Одними из основных потребителей электроэнергии на производстве являются электромоторы. Электрический ток, поданный на такую машину, заставляет её работать. Это явление превращения электричества во вращение вала двигателя в сотни раз повысило эффективность технологического процесса. Как устроены электродвигатели, станет понятно после изучения их устройства.
Электродвигатель асинхронный
Устройство и принцип действия электродвигателя постоянного тока
Машины, осуществляющие свою работу при присоединении к ним тока, не меняющего свою полярность, называют машинами постоянного тока. Они превращают электричество в механическую энергию.
Принцип работы электродвигателя всякой конструкции опирается на использование закона электромагнитной индукции и явления самоиндукции.
Информация. В замкнутом контуре или рамке, помещённой в магнитное поле (МП) постоянных магнитов, возникает электродвижущая сила (ЭДС). Это происходит в результате пронизывания рамки электромагнитными линиями МП, если крутить магниты или саму рамку.
В основе работы электродвигателя лежит образование крутящего момента при подаче напряжения на катушки якоря. Его ещё называют синхронным двигателем постоянного тока (ДПТ). Устройство простейшей машины вмещает в себя:
- статор, с расположенными на нём постоянными магнитами;
- двухзубцовый якорь, имеющий одну обмотку;
- коллектор;
- щёточный узел, в который входят две щётки и два ламеля (пластины).
Внимание! У такого двигателя две «мёртвые точки» (крайние положения). В этих точках невозможно самозапускание, а крутящий момент такого ДПТ неравномерен.
Статор, он же – индуктор, располагает в основном двумя парами основных полюсов. В случае необходимости на нём устанавливают добавочные. Это улучшает переключение на коллекторе якоря.
Ротор, он же – якорь, должен иметь как минимум три зубца, чтобы двигатель мог сам запускаться из каждой точки. При этом в зону подключения стабильно попадает один из зубцов.
Схема простого коллекторного ДПТ
На щёточно-коллекторный узел выведены все катушки якоря, какие есть. Коллектор является кольцом из изолированных ламелей (пластин), размещённых по длине оси ротора. По ним скользят щётки и подают или снимают напряжение.
Устройство коллектора
Важно! Двигатель вращается благодаря силе Ампера, которая действует на проводник, находящийся в МП, когда в нём протекает электрический ток. При этом источник тока должен поддерживать его неизменное значение.
Все ДПТ обладают свойствами саморегулирования, поддерживая вращающий момент равным моменту сопротивления на валу. Это происходит автоматически, и частота вращения постоянна.
Устройство
Как устроен двигатель электромобиля?
При описании принципа работы электродвигателя, уже было упомянуто, что главные компоненты двигателя электромобиля– ротор и статор.
- Ротор – это вращающийся компонент двигателя.
- Статор находится в неподвижном состоянии. Он ответственен за создание неподвижного магнитного поля.
Ротор
Классический ротор автомобиля состоит из сердечника, обмотки и вала. У некоторых электродвигателей в состав ротора также входит коллектор.
- Сердечник – это металлический стержень, на периферии которого располагается обмотка. Непосредственно через сердечник происходит замыкание магнитной цепи электродвигателя. Сердечник изготавливается из стальных пластин круглой формы. По структуре похож на слоёный пирог. При производстве сердечников используют изолированные листы стали с присадками кремния. В этом случае обеспечены увеличение КПД электродвигателя, наименьшие удельные потери в металле на единицу массы, снижение величины размагничивающих вихревых токов Фуко, которые возникают из-за перемагничивания сердечника. На поверхности сердечника есть продольные пазы. Через них прокладывается обмотка.
- Вал – металлический стержень, который непосредственно передаёт вращающий момент. Также изготавливается из электротехнической стали. Служит основой для насаживания сердечника. На концах вала есть резьба, выемки под шестерёнки, подшипники качения, шкивы.
- Коллектор – блок, крепящийся на валу. Представляет собой систему медных пластин. Изолирован от вала. Служит выпрямителем переменного тока, переключателем-автоматом направления тока (в зависимости от вида электродвигателя).
Статор (индуктор)
Статор состоит из станины, сердечника и обмотки:
- Станина статора – корпус статора. Как правило, корпус бывает алюминиевым или чугунным. Алюминиевые станины популярны у электродвигателей легковых авто, чугунные – у спецтехники, которая вынуждена работать в условиях высокой вибрации. Станина служит базой крепления основных и добавочных полюсов.
- Сердечник статора – цилиндр из профилированных стальных листов. Фиксируется винтами внутри станины. Снабжён пазами для обмотки.
- Обмотка. Создаёт магнитный поток. При пересечении проводников ротора наводит в них электродвижущую силу.
Классификация электродвигателей
Электрические машины можно разбить на две группы, обращая внимание на особенности образования момента вращения: магнитоэлектрические и гистерезисные. Вторая группа применяется редко, у них вращение происходит за счёт перемагничивания ротора.
Статор — понятие и принцип действия
Магнитоэлектрические моторы подразделяются по роду тока на модели:
- постоянного тока;
- пульсирующего тока;
- переменного тока;
- универсальные.
Универсальными моторы называются, потому что могут потреблять для работы, как постоянный, так и переменный ток.
Двигатели постоянного тока
Несмотря на то, что такие моторы могут питаться, как постоянным, так и переменным током, в основном на их обмотки подают постоянное напряжение.
Внимание! Способ переключения фаз позволяет разделять ДПТ на коллекторные и вентильные. Присутствие обратных связей по току, напряжению и скорости допускает наличие регулируемого электропривода.
Коллекторные машины имеют проблемное место: щёточно-коллекторный узел (ЩКУ), который создаёт сложность в облуживании и некоторую ненадёжность в работе.
Внутреннее устройство коллекторного ДПТ
Вентильные электромоторы лишены коллектора, фазы переключает инвертор (электронный блок). У таких машин возможна обратная связь через датчик позиции ротора.
Вентильный ДПТ
Двигатели пульсирующего тока
Подобные аппараты используются на электровозах. Питание мотора осуществляется от пульсирующего тока. От ДПТ их конструктивно отличает следующее:
- присутствие компенсационной обмотки;
- увеличенное количество полюсных пар;
- шихтованные допполюса;
- шихтованные включения в каркас.
К сведению. Такой ток получается в результате сложения двух токов: постоянного и переменного, потому имеет обе составляющие. Он не меняет направления, а пульсирует, кратковременно меняя значения от максимума до минимума и не во всех случаях до нуля.
Двигатели переменного тока (ПТ)
По способу работы такие машины делятся на двигатели: синхронные и асинхронные.
Почему синхронные? Потому что скорость ротора и скорость вращающегося в статоре МП абсолютно совпадают. У асинхронных моторов скорость вращения МП в статоре выше, чем у ротора.
Двигатель ПТ
Универсальный коллекторный электродвигатель (УКД)
Такой тип применяется в электроинструментах: это отрезная машинка, дрель, триммер и др. Незаменим там, где нужны высокие обороты (выше 3000 об./мин.), маленькие размеры и небольшой вес. Двигатель работает от обоих видов тока и обладает последовательно включённой обмоткой возбуждения. В электронную схему входит линейный преобразователь напряжения.
Внимание! При использовании постоянного тока напряжением 220В обмотка возбуждения подключается полностью, при переменном токе и аналогичном напряжении включение частичное.
Универсальный коллекторный AC 220v SX7625
Синхронный электродвигатель возвратно-поступательного движения
Принцип действия электродвигателя заключается в том, что на штоке, который движется, установлены магниты постоянной природы. В корпус мотора вмонтирован магнитопровод с катушками, на которые подаётся ПТ. Катушки установлены так, что создаваемое ими МП заставляет двигаться шток туда-сюда.
Устройство электромобиля
Рассматривая электродвигатель, важно остановиться на устройстве электромобиля в целом, изучение электродвигателя не самого по себе, а как части системы электропривода, где электродвигатель – один из его базовых компонентов, его «сердце». Но «организм», функционирует только тогда, когда в порядке все другие «органы» – части электропривода:
- Аккумуляторная батарея.
- Бортовое зарядное устройство. Его функция – обеспечение возможности заряжать аккумуляторную батарею от бытовой электрической сети.
- Трансмиссия. Распространены трансмиссия с одноступенчатым зубчатым редуктором (чаще всего встречающийся и наиболее простой вариант) и бесступенчатая трансмиссия с гидротрансформатором (для старта с места), плавно изменяющие отношение скоростей вращения и вращающих моментов мотора и ведущих колес транспортного средства во всём рабочем диапазоне скоростей и тяговых усилий.
- Инвертор. Назначение инвертора – трансформирование высокого напряжения постоянного тока аккумулятора в трехфазное напряжение переменного тока.
- Преобразователь постоянного тока. Функция – зарядка дополнительной батареи, которая используется для системы освещения, кондиционирования, аудиосистемы.
- Электронная система управления (блок управления). Отвечает за управление функциями, связанными с энергосбережением, безопасностью комфортом. В её «подчинении» – оценка заряда АКБ, оптимизация режимов движения, регулирование тяги, контроль за использованной энергией и за напряжением, управлением ускорением и рекуперативным торможением.
Аккумуляторная батарея
Аккумуляторная батарея (аккумулятор) – один из наиболее дорогих компонентов системы. По своей значимости играет такую же роль, как бензобак для ДВС. Электромобиль движется за счёт электричества, полученного от электросети во время зарядки и хранящегося в АКБ.
При этом важно помнить, что у большинства электромобилей устанавливаются одновременно два аккумулятора: один тяговой – он питает именно мотор и стартерный (как и в машинах с ДВС, он помогает системе освещения, системе подогрева). Эти аккумуляторы разные не только по назначению, но и техническим характеристикам. Тяговый аккумулятор электрического двигателя электромобиля предназначен для питания мотора, запуска двигателя. У него нет высокого пускового тока, но он заточен на длительную работу, выдерживает большое количество циклов заряда-разряда.
Типичная тяговая АКБ – моноблочная секционная конструкция. Тяговая АКБ состоит из толстых электронных пластин – пористых сепараторов и электролитного вещества. Самые распространенные аккумуляторы – литий-ионные. У них – наиболее высокая энергетическая плотность, не требуется обслуживание, достаточно низкий саморазряд.
Использование асинхронных двигателей в однофазной цепи
Отличительной чертой при запуске такого мотора является ручное включение. Это вызвано наличием пусковой обмотки или фазосдвигающей цепи. В отличие от трёхфазного собрата, который запускается автоматически, за счёт сдвига трёх фаз, однофазному нужен начальный толчок.
Схема включения однофазного мотора
Конденсаторы для запуска электродвигателя
Запуск достигается кратковременным включением дополнительной (пусковой) обмотки, которая включается через пусковое реле с термопарой или кнопкой ПНВС -12(220В 10А).
К сведению. Можно включить и трёхфазный асинхронный мотор в сеть 220 В. При этом обмотки соединяются в «звезду» или «треугольник». Концы двух обмоток подсоединяют к сети, конец третьей – через последовательно присоединённый пусковой конденсатор большой ёмкости кратковременно (во избежание сгорания) подключают к одной из них.
Схема включения трёхфазного мотора в однофазную сеть
Чтобы повысить мощность электродвигателя, формула которого включает в себя cosϕ, коэффициент мощности, следовательно, и коэффициент полезного действия (КПД), в цепь включают рабочую ёмкость. Она включена постоянно. Так, трёхфазный двигатель на 2 квт, при включении подобным образом, будет отдавать только 45-60% заявленной мощности. Мощность любого трехфазного двигателя по формуле вычислить несложно.
Предыстория.
Якоби Борис Семенович
Уже в 1821 году, знаменитый британский ученый Майкл Фарадей продемонстрировал принцип преобразования электромагнитным полем электрической энергии в механическую энергию. Установка состояли из подвешенного провода, которых окунался в ртуть. Магнит устанавливался посередине колбы с ртутью. При замыкании цепи, провод начинал вращение вокруг магнита, демонстрируя то, что вокруг провода, эл. током, образовывалось электрическое поле.
Эту модель двигателя часто демонстрировали в школах и университетах. Данный двигатель считается самым простым видом из всего класса электродвигателей. Впоследствии он получил продолжение в виде Колеса Барлова. Однако новое устройство носило лишь демонстрационный характер, поскольку вырабатываемые им мощности были слишком малы.
Ученые и изобретатели работали над двигателем с целью использования его в производственных нуждах. Все они стремились к тому, чтобы сердечник двигателя двигался в магнитном поле вращательно-поступательно, на манер поршня в цилиндре паровой машины. Русский изобретатель Б.С. Якоби сделал все гораздо проще. Принцип работы его двигателя заключался в попеременном притяжении и отталкивании электромагнитов. Часть электромагнитов были запитаны от гальванической батареи, и направление течения тока в них не менялась, а другая часть подключалась к батарее через коммутатор, благодаря которому изменялось направление течения тока через каждый оборот. Полярность электромагнитов менялась, и каждый из подвижных электромагнитов то притягивался, то отталкивался от соответствующего ему неподвижного электромагнита. Вал приходил в движение.
электродвигатель Бориса Якоби Изначально мощность двигателя была небольшой и составляла всего 15 Вт, после доработок, Якоби удалось довести мощность до 550 Вт.. 13 сентября 1838 году, лодка, оборудованная этим двигателем, плыла с 12 пассажирами по Неве, против течения, развивая при этом скорость в 3 км/ч. Двигатель был запитан от большой батареи, состоящей из 320 гальванических элементов. Мощность современных электрических двигателей превышает 55 кВт. По вопросом прибретения электрических двигателей смотрите здесь.
УКД: принцип работы и характеристики
Принцип работы синхронного генератора
Это однофазные двигатели, работающие на высоких оборотах при любом типе подводимого электричества.
Схема универсального коллекторного двигателя
Ответ на вопрос, почему такое устройство работает от переменного тока, заключается в том, что направление вращающего момента не меняется. Полярность полюсов статора меняется практически одновременно с изменением токового направления в якорной обмотке.
Важно! Для этого применяют последовательное возбуждение двигателя. Следовательно, ток возбуждения и ток якоря – один и тот же.
Потому при смене положительных и отрицательных полупериодов практически одновременно изменяются и ток в якорной обмотке Iа, и магнитный поток Ф.
Схема соединений и характеристики УКД
Электрические двигатели и их разновидности
Как известно с базового школьного курса физики, ток бывает переменным и постоянным. В бытовой электросети – переменный ток. Батарейки, аккумуляторы и другие мобильные источники питания предоставляют постоянный ток.
Электродвигатели постоянного тока характеризуются хорошими эксплуатационными и динамическими характеристиками.
Такие изделия широко используются в подъемных машинах, буровых станках, полимерном оборудовании, в некоторых агрегатах экскаваторов.
Синхронный принцип работы электродвигателя
Особенности синхронной работы моторов зависят от того, какой двигатель рассматривается. Они бывают:
- с катушками возбуждения;
- с постоянными магнитами (ПМ);
- реактивные;
- гистерезисные;
- шаговые.
Есть гибридные модели: реактивные с ПМ и реактивно-гистерезисные.
Независимо от того, какие двигатели рассматривать, условие синхронности базируется на взаимодействии МП полюсов индуктора (статора) и МП якоря.
К сведению. Если конструктивное строение обратить (расположить якорь и индуктор наоборот), то синхронный двигатель превращается в генератор.
Двигатель работает следующим образом: постоянный ток прикладывается к обмотке возбуждения (от внешнего источника питания), а переменный – к трёхфазной обмотке якоря. Якорная обмотка создаёт вращающееся МП, которое вступает во взаимосвязь с МП обмотки возбуждения. Результат – электромагнитный момент, вращающий ротор.
Перспективы применения электродвигателей в автомобилях
Перспективы применения электродвигателей в автомобилях напрямую связаны с тем, насколько активно будет развиваться инфраструктура. Там, где она не обеспечена, использование электрокаров действительно ограничено. Ведь без подзарядки у многих авто – малая дальность пробега.
Впрочем, даже последняя проблема активно решаемая. Немецкие и японские разработчики (компании DBM Energy, Lekker Energie, Japan Electric Vehicle Club) сумели доказать миру: потенциал у электродвигателей, аккумуляторов без подзарядки может достигать 500 -1000 тысяч километров пробега. Правда, пока что 1 000 тысяч км пробега без подзарядки возможны только в теории, а 500-600 уже на практике.
На данный момент доступность такого транспорта – на уровне инженерно-конструкторской работы, экспериментальных выпусков, но есть перспективы что их подхватят автогиганты, и не за горизонтом – серийное производство.
Перспективы применения электродвигателей в автомобилях очень тесно связаны и с политикой отдельных государств. Например, в Норвегии обладатели электромобилей освобождены от уплаты ежегодного налога на транспорт, пользования платными дорогами, паромными переправами и даже большинством парковок. С учётом того, что налоги и тарифы в Скандинавии одни из самых высоких, мотивация приобрести именно авто с электродвигателем, а не ДВС – очень высокая.
Обратите внимание, что на базе LCMS ELECTUDE есть специальный раздел “Электрический привод”, в нём подробно разбираются электродвигатели, виды электропривода, системы зарядки, особенности обслуживания транспорта с электромотором. Кроме комплексных теоретических знаний в обучающих модулях приводятся многочисленные практические примеры.
Формула мощности трехфазного двигателя
Для того чтобы определить мощность двигателя, формула выглядит так:
P=√3*U*I*cosϕ*η.
Составляющие формулы:
- Uн – номинальное напряжение;
- Iн – номинальный ток электромотора (по паспорту);
- Cosϕ – коэффициент мощности (0,75-0,9);
- η – КПД (0,7-0,85).
Если величина Iн неизвестна, ее нужно найти, применив соответствующую формулу.
Асинхронные двигатели, используемые для трёхфазной сети, – наиболее стабильные и надёжные машины. Однако частотный предел переменного тока 50 Гц не позволяет им развивать скорость вращения более 3000 об./мин. Поэтому универсальные коллекторные ДПТ – эффективный выход для механических процессов, требующих от мотора способности вращать вал с более высокой частотой.
По синхронизации:
• Синхронный электродвигатель
– электрический двигатель переменного тока с синхронным движением магнитного поля питающего напряжения и ротора. •
Асинхронный электродвигатель
– электрический двигатель переменного тока с отличающейся частотой движения ротора и магнитного поля, порождаемого питающим напряжением.
Смотрите также:
- Volkswagen New Beetle
- Opel Ascona A
- Daewoo Lanos
- История дорожного знака
- BMW E65-E66
- Безвоздушные шины
- BMW Z8
Переменный ток
Основных недостатков переменного тока два: наличие потерь мощности за счет обменных процессов между индуктивностями и емкостями в сетях (реактивной мощности); вытеснение переменного тока в проводнике от центра к поверхности. Чем выше частота, тем меньше используется сечение провода.
Изменение напряжения решается легко при помощи трансформаторов, потери в котором составляют не более 1% передаваемой мощности. Трансформаторы решают легко две задачи: гальванической развязки цепей высокого и низкого напряжения; за счет высокого напряжения при передаче электроэнергии на большие расстояния снижаются потери в проводах.
Создание трехфазных сетей переменного тока, кроме повышения эффективности электроснабжения, привело к появлению двигателей переменного тока, так как они получили вращающееся магнитное поле напрямую из сети без преобразователей.
Синхронные двигатели переменного тока
У синхронных машин в номинальном режиме скорость вращения ротора равна скорости вращающегося поля статора. Отличающийся от асинхронного наличием коллектора.
На статоре такого электромотора размещается трехфазная обмотка (на больших машинах чаще всего высоковольтная), создающая вращающееся магнитное поле. На роторе укладывается две обмотки: «беличья клетка» и электромагнитные катушки с питанием от источника постоянного тока.
Пуск синхронного двигателя происходит, как и у асинхронного короткозамкнутого. По достижении номинальной скорости асинхронного режима подается питание на электромагниты, а скорости вращения магнитного поля статора и ротора уравниваются.
К положительным качествам синхронных машин можно отнести:
- небольшую реактивную мощность и. как следствие, высокий КПД и соs φ;
- в большом диапазоне постоянная скорость при переменной нагрузке;
- устойчивость к перегрузкам.
Из недостатков: наличие источника постоянного тока, сложность пуска, трудности в регулировании момента и скорости вращения.
Асинхронный или коллекторный?
Однозначный ответ отсутствует. Почему так? Разница заключается в специфики эксплуатации. Для Промышленная эксплуатация предполагает повышенные технические характеристики, которые имеют установки асинхронного типа.
Бытовое применение не нуждается в специальных функциональных свойствах, а потому агрегаты, оснащенные коллекторным узлом, в таком случае пользуются большей популярностью, чем бесколлекторные. УКД или асинхронные эффективно выполняют поставленные задачи в рамках предназначенных для них технических процессов.
Энергоэффективность
Рациональное потребление энергии при сохраняющейся высокой мощности сокращает текущие производственные затраты при одновременном увеличении производительности электродвигателя. Поэтому при выборе привода обязательно учитывается класс энергоэффективности.
В технической документации и каталогах обязательно указывается класс энергоэффективности двигателя. Он зависит от показателя КПД.
Проводимые в тестовом и рабочем режимах экспериментальные исследования показывают, что электродвигатель мощностью 55 кВт высокого класса энергоэффективности сокращает потребление электроэнергии на 8-10 тысяч кВт ежегодно.
Принцип действия
В статоре асинхронного двигателя укладывается трехфазная обмотка, которая при прохождении синусоидального тока создает вращающееся магнитное поле. При пересечении замкнутых проводников ротора магнитное поле создает электрический ток (возникает ЭДС).
Переменный ток в проводнике создает свое магнитное поле, которое стремится догнать поле статора. Взаимодействие полей заставляет вращаться ротор, скорость вращения которого отстает от скорости вращения поля статора на величину скольжения. Наличие этой разности главное условия вращения ротора асинхронного мотора.
