Принцип работы электродвигателя

Электрический двигатель, или электромотор, – это электромеханический преобразователь энергии: он превращает энергию электрического тока в механическое вращение вала. Работа такого двигателя основана на явлениях магнетизма и электромагнитной индукции, поэтому в конструкции всегда присутствуют элементы, создающие поле: постоянные магниты, электромагниты или специальные ферромагнитные материалы.

Основные виды двигателей

Классифицировать электрические двигатели можно по нескольким признакам. Два ключевых – тип питающего тока и принцип действия механизма.

По типу питания

• Двигатели постоянного тока
  Питаются от аккумуляторов, выпрямителей, батарей и других источников постоянного напряжения. В таких моторах проще контролировать скорость вращения и момент.
• Двигатели переменного тока
  Подключаются непосредственно к электрической сети. Это могут быть как однофазные, так и трехфазные асинхронные или синхронные агрегаты.

По принципу работы

• Синхронный двигатель
  В синхронном моторе частота вращения ротора жестко связана с частотой поля статора. В конструкции используется роторная обмоточная система, подпитываемая через щеточно-коллекторный механизм или отдельный возбудитель. Такое решение усложняет электротехнический узел, но позволяет точно удерживать частоту вращения.
• Асинхронный двигатель
  Асинхронный мотор проще по устройству: ротор обычно короткозамкнутый, без коллекторного узла. Вращающееся поле статора «подтягивает» ротор, но он всегда вращается чуть медленнее – возникает скольжение, из-за чего двигатель и называют асинхронным. Простота и надежность сделали этот механизм наиболее распространенным в промышленности.

В быту и на производстве применяются двигатели разных серий и мощностей, но общая задача у них одна – преобразовать электрическую энергию в механическое вращение. Чтобы правильно выбрать и эксплуатировать мотор, важно понимать, как он устроен и на каких физических принципах работает.

Устройство синхронного электродвигателя на видео

Принцип работы синхронного электродвигателя на видео

Принцип работы асинхронного электродвигателя на видео

Конструкция коллекторного двигателя постоянного тока

Рассмотрим классический коллекторный двигатель постоянного тока – удобный пример для объяснения принципа работы. Центральная задача такого механизма – создать крутящий (механический) момент на валу под действием электрического тока.

Основные узлы:

• коллектор;
• щеточный механизм (две щетки и две коллекторные пластины);
• ротор (якорь) – вращающаяся часть с катушками;
• статор – неподвижная часть, несущая магниты или электромагниты.

Ротор

Ротор – подвижный элемент двигателя. Вместе с валом он совершает непрерывное вращение под действием электромагнитных сил. На сердечник якоря наматываются катушки, образующие несколько зубцов; как минимум один из них всегда находится в зоне действия поля статора, что обеспечивает устойчивый запуск механизма.

Коллектор и щетки

Автоматическое переключение направления тока в роторных катушках обеспечивает коллекторный механизм. Он представляет собой цилиндр с двумя (или большим количеством) медных ламелей, закрепленных на валу, и графитовыми щетками, прижатыми к ламелям.

Принцип работы:

• По мере вращения ротора щетки последовательно контактируют с различными пластинами коллектора.
• Когда якорь поворачивается примерно на 180°, ламели меняются местами относительно щеток.
• Полярность тока в катушке инвертируется, меняются северная и южная стороны электромагнита.
• Одинаковые полярности статора и ротора отталкиваются, противоположные притягиваются – возникает вращение и формируется устойчивый крутящий момент.

Графитовые щетки служат токосъемными элементами. Их состав обеспечивает хорошую проводимость и малый коэффициент трения, что важно для ресурса механизма.

Статор

Статор – стационарная часть электрической машины, называемая также индуктором. На нем расположены катушки возбуждения или постоянные магниты. Полярность этих элементов формирует поле, в котором работает ротор.
Чаще всего в таких моторах используют две пары основных полярных зон; иногда добавляют вспомогательные, чтобы улучшить коммутацию и уменьшить искрение на коллекторе.

Как работает двигатель постоянного тока

Принцип работы двигателя постоянного тока можно свести к нескольким последовательным шагам:

• На катушки возбуждения статора подается постоянный ток.
• В результате через электромагнит или постоянный магнит создается устойчивое поле.
• В роторные катушки через коллектор также подается ток, и ротор превращается в электромагнит с собственными полярностями.
• Взаимодействие поля статора и поля якоря создает электромагнитный момент; под его действием ротор поворачивается.

Когда катушка якоря проходит так называемую «магнитную нейтраль», коллектор переключает секцию на другую полярность. Полюса ротора меняются местами, и он снова притягивается к противоположным полярностям статора. Так обеспечивается непрерывное вращение без остановок.
В мощных коллекторных моторах применяют несколько пар полярных зон. Каждой паре соответствует собственная система катушек и щеток; включение их выполняется последовательно, чтобы распределить нагрузку и уменьшить искрение.

Особенности высокомощных синхронных машин постоянного тока

У мощных синхронных двигателей постоянного тока есть ряд конструктивных особенностей:

• токосъемные щетки и коллекторный узел смещены относительно геометрической оси на небольшой угол против направления вращения;
• это смещение зависит от нагрузки и компенсирует "реакцию якоря" – явление, при котором поле ротора искажает поле статора;
• корректировка положения щеток помогает избежать торможения вала и падения эффективности механизма.

Такая настройка особенно важна в тяговых мотор-установках, где двигатель подвержен частым перегрузкам и резким изменениям момента.

Способы подключения синхронных электродвигателей постоянного тока

Синхронный двигатель постоянного тока можно подключать по трем основным схемам: с параллельным, последовательным и комбинированным подключением.

1. Параллельное подключение.

• Обмотки возбуждения подключены параллельно якорю.
• Через дополнительный реостат можно плавно изменять ток возбуждения и, соответственно, скорость вращения.
• Схема применима там, где нужно стабильное число оборотов и регулируемая частота вращения – например, в крановых механизмах и станках.

2. Последовательное подключение.

• Обмотка возбуждения включена последовательно с якорем.
• При увеличении нагрузки ток возрастает, и двигатель развивает значительный пусковой момент.
• Такая схема используется в тяговых установках и механизмах, где важен мощный старт.

3. Комбинированное (смешанное) подключение.

• Сочетает параллельную и последовательную схемы.
• Позволяет совместить высокий пусковой момент с устойчивой механической характеристикой по частоте вращения.

Универсальные коллекторные двигатели (УКД)

Коллекторные универсальные двигатели – это моторы, которые могут работать как от постоянного, так и от переменного тока. Такие механизмы широко применяются в бытовой и профессиональной технике: дрели, перфораторы, шуруповерты, пылесосы, точильные станки и другие электроинструменты.

По конструкции универсальный коллекторный мотор близок к синхронной машине с последовательным возбуждением.

Как работает УКД

• При подаче напряжения на статор формируется поле.
• Сердечники магнитопровода выполняют из набора тонких пластин, а не из монолита, чтобы уменьшить потери и нагрев от вихревых токов Фуко.
• Роторная цепь, обладающая заметной индуктивностью, включается последовательно с цепью статора. Это обеспечивает одинаковое направление поля статора и поля якоря.
• В результате поля практически синфазны – двигатель развивает высокий крутящий момент и быстро набирает обороты даже под нагрузкой.

Подключение через регулируемый трансформатор или электронный преобразователь позволяет плавно менять частоту вращения. Но изменить направление поля в коллекторном двигателе переменного тока особой схемой питания нельзя – для реверса ожидается перестановка выводов.

Плюсы и минусы универсального коллекторного мотора

Преимущества:

• высокий стартовый момент и возможность развивать большую частоту вращения;
• небольшая масса и компактные габариты;
• удобная регулировка скорости.

Недостатки:

• графитовые щетки подвержены интенсивному износу, особенно на больших оборотах;
• повышенный уровень шума и искрения;
• сравнительно небольшой ресурс при высоких нагрузках.

Асинхронные двигатели переменного тока

Асинхронный двигатель переменного тока – основной рабочий механизм в современной промышленности. Это классическая электротехническая машина, созданная благодаря трудам М. О. Доливо-Добровольского, который в конце XIX века предложил трехфазную систему тока и асинхронный мотор с короткозамкнутым ротором.

Устройство трехфазного асинхронного двигателя

• На статор наматывают три обмоточные системы, смещенные в пространстве на 120°.
• Каждая система подключается к своей фазе трехфазной сети.
• Для охлаждения нагревающихся проводников на торце вала устанавливают вентилятор.

Напряжение и токи в трехфазной сети изменяются по синусоидальному закону. Сдвиг по фазе между кривыми создает вращающееся поле, которое непрерывно перемещается по окружности.

Принцип работы асинхронного механизма

• Напряжение трех фаз создает в обмоточных катушках статора вращающееся поле; частота вращения этого поля строго связана с частотой сети (например, 50 Гц).
• Внутри поля расположен ротор. В его проводящих стержнях под действием индукции возникают токи.
• Взаимодействие потока статора и наведенных токов формирует электромагнитный момент, который раскручивает вал.
• Так как ротор не может вращаться точно с синхронной частотой поля, возникает "скольжение" – небольшое отставание по фазе. Именно оно и делает двигатель асинхронным.

Короткозамкнутый ротор приводит к тому, что при пуске в проводниках возникает очень большой ток. Это вызывает большие пусковые токи в сети – знакомое мигание света при старте мощного мотора.

Снижение пусковых токов

Для мощного оборудования применяют специальные решения:

• фазный ротор – вместо короткозамкнутой клетки используется система из трех обмоток, соединенных «звездой»;
• обмотки подключают к сети через кольцевой коллектор, щетки и пусковой реостат;
• по мере разгона двигателя сопротивление в роторной цепи постепенно уменьшают до нуля, и пуск происходит плавно, без резких бросков тока.

Устройство электродвигателя переменного тока на видео

Магнитное поле и индукция в асинхронной машине

Работа асинхронного двигателя тесно связана с электромагнитной индукцией:

• поле статора пропорционально приложенному напряжению;
• возникающий магнитный поток индуцирует токи в роторе;
• поток ротора, в свою очередь, отстает по частоте и формирует собственный крутящий момент.

Эти два потока притягиваются и воздействуют друг на друга, обеспечивая вращение. Именно взаимодействие полей – основной физический механизм, который превращает электрический ток в механическую работу.

Преимущества двигателей переменного тока

Трехфазная сеть – это система с постоянной суммарной мгновенной мощностью, в которой три синусоидальных ЭДС равной частоты сдвинуты по фазе на 120°. Двигатель переменного тока, подключенный к такой сети, обладает рядом преимуществ:

• простая эксплуатация и обслуживание;
• сравнительно низкая стоимость;
• высокая надежность и ресурс;
• удобное управление моментом и частотой вращения через частотные преобразователи и другие электронные устройства;
• возможность реализовать реверс – изменить направление вращения, просто сменив порядок чередования фаз.

Однофазные асинхронные двигатели

Наряду с трехфазными широко применяются и однофазные асинхронные двигатели. Это компактные электромеханические механизмы, рассчитанные на работу от сети 220 В, 50 Гц. Они преобразуют энергию переменного тока в вращение вала так же, как и трехфазные, но имеют свою специфику.

Устройство и принцип действия

В однофазном моторе:

• на статоре имеются как минимум две катушки – рабочая и пусковая;
• оси этих цепей смещены в пространстве на 90°;
• в схему вводится фазосдвигающее устройство – чаще всего конденсатор, иногда сопротивление или индуктивный элемент;
• питание подают переменным током, и за счет сдвига фаз создается вращающееся поле, способное раскрутить ротор.

Такие двигатели встречаются в стиральных машинах, компрессорах холодильников, небольших деревообрабатывающих и металлообрабатывающих станках.

Сравнение однофазных и трехфазных двигателей

По сравнению с трехфазными агрегатами однофазные моторы имеют ряд особенностей:

• при одинаковых габаритах их мощность примерно на 30 % ниже;
• длительная работа на холостом ходу (более 5–10 минут) нежелательна;
• перегрузочная способность трехфазных машин существенно выше (пергрузочная спосбность существенно ниже).

Двигатели с увеличенным скольжением

Отдельную группу составляют трехфазные асинхронные двигатели с повышенным сопротивлением роторной цепи. У них критическое скольжение может достигать 40 %. Такие механизмы используют в машинах с большим моментом инерции и частыми кратковременными пусками – например, в приводах тяжелых конвейеров или подъемных установок. Увеличенное скольжение позволяет мягко разгонять механизм и уменьшает ударные нагрузки.

Каталог электрических двигателей ПТЦ «Привод»

Производственно-технический центр «Привод» предлагает широкий выбор двигателей и моторов различного назначения:

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

В каталоге представлены подробные технические характеристики: мощность, номинальный момент, частота вращения, тип питания, рабочее напряжение, габаритные размеры. Клиент может подобрать мотор под конкретный механизм – вентилятор, насос, редукторный привод, транспортёр и другие виды оборудования.
Специалисты компании помогут выбрать электрический двигатель или мотор-редуктор с учетом условий эксплуатации, требуемого режима работы и типа нагрузки. Заказать и купить подходящий механизм можно через форму на сайте, по телефону 8-800-2000-220 или по электронной почте privod58@gmail.com. Двигатели поставляются по России и в страны ближнего зарубежья с гарантией производителя и полным комплектом технической документации.