Электродвигатели – очень распространённые и полезные агрегаты, осуществляющие преобразование электрической энергии в механическую, которая в дальнейшем используется для передачи усилия различным рабочим агрегатам. Существует несколько видов электрических двигателей, которые имеют различия в конструкции и принципе действия, а также применяются для выполнения разных задач.
Конструкция и принцип работы силовых агрегатов
Электродвигатели работают на основе эффекта электромагнитной индукции. Преобразование электричества в механическую энергию обеспечивается за счёт специального магнита. Внутри электромагнитного поля появляются электрические частицы, которые подвергаются действию механической силы, что способствует нарушению вектора их движения и положения. Их движение происходит под 90-градусным углом относительно силовых линий магнита. При протекании электрического заряда по стальным элементам, под действием механической силы положение всех проводников (включая обмотку) пытается измениться в согласии с правилом буравчика.
Важно знать! В целом электродвигатели являются валовыми механизмами, которые способствуют созданию вращательного движения.
В конструкции любого электрического двигателя обязательно имеется статор и ротор. Статор является неподвижной частью, функция которой определяется типом силового агрегата – она обеспечивает генерирование неподвижного магнитного поля (постоянные магниты или электромагниты) либо создание вращающегося магнитного поля (обмотки, для питания которых используется переменный ток). Ротор является подвижной частью двигателей, которая зачастую располагается в статоре. Данная составляющая может быть представлена:
- постоянными магнитами;
- обмотками на сердечнике, по которым протекает электрический ток (подключение осуществляется посредством щёточно-коллекторного узла);
- короткозамкнутой обмоткой («беличьим колесом»), для возникновения токов в которой используется вращающийся статор.
Взаимодействие магнитного поля статора с полем ротора способствует возникновению вращающего момента, благодаря чему ротор начинает двигаться, а уже потом механическая энергия вращения позволяет приводить в движение различные механизмы.
Основные характеристики электрического двигателя
Такие силовые агрегаты характеризуются следующими рабочими параметрами:
- вращающим (крутящим) моментом: векторный физический параметр, который представляет собой произведение радиуса вектора, проложенного от оси к месту приложенной силы, и вектора самой силы;
- мощностью: физическое значение полезной механической силы (работы), совершаемой за определённую единицу времени;
- коэффициентом полезного действия (КПД): показатель эффективности трансформации электроэнергии в механическую энергию;
- частотой вращения вала ротора (количество оборотов за единицу времени);
- моментом инерции: скалярный физический показатель инертности ротора при вращательных движениях вокруг оси;
- номинальным напряжением: характеристика подаваемого электрического тока;
- электрической постоянной времени: промежуток времени между двумя моментами – начало подачи напряжения – достижение тока отметки 63,21% (1-1/e) от своего максимального параметра;
- механической характеристикой: графически выраженное соотношение между частотой вращения ротора и электромагнитным моментом при постоянном напряжении.
Классификация электродвигателей
Вращательные силовые агрегаты классифицируются по нескольким признакам. Так, исходя из типа тока питания, существуют двигатели AC и DC. При этом устройства, работающие на переменном токе, подразделяются на синхронные и асинхронные. Рассмотрим особенности каждого вида электродвигателей.
Особенности электродвигателей постоянного тока
Данные агрегаты обладают высоким КПД преобразования электроэнергии в механическую. Электрическая цепь статора и ротора соединяются с помощью щёточно-коллекторного узла, которые могут быть коллекторными и бесколлекторными. Коллекторные электрические двигатели бывают самовозбуждающимися или возбуждающимися от постоянных электромагнитов. Агрегаты с независимой системой возбуждения имеют низкую мощность, поэтому их зачастую применяют для выполнения малоответственных работ с невысокими нагрузками.
В свою очередь двигатели с самовозбуждением могут иметь разный тип возбуждения:
- последовательное: подключение якоря и обмотки осуществляется последовательно;
- параллельное: якорь включён в цепь параллельно обмотке;
- смешанное: в агрегатах совместно используется параллельное и последовательное соединение якоря и обмотки.
Особенности электродвигателей переменного тока
Такие силовые агрегаты широко применяют в качестве приводов большинства технологических систем, электрических инструментов, авторегуляторов. Исходя из того, с какой скоростью вращается магнитное поле статора и какова частота вращения ротора, АС электродвигатели бывают синхронными и асинхронными.
Особенности синхронных двигателей
В данных силовых агрегатах ротор вращается с такой же скоростью, как и частота магнитного поля, которая создаётся статорными обмотками. Для питания устройства используют трёхфазное постоянное напряжение. В таких электродвигателях обмотки могут быть явнополюсными и неявнополюсными. Маломощные синхронные двигатели оснащаются постоянными магнитами.
Важно знать! Несмотря на синхронность частоты вращения ротора и статора, данные силовые агрегаты запускаются и разгоняются в асинхронном режиме. Для этого ротор выполняется с обмоткой «беличье колесо». Подача постоянного напряжения на электромагниты выполняется только после того, как ротор разгонится до номинального показателя частоты вращения.
Синхронные электродвигатели характеризуются такими особенностями:
- постоянной скоростью вращения ротора, несмотря на переменную нагрузку;
- высоким КПД, коэффициентом мощности;
- небольшой реактивной составляющей;
- допустимостью перегрузок.
Недостатками двигателей синхронного типа можно назвать высокую стоимость, сложную конструкцию, потребность в постоянном напряжении, затруднительный пуск, сложности контроля скорости вращения вала и момента инерции.
Особенности асинхронных двигателей
Данные агрегаты являются более дешёвыми и простыми по конструкции, благодаря чему они более распространены. Принципиальным отличием асинхронных двигателей является «скольжение» – разность частоты вращения, имеющей магнитное поле статора, и скорости вращения ротора. Индуцирование напряжения на роторе происходит благодаря переменному магнитному полю обмоток статора, которое возникает вследствие наведенного в них вихревого тока.
Исходя из особенностей статорной обмотки, асинхронные электродвигатели бывают:
- однофазными: запуск осуществляется с помощью внешних фазосдвигающих элементов (пусковые конденсаторы или индуктивные устройства);
- двухфазными: агрегаты с двумя обмотками, имеющими смещённые фазы;
- трёх- и многофазными: самые распространённые двигатели минимум с тремя обмотками, сдвинутыми по фазе.
Электродвигатели асинхронного типа могут иметь короткозамкнутый или фазный ротор. В первом случае роторная обмотка представлена несколькими неизолированными стержнями из медных или алюминиевых сплавов, которые с каждой стороны замкнуты кольцами (по типу «беличье колесо»). Данные агрегаты обладают довольно простой схемой пуска, допустимостью кратковременной перегрузки, относительно высокой мощностью, лёгкостью ТО и ремонта, невысокой ценой. Минусом считается техническая сложность регулировки частоты вращения ротора, высокий пусковой ток.
Фазный ротор электродвигателей выполнен с обмоткой по схеме «звезда». Данные агрегаты позволяют ограничивать пусковой ток посредством резистора, обладают бо́льшим пусковым моментом, лёгкостью регулировки частоты вращения. К недостаткам можно отнести большие размеры и вес, высокую стоимость, сложность ремонта и обслуживания.
Универсальные электродвигатели
Существуют универсальные электрические двигатели, которые способны работать от сетей АС и источников DC. Конструктивно они схожи с агрегатами постоянного тока, а главные отличия заключаются в магнитной системе и обмотках ротора. В данном случае магнит представлен изолированными секциями, что способствует снижению потерь. Обмотки ротора в таких двигателях разделены на две части – если питание осуществляется от АС, то подача напряжения идет только на одну половину.
Области применения
Электродвигатели – крупнейшие потребители электроэнергии, которые применяются в различных сферах:
- в промышленности: они выступают в качестве приводов насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров и прочих устройств;
- в строительстве: с их помощью работают лифты, отопительные и вентиляционные системы и т. д.;
- в потребительских устройствах: электродвигатели являются главной силовой частью холодильников, кондиционеров, персональных компьютеров и ноутбуков (в жестких дисках, вентиляторах), пылесосов, стиральных машин, миксеров и пр.
Двигатели способны выполнять различные функции: усиление мощности электросигналов, преобразование величин напряжения или тока, приведение во вращение разных рабочих механизмов.
