Устройство и принцип работы электродвигателя

Устройство и принцип работы электродвигателя

Электродвигатель – устройство для преобразования электроэнергии во вращательное движение вращающейся части электрической машины. Преобразование энергии в двигателях происходит за счет взаимодействия магнитных полей обмоток статора и ротора. Эти электрические машины широко используются во всех отраслях промышленности, в качестве привода электротранспорта и инструментов, в системах автоматизации, бытовой техники и так далее.

Существует множество видов электродвигателей, различающихся по принципу действия, конструкции, исполнению и другим признакам. Рассмотрим основные типы этих электрических машин.

По принципу действия различают магнитоэлектрические и гистерезисные электрические машины. Несмотря на простоту конструкции, высокий пусковой момент, последние не получили широкого распространения. Эти электродвигатели имеют высокую цену, низкий коэффициент мощности, ограничивающие их применение. Подавляющее большинство выпускаемых электродвигателей – магнитоэлектрические.

По типу напряжения питания различают:

• Электродвигатели постоянного тока.
• Двигатели переменного тока.
• Универсальные электрические машины.

По конструкции различают электродвигатели с горизонтально и вертикально расположенным валом. Кроме того, электрические машины классифицируют по назначению, климатическому исполнению, степени защиты от попадания влаги и посторонних предметов, мощности и другим параметрам.

Двигатели постоянного тока

Электродвигатели, питание которых осуществляется постоянным током, особенно широкое применение нашли для оснащения всех видов электротранспорта.

Тяговый электродвигатель является основным элементом электротранспортного оборудования, к рабочей функции которого относится обеспечение движения подвижного состава.

Помимо электротранспорта, двигатели постоянного тока находят применение и в других сферах жизнедеятельности, как в промышленности, так и на бытовом уровне. Обладая при относительной простоте конструкции такими техническими особенностями, как высокий пусковой момент и возможность регулировки частоты вращения вала, электродвигатели постоянного тока на сегодняшний день являются достаточно актуальными и востребованы довольно широко.

Какие бывают типы электрических двигателей?

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

По неким мнениям данный двигатель возможно еще назвать синхронной машиной постоянного тока с самосинхронизацией. Простой движок, являющийся машиной постоянного тока, состоит из постоянного магнита на индукторе (статоре), 1-го электромагнита с очевидно выраженными полюсами на якоре (двухзубцового якоря с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой), щёточноколлекторного узла с 2-мя пластинами (ламелями) и 2-мя щётками.
Простой двигатель имеет 2 положения ротора (2 «мёртвые точки»), из которых неосуществим самозапуск, и неравномерный крутящий момент. В первом приближении магнитное поле полюсов статора равномерное (однородное).

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

По типу работы данные двигатели делятся на синхронные и асинхронные двигатели. Принципное отличие заключается в том, что в синхронных машинах 1-ая гармоника магнитодвижущей силы статора перемещается со скоростью вращения ротора (по этому сам ротор крутится со скоростью вращения магнитного поля в статоре), а у асинхронных — есть и остается разница меж скоростью вращения ротора и скоростью вращения магнитного поля в статоре (поле крутится быстрее ротора).

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

Однофазовый асинхронный движок имеет на статоре только 1 рабочую обмотку, на которую в ходе работы мотора подается переменный ток. Хотя для запуска мотора на его статоре есть и вспомогательная обмотка, которая краткосрочно подключается к сети через конденсатор либо индуктивность, или замыкается накоротко пусковыми контактами рубильника. Это нужно для создания исходного сдвига фаз, чтоб ротор начал крутиться, по другому пульсирующее магнитное поле статора не здвинуло б ротор с места.

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

Двухфазные асинхронные движки более эффективны при работе от однофазовой сети переменного тока. Они содержат на статоре две рабочие обмотки, находящиеся перпендикулярно, при этом одна из обмоток подключается к сети переменного тока напрямую, а вторая – через фазосдвигающий конденсатор, так выходит крутящееся магнитное поле, а вот без конденсатора ротор бы не двинулся с места.

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

Трехфазный асинхронный двигатель имеет на статоре три рабочие обмотки, сдвинутые сравнительно друг друга так, что при подключении в трехфазную сеть, их магнитные поля получаются смещенными в пространстве сравнительно друг дружку на 120 градусов. При включении трехфазного мотора к трехфазной сети переменного тока, появляется крутящееся магнитное поле, приводящее в перемещение короткозамкнутый ротор.

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

Трехфазный асинхронный движок с фазным ротором имеет статор подобный описанным выше типам движков, шихтованный магнитопровод с 3-мя уложенными в его пазы обмотками, но в фазный ротор не залиты дюралевые стержни, а уложена уже настоящая трехфазная обмотка, в соединении «звезда». Концы звезды обмотки фазного ротора выведены на три контактных кольца, насаженных на вал ротора, и электрически отделенных от него.

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.

Основные разновидности

Электрические двигатели обладают рядом очевидных достоинств. Они гораздо меньше по размеру, чем их тепловые аналоги идентичной мощности. Поэтому они отлично подходят для размещения в общественном электротранспорте или на заводских станках. Во время работы они не вредят окружающей среде выделением продуктов распада и паровыми испарениями.

Электрические двигатели можно разделить на две основных группы:

1. Двигатели постоянного тока. Применяются для регулируемых электроприводов с эксплуатационными показателями высокого качества, такими как готовность к перезагрузке и вращательная равномерность. Ими оснащают вспомогательные агрегаты экскаваторов, полимерного оборудования, бурильных станков. Электродвигатели массово применяются в электротранспорте. Преобразователи постоянного тока дополнительно подразделяются на коллекторные и вентильные.
2. Двигатели переменного тока. Являются более дешевыми и долговечными, с простым и надёжным конструкторским решением. Подавляющее большинство бытовой домашней техники укомплектовано этими электродвигателями. В промышленности они применяются в заводских станках, вентиляторах, компрессорах, насосах, лебёдках для поднятия и перемещения груза. По принципу работы эти механизмы делятся на синхронные и асинхронные.

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина — вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

Асинхронный электродвигатель

Cинхронный электродвигатель

Асинхронные двигатели

В асинхронных агрегатах весь процесс опирается на небольшую разницу в скорости между магнитными полями статора и ротора, вызывающую ток в обмотке ротора. Расчет мощности и предварительный выбор мотора производится по эквивалентному моменту сопротивления и частоте. Асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым и фазным ротором, как показано на структурной схеме.

Все основные параметры (обмотка, пазы статора) асинхронного мотора имеют соответствующие соотношения. Определиться с выбором техники помогают предварительный и проверочный расчёт основных параметров.

Однофазные асинхронные моторы бывают бытового назначения, потребляемая мощность их обычно невелика. К ним относятся:

• вентиляторы,
• кондиционеры,
• стиральные машины,
• компрессоры холодильников,
• водяные насосы.

Трехфазные асинхронные двигатели используются там, где необходимо большое количество электроэнергии, например, в стартерах, гидравлических насосах. Приводы переменного тока становятся все популярнее с каждым годом.

Электродвигатели переменного тока

Как мы уже говорили, электродвигатели переменного тока являются самыми востребованными. Их чаще можно встретить как в бытовых, так и в промышленных условиях. Они делятся на синхронные и асинхронные, бывают однофазными и трехфазными. Рассмотрим каждый тип более подробно.

Синхронные двигатели переменного тока

Начнем с синхронных устройств. Число оборотов в минуту их ротора равно частоте вращения МП. Это обеспечивает стабильную скорость двигателей данного типа. Применение довольно широко: компрессоры, насосы, генераторы, вентиляторы и т.д.

Особенности асинхронных электродвигателей

В асинхронных электродвигателях частота вращения магнитного поля не совпадает с количеством оборотов в минуту ротора. Существует два вида подобных моторов переменного тока: с короткозамкнутой подвижной частью и с фазной. В зависимости от типа электроцепи, асинхронные двигатели делятся на однофазные и трехфазные. Чем отличаются? Первые чаще используются в бытовых условиях, а вторые актуальны для промышленных объектов. Асинхронные электродвигатели АИР выпускаются в обоих исполнениях. Их ключевые достоинства:

• универсальность к эксплуатации;
• огромное разнообразие моделей;
• ремонтопригодность, надежность корпуса;
• небольшие габариты при высокой мощности;
• низкий уровень издаваемого шума;
• высокий КПД и длительный срок службы.

Выбирая однофазные или трехфазные асинхронные двигатели АИР, учитывайте особенности места их применения. Эти промышленные и бытовые агрегаты выпускаются в разных климатических исполнениях. Поэтому изучая их характеристики, обращайте внимание не только на мощность и число оборотов.

Однофазные и трехфазные, синхронные и асинхронные, АИР или других серий — электродвигатели применяются в бытовой и промышленной сфере, где облегчают труд человека и решают задачи, которые без них невыполнимы.