Изменяя период переключения тока в обмотках, можно регулировать скорость вращения ротора. Для изменения движущего момента электродвигателя изменяют величину тока обмоток статора или индукцию магнитного поля ротора (если на роторе вместо постоянных магнитов установлена обмотка возбуждения, т.е., электромагнит).

Рис. 8 Изменение во времени токов обмоток статора шагового двигателя

В трехфазном шаговом двигателе магнитное поле статора может занимать в пространстве только 6 положений (см. рис. 7), а перемещается оно между ними скачками. Вследствие этого возникают пульсации движущего момента электродвигателя, а обеспечить плавное вращение очень трудно. Если токи фазных обмоток изменять не ступенчато (как на рис. 8), а по закону синуса со сдвигом в треть периода (рис. 9), поле статора будет вращаться плавно (т.н. вращающееся магнитное поле). Ротор со временем догонит поле статора и далее будет вращаться синхронно с ним. Именно в таком режиме работают синхронные двигатели .

Рис. 9 Фазные токи синхронного двигателя

У асинхронного двигателя такой же статор, как и у синхронного, а по обмоткам статора также протекают синусоидальные токи (как на рис. 9). Однако конструкция ротора своеобразна (рис. 10). Ротор набран из листов электротехнической стали (как и статор). В пазах ротора уложены стержни (алюминиевые или медные), которые на торцах ротора замкнуты с помощью колец. Если ротор вращается со скоростью, меньшей скорости поля статора, в обмотке ротора полем статора наводится электродвижущая сила, которая приводит к протеканию по обмотке ротора токов. Токи вызывают появление магнитного поля ротора, а взаимодействие двух полей – создание движущего момента, который поворачивает ротор. Поскольку движущий момент возникает только тогда, когда скорости ротора та поля статора неодинаковы, ротор не может двигаться синхронно з полем статора (отсюда и название двигателя: асинхронный, т.е. «несинхронный»). Благодаря простоте конструкции, дешевизне и надежности асинхронные двигатели получили наибольшее распространение.

Конструкция асинхронного электродвигателя показана на рис. 11, 12.

Рис. 10 Ротор асинхронного двигателя: а – короткозамкнутая обмотка, б – поперечный разрез ротора

Рис. 11 Асинхронный двигатель (разрезано)

Рис. 12 Асинхронный двигатель в разобранном виде

Двигатель постоянного тока

Двигатель постоянного тока, в отличие от двигателей переменного тока, питается от источника постоянного тока. Магнитное поле статора создается неподвижными постоянными магнитами, а на роторе (иначе - якоре) расположена обмотка. Якорь жестко соединен с валом и может вращаться вокруг свои оси. Таким образом, конструктивно двигатель постоянного тока является обратной синхронной машиной.

Принцип действия двигателя постоянного тока поясняет рис. 13. Поле статора создают постоянные магниты или электромагниты (обмотки возбуждения). На ферромагнитном сердечнике якоря помещена обмотка, состоящая из двух последовательно включенных частей (их соединяет показанный пунктиром проводник). На якоре также размещены изолированные друг от друга коллекторные пластины, к которым присоединены концы обмотки якоря. К коллекторным пластинам через неподвижные графитные щетки от источника питания подается постоянный ток. Если верхнюю щетку подключить к положительному полюсу источника питания, а нижнюю – к отрицательному, по обмотке якоря будет протекать ток І, показанный на рис. 13. По правилу буравчика левый полюс якоря станет северным, правый – южным. Полюса якоря и статора будут отталкиваться друг от друга, вызывая поворот якоря по часовой стрелке. Якорь, поворачиваясь, по инерции «проскакивает» положение «северный по-люс против южного», и под щетками оказывается другие коллекторные пластины. Направление тока в обмотке якоря меняется на противоположное, полюса якоря меняются местами, и вращение якоря продолжается. Для изменения направления вращения якоря следует изменить полярность напряжения, поданного к щеткам.

Конструкцию, подобную показанной на рис. 13, имеют маломощные двигатели (используемые, например, в детских игрушках). В промышленных двигателях для обеспечения плавности движения якорь имеет много отдельных секций обмотки, соединенных с отдельными парами коллекторных пластин (подобно рис. 14). При вращении якоря через пару щеток к источнику подключается каждый раз следующая секция якоря, которая в данном положении якоря имеет наибольшую магнитную связь с полем статора.

Рис. 13 К принципу действия двигателя постоянного тока

Рис. 14 Якорь двигателя постоянного тока

В электроприводе обычно возникает задача автоматического управления электрическими двигателями. В простейших случаях достаточно только обеспечить их запуск, остановку, изменение направления вращения и защиту от аварийных режимов. Подобные функции легко реализуются с помощью простых и относительно дешевых электромеханических контакторов и реле. Однако нередко есть необходимость в плавном регулировании скорости вращения и движущего момента. Тогда для питания двигателей используют управляемые источники питания – полупроводниковые преобразователи энергии (управляемые выпрямители