Принцип работы электродвигателя

Электрический двигатель (электромотор) — электромеханический преобразователь энергии. Он превращает энергию электрического тока в механическое вращение вала. В основе работы любой электрической машины лежат явления магнетизма и электромагнитной индукции, поэтому в конструкции обязательно есть элементы, формирующие магнитное поле: постоянные магниты, электромагниты и/или ферромагнитные материалы.

Основные виды электродвигателей

Классифицировать электродвигатели удобно по двум «практичным» признакам: по типу питания и по принципу действия.

По типу питающего тока

1. Двигатели постоянного тока (DC)
   Работают от аккумуляторов, батарей, выпрямителей и других источников постоянного напряжения. Обычно их проще «настроить» по скорости и крутящему моменту.
2. Двигатели переменного тока (AC)
   Подключаются к сети: встречаются однофазные и трёхфазные решения. По принципу исполнения это могут быть асинхронные и синхронные агрегаты.

По принципу работы

• Синхронный двигатель
  Частота вращения ротора жёстко связана с частотой вращения магнитного поля статора. Часто используется роторная обмотка, подпитываемая через щёточно-коллекторный узел или отдельный возбудитель. Конструкция сложнее, зато проще удерживать стабильную частоту вращения.
• Асинхронный двигатель
  Более прост по устройству: распространён вариант с короткозамкнутым ротором без коллектора. Поле статора «увлекает» ротор, но он всегда вращается немного медленнее — возникает скольжение. Именно из-за скольжения двигатель и называют асинхронным. За счёт простоты и надёжности асинхронные машины — самые массовые в промышленности.

Чтобы корректно подобрать двигатель по мощности, моменту и режиму работы, полезно понимать его устройство и физический принцип.

Краткое сравнение распространённых типов двигателей

Конструкция коллекторного двигателя постоянного тока

Для объяснения принципа работы удобно рассмотреть классический коллекторный двигатель постоянного тока. Его задача — сформировать крутящий момент на валу за счёт взаимодействия магнитных полей.

Основные узлы:

• коллектор;
• щеточный механизм (щетки + коллекторные пластины/ламели);
• ротор (якорь) – вращающаяся часть с обмотками;
• статор – неподвижная часть с магнитами или электромагнитами.

Ротор (якорь)

Ротор — подвижный элемент. Он вращается вместе с валом под действием электромагнитных сил. На сердечнике якоря размещают катушки: при запуске как минимум часть обмоток оказывается в зоне действия поля статора, поэтому двигатель уверенно «схватывает» и выходит на вращение.

Коллектор и щетки

Коммутацию — то есть автоматическую смену направления тока в секциях обмотки ротора — обеспечивает коллекторный узел. Конструктивно это цилиндр с медными ламелями, закреплёнными на валу, и графитовые щётки, прижатые к ламелям

Как это работает (упрощённо):

1. При вращении ротора щётки поочерёдно контактируют с различными ламелями коллектора.
2. После поворота якоря примерно на 180° положение ламелей относительно щёток меняется.
3. Ток в соответствующей секции обмотки инвертируется, а полюса «электромагнита ротора» меняются местами.
4. Поле ротора снова взаимодействует с полем статора: одинаковые полюса отталкиваются, разные притягиваются — вал продолжает вращаться, создавая устойчивый момент.

Графитовые щётки выполняют роль токосъёма: материал обеспечивает приемлемую проводимость и снижает трение, что важно для ресурса.

Статор

Статор (индуктор) — неподвижная часть электрической машины. На нём располагаются обмотки возбуждения или постоянные магниты, которые формируют основное магнитное поле. В типовых конструкциях применяют две пары главных полюсов; в ряде схем добавляют вспомогательные полюса для улучшения коммутации и уменьшения искрения.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Схема работы ДПТ укладывается в понятную последовательность:

1. На обмотки возбуждения статора подают постоянный ток.
2. В результате формируется стабильное магнитное поле (электромагнитом или постоянными магнитами).
3. Через коллектор ток поступает в обмотки ротора, и ротор становится электромагнитом со своими полюсами.
4. Взаимодействие поля статора и поля якоря создаёт электромагнитный момент, который поворачивает ротор.

Когда секция якоря проходит «магнитную нейтраль», коллектор переключает её на противоположную полярность. Полюса ротора меняются местами — и он снова притягивается/отталкивается так, чтобы вращение продолжалось без остановок.
В более мощных коллекторных двигателях используют несколько пар полюсов. Для них предусматривают несколько систем секций/щёток, включённых так, чтобы распределять нагрузку и уменьшать искрение.

Особенности высокомощных синхронных машин постоянного тока

У высокомощных синхронных двигателей постоянного тока встречаются характерные конструктивные решения:

• щётки и коллектор смещают относительно геометрической оси на небольшой угол против направления вращения;
• величина смещения зависит от нагрузки и помогает компенсировать реакцию якоря (когда поле ротора искажает поле статора);
• корректная установка щёток снижает риск торможения вала и падения КПД.

Это особенно важно для тяговых установок, где возможны частые перегрузки и резкие изменения момента.

Способы возбуждения синхронных двигателей постоянного тока

Синхронный двигатель постоянного тока подключают по трём базовым схемам возбуждения: параллельной, последовательной и комбинированной.

1. Параллельное возбуждение
   • обмотки возбуждения подключены параллельно якорю;
   • ток возбуждения регулируют (например, реостатом), меняя скорость вращения;
   • применяют там, где нужна стабильная частота и возможность регулировки: крановые механизмы, станки.
2. Последовательное возбуждение
   • обмотка возбуждения включена последовательно с якорем;
   • при росте нагрузки растёт ток, двигатель развивает высокий пусковой момент;
   • распространено в тяговых приводах и механизмах, где важен мощный старт.
3. Комбинированное (смешанное) возбуждение
   • сочетает параллельную и последовательную схемы;
   • помогает совместить сильный пусковой момент с более устойчивой механической характеристикой по частоте вращения.

Универсальные коллекторные двигатели (УКД)

Универсальные коллекторные двигатели— это моторы, которые способны работать и от постоянного, и от переменного тока. Их часто ставят в бытовую и профессиональную технику: дрели, перфораторы, шуруповёрты, пылесосы, точильные станки и т. д.
По конструкции УКД близок к синхронной машине с последовательным возбуждением.

Принцип работы УКД

1. При подаче напряжения на статор создается магнитное поле.
2. Магнитопровод выполняют из набора тонких пластин, чтобы уменьшить потери и нагрев от вихревых токов Фуко.
3. Роторная цепь с заметной индуктивностью включена последовательно с цепью статора — за счёт этого направления полей статора и якоря согласованы.
4. Поля оказываются практически синфазными: двигатель развивает высокий момент и быстро набирает обороты даже под нагрузкой.

Регулировать скорость можно через электронный преобразователь или регулируемый трансформатор. Для реверса обычно переставляют выводы (меняют подключение), так как «простым» изменением питания направление поля не всегда меняется ожидаемым образом.

Плюсы и минусы УКД

Преимущества:

• высокий стартовый момент и возможность развивать большую частоту вращения;
• компактность и небольшой вес;
• сравнительно простая регулировка скорости.

Недостатки:

• щётки изнашиваются быстрее, особенно при высоких оборотах;
• больше шума и искрения;
• при тяжёлых режимах ресурс ниже, чем у многих бесщёточных решений.

Асинхронные двигатели переменного тока

Асинхронный двигатель переменного тока — основной основной «рабочий» мотор для промышленности. Классическая трёхфазная асинхронная машина с короткозамкнутым ротором стала возможной благодаря работам М. О. Доливо-Добровольского (конец XIX века) и развитию трёхфазной системы.

Устройство трехфазного асинхронного двигателя

• на статоре размещают три обмотки, смещённые на 120°;
• каждая обмотка подключается к своей фазе сети;
• для охлаждения на вал часто устанавливают вентилятор.

В трёхфазной сети токи и напряжения меняются по синусоидальному закону, а фазовый сдвиг приводит к появлению вращающегося магнитного поля.

Принцип работы асинхронногодвигателя

1. Трёхфазное питание создаёт на статоре вращающееся поле, скорость которого связана с частотой сети (например, 50 Гц).
2. Внутри поля находится ротор; в его проводниках индуцируются токи.
3. Взаимодействие магнитного потока статора и наведённых токов формирует электромагнитный момент и раскручивает вал.
4. Ротор не может «догнать» поле полностью: появляется скольжение — небольшое отставание по скорости/фазе.

При короткозамкнутом роторе на пуске возникают большие токи, поэтому у мощных установок часто наблюдаются значительные пусковые токи (вплоть до заметного «проседания» сети).

Как снижают пусковые токи у мощных приводов

Для тяжёлых режимов используют решения, которые позволяют запускать двигатель мягче:

• фазный ротор вместо короткозамкнутой «клетки»;
• три роторные обмотки соединяют «звездой»;
• подключение идёт через кольцевой коллектор, щётки и пусковой реостат;
• по мере разгона сопротивление постепенно уменьшают до нуля — пуск становится плавным, без резкого броска тока.

Магнитное поле и электромагнитная индукция в асинхронной машине

Работа асинхронного двигателя напрямую связана с индукцией:

• поле статора зависит от приложенного напряжения;
• магнитный поток статора индуцирует токи в роторе;
• поток ротора отстаёт по частоте и участвует в создании момента.

Именно взаимодействие двух потоков и даёт тот «мостик», который превращает электрическую энергию в механическую работу.

Почему двигатели переменного тока так популярны

Трёхфазная сеть отличается тем, что суммарная мгновенная мощность у неё практически постоянна: три синусоидальные ЭДС одинаковой частоты сдвинуты на 120°. Отсюда — набор эксплуатационных плюсов:

• простота обслуживания и ремонтопригодность;
• относительно низкая стоимость;
• высокая надёжность и ресурс;
• удобное управление скоростью и моментом через частотные преобразователи и электронику;
• простой реверс — достаточно поменять порядок чередования фаз.

Однофазные асинхронные двигатели

Помимо трёхфазных, широко используются однофазные асинхронные двигатели для сети 220 В, 50 Гц. По назначению они схожи: превращают энергию переменного тока во вращение вала, но имеют особенности запуска.

Устройство и принцип действия

В однофазном моторе:

• на статоре есть минимум две обмотки: рабочая и пусковая;
• их оси смещены на 90°;
• для создания фазового сдвига применяют устройство (чаще конденсатор, реже сопротивление или индуктивность);
• за счёт сдвига фаз возникает вращающееся поле, которое раскручивает ротор.

Такие моторы встречаются в стиральных машинах, компрессорах холодильников, небольших станках и бытовых механизмах.

Однофазный или трёхфазный: основные отличия

Двигатели с увеличенным скольжением

Отдельно выделяют трёхфазные асинхронные двигатели с повышенным сопротивлением роторной цепи. У них критическое скольжение может доходить до 40%. Их ставят в механизмы с большим моментом инерции и частыми кратковременными пусками — например, в приводы тяжёлых конвейеров или подъёмных установок. Повышенное скольжение помогает разгонять систему мягче и снижает ударные нагрузки.

Каталог электрических двигателей ООО ПТЦ «Привод»

Производственно-технический центр «Привод» предлагает электродвигатели и моторы под разные задачи:

• асинхронные трехфазные и однофазные модели
• универсальные коллекторные механизмы;
• синхронные машины постоянного тока;
• решения с увеличенным скольжением.

В каталоге обычно указываются ключевые характеристики: мощность, номинальный момент, частота вращения, тип питания, рабочее напряжение, габаритные размеры. Двигатель подбирают под конкретный механизм — вентилятор, насос, редукторный привод, транспортер и другие виды оборудования.
Специалисты компании помогают выбрать электродвигатель с учётом условий эксплуатации, режима работы и характера нагрузки. Заказать подходящий механизм можно через сайт, по телефону 8-800-2000-220 или по электронной почте privod58@gmail.com. Поставка выполняется по России и в страны ближнего зарубежья с гарантией производителя и комплектом технической документов.