На чем основывается принцип работы электрического двигателя. Электродвигатель принципы работы. Виды ЭД

Здравствуйте, дорогие читатели. В этой статье мы вам расскажем, про электродвигатель, про его устройство и принцип действия. И так, электродвигатели – это устройства, в которых электрическая энергия превращается в механическую. В основе принципа их действия лежит явление электромагнитной индукции. Однако способы взаимодействия магнитных полей, заставляющих вращаться ротор двигателя, существенно различаются в зависимости от типа питающего напряжения – переменного или постоянного.

Устройство и принцип действия электродвигателя постоянного тока

В основе принципа работы электродвигателя постоянного тока лежит эффект отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов и притягивания разноименных. Приоритет ее изобретения принадлежит русскому инженеру Б. С. Якоби. Первая промышленная модель двигателя постоянного тока была создана в 1838 году. С тех пор его конструкция не претерпела кардинальных изменений.

В двигателях постоянного тока небольшой мощности один из магнитов является физически существующим. Он закреплен непосредственно на корпусе машины. Второй создается в обмотке якоря после подключения к ней источника постоянного тока. Для этого используется специальное устройство – коллекторно-щеточный узел. Сам коллектор – это токопроводящее кольцо, закрепленное на валу двигателя. К нему подключены концы обмотки якоря.

Электродвигатель постоянного тока

Чтобы возник вращающий момент, необходимо непрерывно менять местами полюса постоянного магнита якоря. Происходить это должно в момент пересечения полюсом так называемой магнитной нейтрали. Конструктивно такая задача решается разделением кольца коллектора на секторы, разделенные диэлектрическими пластинами. Концы обмоток якоря присоединяются к ним поочередно.

Чтобы соединить коллектор с питающей сетью используются так называемые щетки – графитовые стержни, имеющие высокую электрическую проводимость и малый коэффициент трения скольжения.

В двигателях большой мощности физически существующих магнитов не используют из-за их большого веса. Для создания постоянного магнитного поля статора используется несколько металлических стержней, каждый из которых имеет собственную обмотку из проводника, подключенного к плюсовой или минусовой питающей шине. Одноименные полюса включаются последовательно друг другу.

Количество пар полюсов на корпусе двигателя может быть равно одной или четырем. Число токосъемных щеток на коллекторе якоря должно ему соответствовать.

Электродвигатель большой мощности имеют ряд конструктивных хитростей. Например, после запуска двигателя и с изменением нагрузки на него, узел токосъемных щеток сдвигается на определенный угол против вращения вала. Так компенсируется эффект «реакции якоря», ведущий к торможению вала и снижению эффективности электрической машины.

Также существует три схемы подключения двигателя постоянного тока:

Параллельное возбуждение – это когда параллельно обмотке якоря включается еще одна независимая, обычно регулируемая (реостат).

Такой способ подключения позволяет очень плавно регулировать скорость вращения и достигать ее максимальной стабильности. Его используют для питания электродвигателей станков и кранового оборудования.

Последовательная – в цепь питания якоря дополнительная обмотка включена последовательно. Такой тип подключения используется для того, чтобы в нужный момент резко нарастить вращающее усилие двигателя. Например, при трогании с места железнодорожных составов.

Двигатели постоянного тока имеют возможность плавной регулировки частоты вращения, поэтому их применяют в качестве тяговых на электротранспорте и грузоподъемном оборудовании.

Двигатели переменного тока - в чем отличие?

Устройство и принцип работы электродвигателя переменного тока для создания крутящего момента предусматривают использование вращающегося магнитного поля. Их изобретателем считается русский инженер М.О. Доливо-Добровольский, создавший в 1890 году первый промышленный образец двигателя и являющийся основоположником теории и техники трехфазного переменного тока.

Вращающееся магнитное поле возникает в трех обмотках статора двигателя сразу, как только они подключаются к цепи питающего напряжения. Ротор такого электромотора в традиционном исполнении не имеет никаких обмоток и представляет собой, грубо говоря, кусок железа, чем-то напоминающий беличье колесо.

Магнитное поле статора провоцирует возникновение в роторе тока, причем очень большого, ведь это короткозамкнутая конструкция. Этот ток вызывает возникновение собственного поля якоря, которое «сцепляется» с вихревым магнитным потом статора и заставляет вращаться вал двигателя в том же направлении.

Магнитное поле якоря имеет ту же скорость, что и статора, но отстает от него по фазе примерно на 8–100. Именно поэтому двигатели переменного тока называются асинхронными.

Принцип действия электродвигателя переменного тока с традиционным, короткозамкнутым ротором, имеет очень большие пусковые токи. Вероятно, многие из вас это замечали – при пуске двигателей лампы накаливания меняют яркость свечения. Поэтому в электрических машинах большой мощности применяется фазный ротор – на нем уложены три обмотки, соединенные «звездой».

Обмотки якоря не подключены к питающей сети, а посредством коллекторно-щеточного узла соединены с пусковым реостатом. Процесс включения такого двигателя состоит из соединения с питающей сетью и постепенного уменьшения до нуля активного сопротивления в цепи якоря. Электромотор включается плавно и без перегрузок.

Особенности использования асинхронных двигателей в однофазной цепи

Несмотря на то, что вращающееся магнитное поле статора проще всего получить от трехфазного напряжения, принцип действия асинхронного электродвигателя позволяет ему работать и от однофазной, бытовой сети, если в их конструкцию будут внесены некоторые изменения.

Для этого на статоре должно быть две обмотки, одна из которой является «пусковой». Ток в ней сдвигается по фазе на 90° за счет включения в цепь реактивной нагрузки. Чаще всего для этого используется конденсатор.

Запитать от бытовой розетки можно и промышленный трехфазный двигатель. Для этого в его клеммной коробке две обмотки соединяются в одну, и в эту цепь включается конденсатор. Исходя из принципа работы асинхронных электродвигателей, запитанных от однофазной цепи, следует указать, что они имеют меньший КПД и очень чувствительны к перегрузкам.

Электродвигатель этого типа легко запускается, но частоту его вращения практически невозможно регулировать.

Они чувствительны к перепадам напряжения, а при «недогрузе» снижают коэффициент полезного действия, становясь источником непропорционально больших затрат электроэнергии. При этом существуют методы использования асинхронного двигателя как генератора.

Универсальные коллекторные двигатели - принцип работы и характеристики

В бытовых электроинструментах малой мощности, от которых требуются малые пусковые токи, большой вращающий момент, высокая частота вращения и возможность ее плавной регулировки, используются так называемые универсальные коллекторные двигатели. По своей конструкции они аналогичны двигателям постоянного тока с последовательным возбуждением.

В таких двигателях магнитное поле статора создается за счет питающего напряжения. Только немного изменена конструкция магнитопроводов – она не литая, а наборная, что позволяет уменьшать перемагничивание и нагрев токами Фуко. Последовательно включенная в цепь якоря индуктивность дает возможность менять направление магнитного поля статора и якоря в одном направлении и в той же фазе.

Практически полная синхронность магнитных полей позволяет двигателю набирать обороты даже при значительных нагрузках на валу, что и требуется для работы дрелей, перфораторов, пылесосов, «болгарок» или полотерных машин.

Если в питающую цепь такого двигателя включен регулируемый трансформатор, то частоту его вращения можно плавно менять. А вот направление, при питании от цепи переменного тока, изменить не удастся никогда.

Такие электромоторы способны развивать очень высокие обороты, компактны и имеют больший вращающий момент. Однако наличие коллекторно-щеточного узла снижает их моторесурс – графитовые щетки достаточно быстро истираются на высоких оборотах, особенно если коллектор имеет механические повреждения.

Электродвигатель имеет самый большой КПД (более 80 %) из всех устройств, созданных человеком. Их изобретение в конце XIX века вполне можно считать качественным цивилизационным скачком, ведь без них невозможно представить жизнь современного общества, основанного на высоких технологиях, а чего-либо более эффективного пока еще не придумано.

Электродвигатель работает на физических принципах, открытых Майклом Фарадеем в далеком 1821 году. Он сделал важное открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и постоянного магнита появляется непрерывное вращение.

Таким образом, разместив в однородном магнитном поле в вертикальном положении токопроводящую рамку и пропустить по ней электрический ток, тогда вокруг проводника будет образовываться электромагнитное поле, которое начнет взаимодействовать с полюсами постоянных магнитов. От одного из них рамка будет отталкиваться, а к другому, наооборот притягиваться. В результате рамка провернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевое воздействие магнитного поля на проводник с током. Для того что бы вращение снова продолжилось требуется добавить еще одну рамку под определенным углом или изменить направление протекающего в ней тока в нужный момент. На анимированном рисунке выше это сделано при помощи полуколец, к которым подведены контактные пластины от батарейки. Поэтому после совершения полуоборота в электрической цепи меняется полярность и вращение начнется снова. Подробней об этом вы можете почитать в статье ниже:

В настоящее время имеется довольно много электродвигателей разных типов и конструкций. Их можно условно разделить по типу электропитания :

Переменного тока , работают напрямую от электросети 220 или 380 Вольт.
Постоянного тока , работают от батареек, аккумуляторов, блоков питания или подобных источников постоянного тока.

Из названия следует, что особенностью данного рода ЭД является то, что они работают на переменном токе. Если при постоянном токе электрические частицы следуют только в одном направлении, и могут в определенный момент времени менять свою интенсивность (разность потенциалов или напряжение), то у переменного тока имеются другие характеристики - такие как частота, форма и длительность. Что повлияло на конструкцию и принцип действия электродвигателей переменного тока. В статье описаны основные аспекты работы ЭД переменного тока.

По принципу работы электродвигатели бывают:

Синхронные электродвигатели , в них имеется обмотка на роторе и щеточный механизм, на который поступает электрический ток. Асинхронные элетродвигатели . В них нет щеток и обмоток на роторе, а его принцип работы основан на принципах физического взаимодействия магнитного поля, появляющегося в статоре, с током, который это же поле создает в роторной обмотке.

Синхронный ЭД вращается всегда синхронно с магнитным полем, которое осуществляет его вращение, а у асинхронного мотора ротор вращается куда медленнее вращающегося магнитного поля в статоре.

Синхронный двигатель – это разновидность электродвигателей, только работающих от переменного напряжения, при этом частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля. Именно поэтому она остается постоянной вне зависимости от нагрузки, т.к ротор синхронного двигателя – это обычный электромагнит и его, количество пар полюсов совпадает с числом пар полюсов у вращающегося магнитного поля. Поэтому взаимодействие этих полюсов обеспечивает постоянство угловой скорости, с которой крутится ротор.

Работа асинхронного двигателя основана на принципах физического взаимодействия магнитного поля, появляющегося в статоре, с током, который это же поле генерирует в роторной обмотке.

Так имеется огромное разнобразие типов электродвигателей, поэтому и схем управления ими существует великое множество. Некоторые из них рассмотрены в этой статье.

Двигатели питающиеся от электричества работают обычно долго и надежно, но рано или поздно вы столкнетесь с проблемой их исправности. Для проверки электродвигателя и устранения неисправностей неплохо использовать различные самодельные приспособления и приборы, которые существенно сократят время на поиск и устранение неисправности.

Вентильные электродвигатели малой мощности для промышленных роботов - основы теории, конструкция и схемы вентильных ЭД постоянного тока. Дан анализ путей повышения их энергетических показателей и расширения функциональных возможностей. Подробные схемы датчиков положения ротора и частоты вращения с описанием их работы

Небольшая подборка учебных материалов и руководств связанная с теорией и практикой работы ЭД, а также советы и рекомендации по их ремонту

Выбор электродвигателей к производственным механизмам - Представлены характеристики различных типов ЭД для наиболее распространенных механизмов, а также методика и расчет их выбора для обеспечения заданной производительности, надежности и экономичности.

Ремонт электродвигателей Советы по выявлению и устранению неисправностей, организации и проведения ремонтов и испытаний ЭД различных типов

Аварийные режимы асинхронных электродвигателей и способы их защиты -Расказывется о работе АД при отключениях и несимметрии напряжения, питании от маломощных сетей, большой неравномерности нагрузки

Автоматическое измерение выходных параметров электродвигателей