Принцип работы якоря в эл двигателе. Электродвигатели: какие они бывают

Электрический двигатель – так называют электрическую машину (электромеханический преобразователь энергии), в которой энергия электричества преобразуется в механическую. При этом выделяется тепло.

Принцип действия

Рабочая схема электродвигателя очень проста. В основе функционирования электрической машины существует принцип электромагнитной индукции. Электрический механизм состоит из статора (неподвижного), который устанавливается в синхронных или асинхронных машинах переменного тока или индуктора (электродвигатели постоянного тока) и ротора (подвижной части, устанавливаемого в синхронных или асинхронных машинах переменного тока) или якоря (в машине тока постоянного). В качестве индуктора на маломощном двигателе постоянного тока используются магниты.

Роторы бывают:

Короткозамкнутые

Фазные (имеющие обмотку). Применяются в случае уменьшения пускового тока и для регуляции частоты вращения асинхронного электродвигателя.

В основном, представлены крановым электродвигателем серии МТКН (который по большей части применяется в крановых установках).

Якорем называют подвижную часть машины постоянного тока (генератора или двигателя) или же функционирующего по данному принципу универсального двигателя (который часто встречается в электрических инструментах). Универсальным двигателем называют ДПТ (двигатель постоянного тока), который имеет последовательное возбуждение (когда обмотки индуктора и якоря

включены последовательно). Различие только в расчете обмоток. На постоянном токе нет реактивного (емкостного или индуктивного) сопротивления. Именно поэтому любая болгарка, если вынуть электронный блок, будет в рабочем состоянии, особенно на постоянном токе и при меньшем сетевом напряжении.

Принцип функционирования асинхронного трехфазного электродвигателя

При включении питания в статоре возникает вращающееся круговое магнитное поле. Оно пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора и появляется ток индукции. Согласно закону Ампера (на проводник, находящийся под током, помещенный при этом в магнитное поле, действует ЭДС сила), ротор начинает вращаться.

Частота его вращения зависит от частоты напряжения, а также от числа пар полюсов магнитов. Разность между частотой вращения ротора и частотой вращения поля магнитного статора характеризуется скольжением. Электродвигатель асинхронный называется асинхронным, потому что частота вращения поля магнитного статора не совпадает с частотой ротора.

Синхронный двигатель отличается от него конструкцией ротора. Ротор в подобном двигателе выполнен либо электромагнитом, либо постоянным магнитом. Также может иметь в себе частичку беличьей клетки (для запуска). В роторе непременно содержатся электромагниты или постоянные магниты. Частота вращения поля магнитного статора в синхронном двигателе совпадает с частотой ротора. Для запуска в данной конструкции применяют ротор с обмоткой короткозамкнутой или асинхронные вспомогательные электродвигатели.

Асинхронные двигатели широко применяются во многих отраслях техники. Это особенно характерно для обычных по конструкции и трехфазных прочных асинхронных двигателей, которые имеют коротко-замкнутые роторы. Такие двигатели дешевле и надежнее обычных электрических двигателей и не нуждаются в особом уходе. Название «асинхронный» указывает на то, что в подобном двигателе ротор вращается с вращающимся полем статора не синхронно. В отсутствие трехфазной сети асинхронный двигатель включают в сеть однофазного тока.

Устройство статора асинхронного электродвигателя очень простое. Он состоит из пакета лакированных листов стали электротехнической толщиной 0,5 мм. В пазах пакета, такого же, как в синхронной машине, уложена обмотка. Статор трехфазного асинхронного двигателя имеет три фазы обмотки. Обмотка смещена на 120°. Между собой фазы соединены треугольником или звездой.

Схема двухполюсной машины

Схема двухполюсной машины выглядит очень просто. В машине содержатся четыре паза из расчета на каждую фазу. При поступлении питания на обмотки статора от трехфазной сети получается особое вращающееся поле. Это получается потому, что токи в фазах обмотки смещены в пространстве на 120° относительно друг друга и сдвинуты по фазе на 120°. При синхронной частоте вращения nc поля электродвигателя с р парами полюсов верно при частоте токов в f: nc=f/p. Так, при частоте 50 Гц получается для р = 1, 2, 3 (двух-, четырех или шести машин полюсных) получаются синхронные частоты вращения в nc = 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Ротор асинхронного электродвигателя состоит из листов электротехнической стали. Он может выполняться в виде ротора с контактными кольцами (фазный ротор) или короткозамкнутого ротора (с беличьей клеткой). В короткозамкнутом роторе обмотка выглядит в виде стержней из металла (бронзы, меди или алюминия). Стержни располагаются в пазах и соединяются между собой на концах особыми закорачивающими кольцами. Соединение стержней осуществляет при помощи пайки сваркой или твердым припоем. При использовании сплавов из алюминия или алюминия стержни ротора, а также закорачивающие кольца и лопасти вентилятора, располагающиеся на них, производят при помощи литья под давлением.

Прямо у ротора электрического двигателя с контактными кольцами в пазах располагается трехфазная обмотка. По внешнему виду она походит на обмотку статора, включенную звездой. Начала фаз данной обмотки соединены с тремя контактными кольцами, которые закреплены на валу. В процессе запуска двигателя можно выполнить регулировку частоты вращения. Для этого подсоединяют к фазам обмотки ротора реостаты (делается это через щетки и контактные кольца). После успешного разбега кольца контактов замыкаются накоротко. Это значит, что обмотка двигателя ротора выполняет те же самые функции, что и обмотка короткозамкнутого ротора.

Классификация электрических двигателей

По природе возникновения вращающего момента электрические двигатели делятся на магнитоэлектрические и гистерезисные. У гистерезисных двигателей вращающийся момент создается за счет гистерезиса при перемагничивании ротора. Подобные устройства считаются нетрадиционными и мало распространены в промышленности.

Самым распространенным товаром считаются магнитоэлектрические двигатели. По типу потребляемой энергии они подразделяются на две группы – двигатели тока постоянного и двигатели тока переменного. Также существуют так называемые двигатели универсальные, которые питаются обоими видами токов.

Двигатель постоянного тока

Двигателем постоянного тока называют электродвигатель, чье питание происходит за счет постоянного тока. Данный тип двигателей также принято подразделять по наличию щёточно-коллекторного узла на две группы:

Бесколлекторные

Коллекторные

Щёточно-коллекторный узел отвечает за качественное электрическое соединение цепей неподвижной и вращающейся части машины. Он является самым сложнейшим в обслуживании и ненадежным конструктивным элементом.

Коллекторные двигатели по типу возбуждения подразделяются на:

Двигатель с самовозбуждением

Двигатель с независимым возбуждением (от постоянных магнитов и электрических магнитов).

Двигатель с самовозбуждением подразделяется на:

Двигатель, имеющий параллельное возбуждение (обмотка якоря в этом случае включается строго параллельно обмотке возбуждения)

Двигатель, имеющий последовательное возбуждение (обмотка якоря в данном случае якоря включается строго последовательно обмотке возбуждения)

Двигатель, имеющий смешанное возбуждение (обмотка возбуждения в данном случае включается последовательно частично и параллельно частично обмотке якоря).

Вентильные двигатели (бесколлекторные) – это электрические двигатели, которые выполняются в виде замкнутой системы с применением датчика, определяющего положение ротора, преобразователя координат (системы управления), а также инвертора (силового полупроводникового преобразователя). Принцип функционирования подобных двигателей схож с принципом работы системы синхронных двигателей.

Двигатель переменного тока

Трехфазный асинхронный двигатель

Электродвигатели переменного тока - это электрические двигатели, питание которых осуществляется при помощи переменного тока. По принципу функционирования подобные двигатели подразделяются на асинхронные и синхронные двигатели. Принципиальное отличие заключается в том, что в синхронном двигателе первая гармоника силы магнитодвижущей статора перемещается со скоростью вращения ротора. Сам ротор перемещается со скоростью перемещения магнитного поля в статоре. У асихронного двигателя всегда присутствует разница между скоростью перемещения ротора и скоростью магнитных полей в статоре (ротор вращается медленнее поля).

Синхронный электродвигатель - это электрический двигатель тока переменного. Ротор синхронно вращается с полем магнитным питающего напряжения. Подобные устройства применяются для обеспечения больших мощностей (более сотни киловатт). Синхронные двигатели бывают с угловым дискретным перемещением ротора (так называемые шаговые двигатели). У подобных устройств положение ротора прочно фиксируется подачей питания на обмотки. Переход в иное положение осуществляется при помощи снятия напряжения питания с первых обмоток и передачи на вторые (и так далее). Помимо этого существует и еще один вид синхронного двигателя - реактивный вентильный двигатель электрический. Питание обмоток данного двигателя формируется за счет элементов полупроводниковых.

Асинхронный электродвигатель - это электрический двигатель переменного тока. Частота вращения ротора в данном двигателе существенно отличается от вращения полей магнита, которые создаются от питающего напряжения. Подобные устройства наиболее распространены.

По количеству фаз двигатель тока переменного принято подразделять на:

Однофазные электродвигатели. Запуск подобных устройств производится вручную. Они могут иметь пусковую обмотку или фазосдвигающую цепь.

Двухфазный (сюда входят и конденсаторные)

Электродвигатель трехфазный

Многофазный

Коллекторный универсальный электродвигатель – это электрический коллекторный двигатель, который может функционировать как на переменном, так и на постоянном токе. Производится с последовательной обмоткой возбуждения строго на мощности электродвигателя около 200 Вт. Статор двигателя выполнен шихтованным из особой электрической технической стали. Обмотка возбуждения полностью включается при постоянном токе и частично включается при переменном токе. Номинальные напряжения для переменного тока - 127,220, для тока постоянного номинальные напряжения- 110.220. Двигатели такого плана используются в электроинструментах и бытовых аппаратах.

Двигатель переменного тока, питающийся от промышленной сети 50 ГЦ, не может обеспечить частоту вращения более 3000 об/мин. Именно поэтому для получения высочайших частот следует использовать коллекторный электродвигатель. Такой двигатель получается меньше и легче, в сравнении с двигателем тока переменного такой же мощности. Также применяются особые передаточные механизмы, которые позволяют изменять кинематические параметры механизмов до нужных вам (так называемые мультипликаторы). При использовании преобразователей частоты или сети частоты повышенной (в 100, 200 или 400 Гц) двигатель переменного тока оказывается меньше и легче, в сравнении с коллекторным двигателем (поскольку иногда коллекторный узел занимает ½ объема). Ресурс асинхронного двигателя переменного тока выше в сравнении с коллекторным. Он определяется состоянием изоляции обмоток и подшипников.

Синхронный двигатель, имеющий датчик положения ротора и инвертор, считается электронным аналогом обычного коллекторного постоянного тока. Коллекторный универсальный двигатель считается электродвигателем коллекторным постоянного тока, имеющим последовательно включенные обмотки статора (возбуждения). Подключение электродвигателя такого типа не вызывает сложностей. Он также оптимизирован для функционирования на переменном токе электрической бытовой сети. Подобный тип двигателя вне зависимости от полярности поданного напряжения вращается строго в одну сторону. Это происходит потому, что обмотки ротора и статора соединены последовательно и смена полюсов полей магнитных данных устройств происходит одновременно, а значит, результирующий момент направлен в одну сторону. Если необходима работа на переменном токе, применяют статор из мягкого магнитного материала, имеющий малый гистерезис (малое сопротивление перемагничиванию).

Если необходимо уменьшение потерь на вихревые токи, берут наборный статор, изготовленный из изолированных пластин. Достоинством функционирования подобного двигателя считается то, что в режиме пуска и перегрузки индуктивное сопротивление обмоток ограничивает ток и максимальный момент двигателя до 5 – 3 от номинального.

Принцип его функционирования прост. Подвижная часть выполняется в виде магнитов, которые крепятся на штоке. Переменный ток электродвигателя проходит через неподвижные обмотки. Под действием этого процесса постоянные магниты перемещают шток.

Лось Анастасия
Специально для Двигатель.инфо

В основу работы любых электродвигателей положен принцип электромагнитной индукции. Электродвигатель состоит из неподвижной части — статора (для асинхронных и синхронных движков переменного тока) либо индуктора (для движков постоянного тока) и подвижной части — ротора (для асинхронных и синхронных движков переменного тока) либо якоря (для движков постоянного тока). В роли индуктора на маломощных двигателях постоянного тока нередко используются постоянные магниты.

Все двигатели, грубо говоря можно поделить на два вида:
двигатели постоянного тока
двигатели переменного тока (асинхронные и синхронные)

Двигатели постоянного тока

Данные двигатели с наличием щёточно-коллекторного узла бывают:

Колекторные - электрическое устройство, в котором датчиком положения ротора и переключателем тока в обмотках является одно и то же устройство — щёточно-коллекторный узел.

Бесколекторные - замкнутая электромеханическая система, состоящая из синхронного устройства с синусоидальным распределением магнитного поля в зазоре, датчика положения ротора, преобразователя координат и усилителя мощности. Более дорогой вариант в сравнение с колекторными двигателями.

Двигатели переменного тока

Синхронный - двигатель переменного тока, ротор которого крутится синхронно с магнитным полем питающего напряжения. Эти движки традиционно применяются при огромных мощностях (от сотен киловатт и выше).
Есть синхронные двигатели с дискретным угловым движением ротора — шаговые двигатели. У них данное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение исполняется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие обмотки двигателя.
Ещё один вид синхронных движков — вентильный реактивный эл-двигатель, питание обмоток которого складывается с помощью полупроводниковых элементов.

Асинхронный - двигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора различается от частоты крутящего магнитного поля, творимого питающим напряжением, второе название асинхронных машин - индукционные обосновано тем, что ток в обмотке ротора индуцируется вертящимся полем статора. Асинхронные машины сейчас оформляют огромную часть электрических машин. В главном они используются в виде электродвигателей и считаются ключевыми преобразователями электрической энергии в механическую, причём в основном используются асинхронные движки с короткозамкнутым ротором

По количеству фаз двигатели бывают:

• однофазные
• двухфазные
• трехфазные

Самые популярные и шыроковостребованые двигатели которые применяются в производстве и бытовом хозяйстве:

Однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Ротор такового мотора, как и любого иного асинхронного мотора с короткозамкнутым ротором, являет из себя цилиндрический сердечник с залитыми алюминием пазами, с сразу отлитыми вентиляционными лопастями.
Таковой ротор именуется короткозамкнутым ротором. Однофазовые движки используются в маломощных устройствах, в том числе комнатные вентиляторы либо маленькие насосы.

Двухфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Данные двигатели помимо прочего имеют короткозамкнутый ротор, а их использование еще обширнее, нежели у однофазовых. Тут уже и стиральные машинки, и разные станки. Двухфазные движки для питания от однофазовых сетей называют конденсаторными двигателями, потому что фазосдвигающий конденсатор считается часто обязательной их частью.

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Обмотки статора трехфазного мотора возможно соединить по схеме «звезда» либо «треугольник», при этом для питания мотора по схеме «звезда» потребуется напряжение выше, чем для схемы «треугольник», и на движке, потому, указываются 2 напряжения, к примеру: 127/220 либо 220/380. Трехфазные движки незаменимы для приведения в действие разных станков, лебедок, циркулярных пил, подъемных кранов, и т.п.

Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

Посредством щеток, на кольца помимо прочего подается трехфазное переменное напряжение, и включение может быть осуществлено как впрямую, так и через реостаты. Непременно, движки с фазным ротором стоят подороже, хотя их пусковой момент под нагрузкой значительно повыше, нежели у типов движков с короткозамкнутым ротором. Именно в следствие завышенной силы и огромного пускового момента, данный вид движков отыскал использование в приводах лифтов и подъемных кранов, другими словами там, где прибор запускается под нагрузкой а не в холостую, как у двигателей с короткозамкнутым ротором.

Электродвигатель преобразует электроэнергию в энергию механического движения. Так же как и электрический генератор электродвигатель состоит обычно из статора и ротора, относясь к вращающимся электрическим машинам Выпускаются однако, двигатели у которых движущаяся часть совершает линейное (обычно прямолинейное движение (линейные двигатели).

Самым распространенным видом электродвигателей является трехфазный короткозамкнутый асинхронный двигатель принцип устройства которого представлен на рис. 1, роторная обмотка этого двигателя представляет собой систему массивных медных или алюминиевых стержней, размещенных параллельно друг другу в пазах ротора концы которых соединены между собой короткозамкнутыми кольцами.

Рис. 1. Принцип устройства короткозамкнутого асинхронного двигателя.
1- статор, 2 – ротор, 3 - вал, 4 - корпус

В случае применения алюминия вся обмотка (беличья клетка) обычно формируется путем литья под давлением. Вращающееся магнитное поле статора индуцирует в обмотке ротора ток, взаимодействие которого с магнитным полем статора приводит ротор во вращение. Скорость вращения ротора при этом всегда меньше чем магнитного поля статора и ее относительную разность со скоростью вращения магнитного поля статора (с синхронией скоростью) называют скольжением. Эта величина зависит от нагрузки на валу двигателя и составляет при полной нагрузке обычно 3… 5%. Для ступенчатого регулирования скорости может использоваться статорная обмотка с переключаемым числом полюсов по такому принципу могут выполняться, например, двух трех и четырехскоростные асинхронные двигатели. Для плавного регулирования скорости обычно осуществляется питание двигателя через регулируемый преобразователь частоты.

Для главного регулирования скорости асинхронного двигателя ниже номинальной ранее вместо короткозамкнутых двигателе использовались двигатели с фазным ротором, у которых роторная обмотка имеет такое же трехфазное исполнение как и статорная. Такая обмотка соединяется через контактные кольца, расположенные на валу двигателя с регулировочным реостатом где часть энергии потребляемой двигателем, превращается в тепло. Регулирование происходит, следовательно, за счет снижения КПД двигателя и в настоящее время применяется редко.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели характеризуются своей компактностью и высокой надежностью, а также намного большим сроком службы, чем двигатели внутреннего сгорания. По размерам они обычно меньше и по массе легче, чем двигатели внутреннего сгорания той же мощности. Они могут изготовляться в очень большом диапазоне номинальных мощностей от нескольких ватт до нескольких десятков мегаватт. Двигатели малой мощности (до нескольких сотен ватт могут быть и однофазными.

Синхронные двигатели устроены так же, как и синхронные генераторы. При неизменной сетевой частоте они вращаются с постоянной скоростью не зависимо от нагрузки. Их преимуществом перед асинхронными двигателями считается то, что они не потребляют из сети реактивную энергию, а могут отдавать ее в сеть покрывая этим потребление реактивной энергии другими электроприемниками. Синхронные двигатели не подходят для частых пусков и применяются, главным образом, при относительно стабильной механической нагрузке и тогда, когда требуется постоянная скорость вращения.

Двигатели постоянного тока используются при необходимости плавного регулирования скорости. Это достигается путем изменения тока якоря и/или возбуждения при помощи полупроводниковых устройств (раньше - с помощью регулировочных реостатов) или путем изменения напряжения питания. Так как в настоящее время легко и без существенного изменения КПД (при помощи преобразователей частоты) осуществляется и плавное регулирование скорости двигателей переменного тока, то двигатели постоянного тока, из-за их большей стоимости, больших размеров и дополнительных потерь, возникающих при регулировании, стали применяться значительно реже, чем раньше.
Шаговые двигатели приводят в движение при помощи импульсов напряжения. При каждом импульсе ротор двигателя поворачивается на определенный угол (например, на несколько градусов). Такие двигатели используются в тихоходных механизмах, требующих обычно еще точного позиционирования. Могут изготовляться, например, двигатели, совершающие один обо рот за сутки или даже за год.

Линейные двигатели используются для линейного движения, когда преобразование вращающегося движения в линейное при помощи механических передач или других устройств невозможно или неприемлемо. Наиболее часто применяются асинхронные линейные двигатели, но существуют также синхронные и шаговые линейные двигатели и даже двигатели постоянного тока.

Основными преимуществами электрических двигателей перед двигателями внутреннего сгорания могут считаться
- меньшие размеры, меньшая масса и меньшая стоимость,
- намного более высокий КПД (обычно 90 ..95%),
- лучшая регулируемость (обычно с сохранением высокого КПД),
- высокая надежность и долгий срок службы,
- меньший шум и меньшая вибрация при работе,
- быстрый и беспроблемный (при необходимости - плавный) пуск,
- намного более простая эксплуатация,
- отсутствие потребления топлива и, как результат, отсутствие выбросов продуктов сгорания в окружающую среду,
- легкое присоединение к любым рабочим машинам и механизмам.
Применение электродвигателей может оказаться проблемным в случае, когда они должны размещаться на переносных и передвижных устройствах или на транспортных средствах. Для электропитания в таких случаях могут применяться, в зависимости от дальности и характера передвижения,
- гибкие кабели,
- контактные провода или контактные шины,
- размещаемые на передвижных средствах источники питания (аккумуляторы, топливные элементы, двигатель-генераторы и т. п.).

Во многих случаях эти способы питания ограничивают маневренность или дальность пробега транспортных средств (особенно автомобилей) или других передвижных машин в такой степени что применение двигателей внутреннего сгорания остается более рациональным. Первый электродвигатель был не электромагнитным, а электростатическим и его изготовил в 1748 году издатель и общественный деятель города Филадельфия (Philadelphia, США) Бенджамин Франклин (Benjamin Franklin, 1706-1790). Ротор этого двигателя представлял собой зубчатый диск, на зубья которого действовали импульсные силы притяжения и отталкивания, вызываемые электростатическими разрядами, диск совершал 12...15 оборотов в минуту и мог нести до 100 серебряных монет. Первые электромагнитные двигатели (приборы, в которых либо проводник, через который протекал ток вращался вокруг стержневого магнита (рис. 2), совершая при этом работу - перемешивая ртуть, либо стержневой магнит вращался вокруг проводника с током, изобрел в 1821 году ассистент Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday).

Рис. 2. Принцип устройства опытного прибора Майкла Фарадея для демонстрации электрического вращения.
1 - вращающийся металлический стержень, 2 - стержневой магнит, 3 - стеклянный или фарфоровый сосуд, 4 - ртуть, 5 – уплотнение, i - ток

Первый (качающийся) двигатель, который, в принципе, можно было бы соединить с приводимой рабочей машиной, изготовил в 1831 году учитель математики и природоведения школы мальчиков города Албани (Albany, США) Джозеф Генри (Joseph Henry, 1797-1878); принцип устройства этого двигателя представлен на рис. 3.

Рис. 3. Принцип устройства качающегося электродвигателя Джозефа Генри.
1 - постоянные магниты, 2 - качающийся электромагнит, 3 - вал, 4 - ртутные контакты.

После двигателя Генри было создано еще несколько различных опытных электродвигателей возвратно-поступательного движения. Первый вращающийся электродвигатель создал с целью реального применения 8 апреля 1834 года инспектор порта Пиллау rPiilau, Восточная Пруссия), инженер-строитель Мориц Герман Яко6и (Moritz Hermann Jacobi. 1801-1874), изучавший самостоятельно электротехнику в библиотеке и в лабораториях Кенигсбергского университета. Восьмиполюсный двигатель, у которого как статор, так и ротор состояли из четырех подковообразных электромагнитов и который совершал 80… 120 оборотов в минуту, получал питание из батареи гальванических элементов напряжением 6V. Мощность его на валу была приблизительно 15 W а КПД - около 13%. Якоби исследовал и совершенствовал свои двигатель, между прочим, в Тартуском университете, профессором гражданской архитектуры которого он был избран в 1835 году.

Мориц Герман (позже, в России - Борис Семенович) Якоби родился в 1801 году в Потсдаме (Potsdam, Германия) в зажиточной семье и получил хорошее домашнее образование; уже в юношестве он одинаково свободно владел немецким, английским и французским языками и отлично знал также латынь и древнегреческий язык. В 1828 году он окончил Геттингенский университет (Gottingen Германия) с квалификацией архитектора, работал затем на строительстве дорог, а в 1833 году переехал в Кенигсберг, где его младший брат Карл Густав Яков Якоби (Carl Gustav Jacob Jacobi, 1804-1851) был профессором математики. Он стал работать инспектором порта Пиллау и посещать Кенигсбергский университет для приобретения знаний по электротехнике. В 1834 году он построил вышеупомянутый двигатель, а в 1835 году, по инициативе профессора астрономии Тартуского университета Фридриха Георга Вильгельма Струве (Friedrich Georg Wilhelm Struve, 1793-1864) он был избран профессором гражданской архитектуры этого университета. Его двигатель вызвал интерес в Петербурге, и в 1837 году Якоби был прикомандирован к столичной Академии Наук для разработки электропривода военных кораблей, оставаясь до 1840 года официально на службе в Тартуском университете. В 1838 году Якоби испытал на Неве первый в мире электропривод с вращающимся двигателем (установленный на морском боте), но дальнейшие исследования показали, что для электропитания привода, к сожалению, нет технически и экономически пригодного источника энергии.

В 1839 году Якоби был избран членом-корреспондентом, а в 1842 году - членом Академии Наук и в дальнейшем занимался, в основном, развитием электромагнитного телеграфа, гальванотехники и метрологии. Неоднократно он встречался с Майклом Фарадеем, известными французскими и немецкими физиками того времени.

В середине 19-го века было разработано еще несколько разновидностей двигателей постоянного тока, но их практическому применению воспрепятствовали малая мощность и, как установил уже Якоби, недостаточная экономическая эффективность источников электропитания того времени - гальванических элементов и примитивных электромашинных генераторов. Более широко применение электродвигателей стало возможным только в 1866 году после появления генераторов постоянного тока с самовозбуждением.

После появления многофазной системы переменного тока немецкая фирма АЭГ стала исследовать возможности использования асинхронных двигателей, изобретенных ее главным инженером Михаилом Доливо-Добровольским (на немецкий лад Michael von Dolivo-Dobrowolsky) и представил 8 марта 1889 заявление на патентование короткозамкнутого асинхронного двигателя. После этого началось широкое применение надежных и высокоэффективных двигателей переменного тока. В настоящее время все вышеназванные электродвигатели достигли очень высокого технического уровня и находят широчайшее применение в стационарных установках, а в последнее время все чаще и в средствах передвижения.

При помощи электродвигателей переменного тока происходит конвертация электроэнергии в механическую. Бывают моторы переменного и постоянного тока. У них есть много отличий, особенно в конструкции. В промышленности большое распространение получили электродвигатели, работающие на переменном токе. Их можно встретить как в бытовых приборах, так и в промышленности. Они встречаются везде — в стиральных машинах, автомобилях, перфораторах, болгарках, производственных станках.

Как работает электродвигатель?

Функционирование электромоторов напрямую зависит от законов Ампера и электромагнитной индукции Фарадея. Закон Фарадея гласит, что на замкнутых проводниках, которые расположены в магнитном поле, генерируется ЭДС. В моторах поле создается обмотками статора, именно по ним проходит переменный электрический ток. Трехфазные электрические двигатели переменного тока работают именно по этим законам.

Закон Ампера описывает вращение ротора внутри статора. Когда по проводнику протекает электрический заряд, при условии, что воздействует магнитное поле, появляется электродвижущая сила. Причём эта движущая сила направлена перпендикулярно силовым линиям поля. При этом ротор, установленный по центру двигателя на подшипниках, начинает вращаться.

Асинхронный двигатель

В промышленности огромную популярность завоевали асинхронные электродвигатели переменного тока. Они очень неприхотливые, отдают высокую мощность, надежны. Устройство электродвигателя переменного тока асинхронного типа состоит из нескольких частей:

1. Неподвижная часть — статор, имеет цилиндрическую форму. Выполнен из стальных листов с пазами, в которые укладываются обмотки. Оси обмоток расположены под углом 120 градусов друг к другу. Все края обмоток выводятся в коробку, расположенную сверху мотора. Всего шесть выводов, которые можно соединить по схеме «звезда» или «треугольник». Зависит от того, какие параметры у электропривода.
2. Чаще всего используется короткозамкнутый ротор. Конструкция его называется «беличья клетка» за внешнее сходство. В ней имеется несколько стержней из меди или алюминия, которые коротко замкнуты при помощи металлических колец на торцах.
3. Фазный ротор немного иной конструкции. На нем укладывается три обмотки, напоминающие те, которые расположены в статоре. Края всех обмоток выводятся в коробку, где производится их соединение. При помощи фазного ротора можно добавить в цепь питания обмотки резистор, способный менять сопротивление. Это позволяет уменьшить силу тока при запуске.

Обязательно на асинхронном электродвигателе устанавливается крыльчатка, которая позволяет охлаждать обмотки, две крышки, подшипники, коробка, вал.

Как работает асинхронник?

Функционирует асинхронный электрический двигатель по законам электромагнитной индукции. ЭДС возникает в том случае, когда у магнитного поля обмоток статора и ротора разная скорость вращения. В случае, если эти параметры были бы одинаковы, электродвижущая сила не смогла бы сгенерироваться. Но так как на ротор воздействуют тормозящие факторы, например, трение и нагрузка со стороны подшипников, то всегда будут благоприятные условия для работы устройства.

Синхронные электродвигатели

Однофазные электродвигатели переменного тока синхронного типа получили широкое распространение. Конструкция у таких моторов немного отличается от рассмотренной выше. В них ротор вращается с такой же скоростью, с какой движется магнитное поле обмоток статора. А на якоре имеются обмотки, соединенные с коллектором. Конструкция контактных площадок выполнена так, что в один момент времени питание подается при помощи графитовых щеток только на пару противоположных ламелей.

Следовательно, запитана только одна обмотка на роторе. Подобные коллекторные электродвигатели переменного тока получили широкое распространение в бытовой технике. Например, в электроинструментах, стиральных машинах, двигателях привода компрессоров кондиционеров или холодильников.

Как работает синхронный электродвигатель?

Всего можно выделить несколько этапов работы асинхронного электродвигателя:

1. Возникновение вращающего момента происходит, как только начинают взаимодействовать магнитный поток в статоре и электрический ток в роторе.
2. Магнитный поток изменяет направление своего движения. Причём происходит это одновременно с реверсом тока. При помощи такого поведения получается сохранить вращение ротора в одном направлении.
3. Чтобы добиться необходимой частоты вращения ротора, достаточно произвести регулировку питающего напряжения. Во многих бытовых приборах используется для этой цели простой реостат, который изменяет свое сопротивление.

Конструкция синхронного двигателя весьма ненадежная, так как очень часто изнашиваются графитовые щетки, либо ослабляются их пружины. При разрушении подшипников на валу появляется характерный неприятный звук. Со временем загрязняются ламели на коллекторе. Их можно очистить при помощи наждачной бумаги или спиртосодержащими растворами.

Особенности диагностики синхронных двигателей

Чтобы осуществить проверку электродвигателя, необходимо полностью обесточить инструмент и разобрать его. Если имелось короткое замыкание, то внутри изоляционный материал начнёт оплавляться, и появится неприятный запах. Поэтому первым делом необходимо понюхать ротор. Если нет признаков поломки, то проверьте на якоре состояние ламелей. Делается это при помощи мультиметра.

Переключаете его в режим измерения сопротивления с порогом 200 Ом. Прозвоните все соседние ламели. Если сопротивление меняется, то это говорит о том, что внутри катушки имеется поломка. Вместо мультиметра можно использовать простую лампу накаливания. Для этого необходимо подключить электродвигатель к источнику питания 12 Вольт, в разрыв установить лампу накаливания. Вращая вал рукой, необходимо посмотреть на поведение лампы.

В случае если лампа начинает моргать, это говорит о наличии межвиткового замыкания. Если же она совсем не горит, то имеется обрыв в цепи питания, либо неисправна одна из ламелей. Чтобы проводить ремонт, необходимо заменить обмотку и установить новую изоляцию. Только в этом случае двигатель не перегорит. Обязательно после ремонта проведите испытание электродвигателя переменного тока. Для увеличения ресурса мотора обязательно нужно проводить перемотку ротора каждые два года.

Преимущества и недостатки моторов, работающих на переменном токе

Большую популярность приобрели трехфазные электродвигатели переменного тока асинхронного типа. В промышленности их доля составляет более 95%. Но у них имеется недостаток — изменение частоты вращения можно производить только лишь путем регулировки частоты электрического тока. Для этого используются частотные преобразователи, стоимость которых довольно высокая. При изменении частоты вращения снижается, причем существенно, мощность электродвигателя. У асинхронников очень высокий пусковой ток, а момент при старте крайне низкий. Но можно также применять редукторы, чем-то похожие на автоматическую коробку передач, используемую в автомобилях.

У синхронных моторов имеется один большой недостаток — это его конструкция. Щетки из графита очень быстро разрушаются под действием нагрузки, в результате чего теряется контакт. У них также могут выходить из строя подшипники, разрушаться обмотки, а их вдвое больше, нежели у асинхронных машин. Запустить синхронную машину намного сложнее, нежели асинхронную. Поэтому в промышленности они большого распространения не получили. Да и асинхронник способен дольше работать под большими нагрузками, не испытывая "дискомфорт".

Подключение к трехфазной сети питания

Всего имеется две схемы, по которым соединяются обмотки трехфазных электрических двигателей:

1. "Звезда" — крайне низкие пусковые токи, но добиться высокой мощности в этом случае вряд ли получится.
2. "Треугольник" — пусковой ток очень высокий, поэтому использование такой схемы рекомендуется при работе в устоявшемся режиме.

Подключить асинхронный двигатель к сети переменного тока с трехфазным напряжением очень просто.

Для этого в клеммной коробке необходимо соединить шесть выводов обмоток. Но если вы произведете подключение неверно, то обмотки расплавятся. Потребуется проводить ремонт электрической машины. Синхронные машины намного сложнее подключить, так как необходимо правильно соединить обмотки ротора из статора.

Подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть

Для того чтобы произвести подключение трехфазного асинхронного двигателя в бытовую сеть, лучше всего воспользоваться конденсаторами. С их помощью можно произвести сдвиг по фазе питающего напряжения. Таким образом, вы получите третью дополнительную фазу, необходимую для запуска и работы электродвигателя. Если нужно запускать мотор мощностью до 1,5 кВт, то достаточно применять один рабочий конденсатор. Если же мощность свыше 1,5 кВт, то параллельно ему потребуется включать еще один посредством выключателя. Он должен работать только несколько секунд, пока двигатель не запустится. Так запускаются электродвигатели переменного тока 220В и 380В от бытовой сети.

Наиболее характерное магнитное явление - притяжение магнитом кусков железа - известно со времен глубокой древности. Ещё одной очень важной особенностью магнитов является наличие у них полюсов: северного (отрицательного) и южного (положительного). Противоположные полюса притягиваются, а одинаковые - отталкиваются друг от друга.

Магнитное поле

Магнитное поле можно условно изобразить линиями в виде магнитного потока, движущегося от северного полюса к южному. В некоторых случаях определить, где северный, а где южный полюс, достаточно сложно.

Электромагнетизм

Вокруг проводника, при пропускании по нему электрического тока, создаётся магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Физические законы одинаковы для магнетизма и электромагнетизма.

Магнитное поле вокруг проводников можно усилить, если намотать их на катушку со стальным сердечником. Когда проводник намотан на катушку, все линии магнитного потока, образуемого каждым витком, сливаются и создают единое магнитное поле вокруг катушки.

Чем больше витков на катушке, тем сильнее магнитное поле. Это поле имеет такие же характеристики, что и естественное магнитное поле, а, следовательно, у него тоже есть северный и южный полюса.

Вращение вала электродвигателя обусловлено действием магнитного поля. Основные части электродвигателя: статор и ротор.

Ротор:

Подвижная часть электродвигателя, которая вращается с валом электродвигателя, двигаясь вместе с магнитным полем статора.

Неподвижный компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Вращение под действием магнитного поля

Преимуществом магнитных полей, которые создаются токопроводящими катушками, является возможность менять местами полюса магнита посредством изменения направления тока. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую.

Одинаковые полюса магнитов отталкиваются друг от друга, противоположные полюса - притягиваются. Можно сказать, что это свойство используется для создания непрерывного движения ротора с помощью постоянной смены полярности статора. Ротором здесь, является магнит, который может вращаться.

Чередование полюсов с помощью переменного тока

Чередование полюсов с помощью переменного тока

Полярность постоянно меняется с помощью переменного тока (AC). Далее мы увидим, как ротор заменяется магнитом, который вращается под действием индукции. Здесь важную роль играет переменный ток, поэтому будет полезно привести здесь краткую информацию о нём:

Переменный ток - AC

Под переменным током понимается электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью трёхфазного питания. Это означает, что статор подсоединяется к источнику переменного тока с тремя фазами. Полный цикл определяется как цикл в 360 градусов. Это значит, что каждая фаза расположена по отношению к другой под углом в 120 градусов. Фазы изображаются в виде синусоидальных кривых, как представлено на рисунке.

Трёхфазный переменный ток

Трёхфазное питание - это непрерывный ряд перекрывающихся напряжений переменного тока (AC).

На следующих страницах объясняется, как взаимодействуют ротор и статор, заставляя электродвигатель вращаться.

Для наглядности мы заменили ротор вращающимся магнитом, а статор - катушками. В правой части страницы приведено изображение двухполюсного трёхфазного электродвигателя. Фазы соединены парами: 1-й фазе соответствуют катушки A1 и A2, 2-й фазе - B1 и B2 , а 3-й соответствуют C1 и C2. При подаче тока на катушки статора одна из них становится северным полюсом, другая - южным. Таким образом, если A1 - северный полюс, то A2 - южный.

Питание в сети переменного тока

Обмотки фаз A, B и C расположены по отношению друг к другу под углом в 120 градусов.

Количество полюсов электродвигателя определяется количеством пересечений поля обмотки полем ротора. В данном случае каждая обмотка пересекается дважды, что означает, что перед нами двухполюсный статор. Таким образом, если бы каждая обмотка появлялась четыре раза, это был бы четырехполюсный статор и т.д.

Когда на обмотки фаз подаётся электрический ток, вал электродвигателя начинает вращаться со скоростью, обусловленной числом полюсов (чем меньше полюсов, тем ниже скорость)

Вращение ротора

Ниже рассказывается о физическом принципе работы электродвигателя (как ротор вращается внутри статора). Для наглядности, заменим ротор магнитом. Все изменения в магнитном поле происходят очень быстро, поэтому нам необходимо разбить весь процесс на этапы. При прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора в нем создается магнитное поле, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля.

Начав вращение, магнит будет следовать за меняющимся магнитным полем статора. Поле статора меняется таким образом, чтобы поддерживалось вращение в одном направлении.

Индукция

Ранее мы установили, как обыкновенный магнит вращается в статоре. В электродвигателях переменного тока AC установлены роторы, а не магниты. Наша модель очень схожа с настоящим ротором, за исключением того, что под действием магнитного поля ротор поляризуется. Это вызвано магнитной индукцией, благодаря которой в проводниках ротора наводится электрический ток.

Индукция

В основном ротор работает так же, как магнит. Когда электродвигатель включен, ток проходит по обмотке статора и создаёт электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Таким образом, в обмотках ротора индуцируется ток, который затем создаёт вокруг ротора электромагнитное поле и поляризацию ротора.

В предыдущем разделе, чтобы было проще объяснить принцип действия ротора, заменив его для наглядности магнитом. Теперь заменим магнитом статор. Индукция - это явление, которое наблюдается при перемещении проводника в магнитном поле. Относительное движение проводника в магнитном поле приводит к появлению в проводнике так называемого индуцированного электрического тока. Этот индуцированный ток создаёт магнитное поле вокруг каждой обмотки проводника ротора. Так как трёхфазное AC питание заставляет магнитное поле статора вращаться, индуцированное магнитное поле ротора будет следовать за этим вращением. Таким образом вал электродвигателя будет вращаться. Электродвигатели переменного тока часто называют индукционными электродвигателями переменного тока, или ИЭ (индукционными электродвигателями).

Принцип действия электродвигателей

Индукционные электродвигатели состоят из ротора и статора.

Токи в обмотках статора создаются фазовым напряжением, которое приводит в движение индукционный электродвигатель. Эти токи создают вращающееся магнитное поле, которое также называется полем статора. Вращающееся магнитное поле статора определяется токами в обмотках и количеством фазных обмоток.

Вращающееся магнитное поле формирует магнитный поток. Вращающееся магнитное поле пропорционально электрическому напряжению, а магнитный поток пропорционален электрическому току.

Вращающееся магнитное поле статора движется быстрее ротора, что способствует индукции токов в обмотках проводников роторов, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставляет ротор вращаться. Принципы действия индукционного электродвигателя представлены на иллюстрациях справа.

Таким образом, ротор и статор являются наиболее важными составляющими индукционного электродвигателя переменного тока. Они проектируются с помощью САПР (системы автоматизированного проектирования). Далее мы подробнее поговорим о конструкции ротора и статора.

Статор элетродвигателя

Статор - это неподвижный электрический компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых всё время меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Все статоры устанавливаются в раму или корпус. Корпус статора электродвигателей Grundfos для электродвигателей мощностью до 22 кВт чаще всего изготавливается из алюминия, а для электродвигателей с большей мощностью - из чугуна. Сам статор устанавливается в кожухе статора. Он состоит из тонких пластин электротехнической стали, обмотанных изолированным проводом. Сердечник состоит из сотен таких пластин. При подаче питания переменный ток проходит по обмоткам, создавая электромагнитное поле, перпендикулярное проводникам ротора. Переменный ток (AC) вызывает вращение магнитного поля.

Изоляция статора должна соответствовать требованиям IEC 62114, где приведены различные классы защиты (по уровням температуры) и изменения температуры (AT). Электродвигатели Grundfos имеют класс защиты F, а при увеличении температуры - класс B. Grundfos производит 2-полюсные электродвигатели мощностью до 11 кВт и 4-полюсные электродвигатели мощностью до 5,5 кВт. Более мощные электродвигатели Grundfos закупает у других компаний, уровень качества продукции которых соответствует принятым в Grundfos стандартам. Для насосов, в основном, используются статоры с двумя, четырьмя и шестью полюсами, так как частота вращения вала электродвигателя определяет давление и расход насоса. Можно изготовить статор для работы с различными напряжениями, частотами и мощностями на выходе, а также для переменного количества полюсов.

Ротор элетродвигателя

В электродвигателях используются так называемые «беличьи колеса» (короткозамкнутые роторы), конструкция которых напоминает барабаны для белок.

При вращении статора магнитное поле движется перпендикулярно обмоткам проводников ротора; появляется ток. Этот ток циркулирует по обмоткам проводников и создаёт магнитные поля вокруг каждого проводника ротора. Так как магнитное поле в статоре постоянно меняется, меняется и поле в роторе. Это взаимодействие и вызывает движение ротора. Как и статор, ротор изготовлен из пластин электротехнической стали. Но, в отличие от статора, с обмотками из медной проволоки, обмотки ротора выполнены из литого алюминия или силумина, которые выполняют роль проводников.

Асинхронные электродвигатели

В предыдущих разделах мы разобрали, почему электродвигатели переменного тока называют также индукционными электродвигателями, или электродвигателями типа «беличье колесо». Далее объясним, почему их ещё называют асинхронными электродвигателями. В данном случае во внимание принимается соотношение между количеством полюсов и числом оборотов, сделанных ротором электродвигателя.

Частоту вращения магнитного поля принято считать синхронной частотой вращения (Ns). Синхронную частоту вращения можно рассчитать следующим образом: частота сети (F), умноженная на 120 и разделенная на число полюсов (P).

Если, например, частота сети 50 Гц, то синхронная частота вращения для 2-полюсного электродвигателя равна 3000 мин-1.

Синхронная частота вращения уменьшается с увеличением числа полюсов. В таблице, приведенной ниже, показана синхронная частота вращения для различного количества полюсов.

Скольжение элетродвигателя

Теперь мы уже знаем, что электродвигатели переменного тока называют асинхронными, потому что движущееся поле ротора отстает от поля статора.

В электродвигателях переменного тока вращающий момент возникает в результате взаимодействия между ротором и вращающимся магнитным полем статора. Магнитное поле обмоток ротора будет стремиться к тому, чтобы приблизиться к магнитному полю статора, как это было описано раньше. Во время работы частота вращения ротора всегда ниже частоты вращения магнитного поля статора. Таким образом, магнитное поле ротора может пересекать магнитное поле статора и создавать вращающий момент. Эта разница в частоте вращения полей ротора и статора называется скольжением и измеряется в %. Скольжение необходимо для создания вращающего момента. Чем больше нагрузка, а, следовательно, и вращающий момент, тем больше скольжение.