Как работает электродвигатель?

Электродвигатель – универсальное устройство, применяемое не только в различных отраслях промышленности, но и других важных для человека сферах. Вот некоторые примеры: станочное и подъёмное оборудование, строительные машины и механизмы, автомобильный и железнодорожный транспорт, медицинское оборудование, оборудование для общественного питания, высокотехнологичные приборы и аппаратура, вентиляционные и холодильные установки, бытовая техника, подвижные детские игрушки.

Электродвигатель осуществляет преобразование электрической энергии и в энергию механического движения.

Конструкция электродвигателя схожа со строением электрического генератора. В неё входит статор и ротор, которые и отвечают за вращение электрической машины. Существуют также двигатели, способные совершать линейные движения. Они так и называются – линейными двигателями.

В данной статье мы расскажем о появлении и развитии современных электродвигателей, подробно рассмотрим разновидности и особенности их устройства, преимущества и недостатки. Также мы обсудим актуальный для современных промышленных производств тип механизма – серводвигатель, его отличии от электродвигателя.

История развития

Первый электродвигатель был электростатическим. Его создателем выступил Бенджамин Франклин в 1748 году.

Ротором двигателю служил зубчатый диск, импульсные силы отталкивания и притяжения действовали на зубья, в результате чего диск мог совершить 12-15 оборотов/в мин. Первый электромагнитный двигатель появился в 1821 году. Это был прибор, где проводник с током осуществлял вращение вокруг магнита (при этом совершалась работа), также сам стержневой магнит мог вращаться вокруг проводника. Такой прибор представил Майкл Фарадей.

Далее история развития электродвигателей связана с изобретением первого качающегося двигателя. Его можно быть соединять с рабочей машиной. Создателем такого двигателя стал учитель математики в США Джозеф Генри.

В 1834 году появился вращающийся электродвигатель. Мориц Герман Яко6и, инженер-строитель из Восточной Пруссии, создал 8-полюсный двигатель со статором и ротором из 4 электромагнитов в форме подков. Устройство совершало 80…120 оборотов/минуту, а питание получало от батареи напряжением 6V. Именно этот двигатель привлёк к себе внимание и в России.

Широко электродвигатели стали использоваться лишь после 1866 года, когда был изобретен генератор постоянного тока с самовозбуждением. До этого источники электропитания обладали недостаточной экономической эффективностью.

Первые исследования в области использования асинхронных двигателей стали проводиться в компании АЭГ в Германии, когда появилась многофазная система переменного тока. А заявление на патент короткозамкнутого асинхронного двигателя было подано в 1889 году. Так началась эра использования двигателей переменного тока. С этого момента электродвигатели используются как стационарных установках, так и в средствах передвижения.

Электродвигатель: виды, устройство, особенности

Сегодня среди всех типов электродвигателей самый распространённый – трёхфазный асинхронный двигатель. Его основу составляет роторная обмотка – система массивных алюминиевых или медных стержней, которые размещаются параллельно в пазах. Их концы соединяются с помощью короткозамкнутых колец. Из-за своей структуры обмотка также получила название беличья клетка.

Если в работе используется алюминий, то конструкция создаётся под давлением путём литья. Магнитное поле статора вращается и таким образом индуцирует ток в обмотке ротора. Ток взаимодействует с магнитным полем, и ротор начинает вращение. При этом скорость вращения ротора ниже скорости движения магнитного поля.

Именно эта разность в физике получила название скольжение. Величина скольжения может быть 3-5% и формируется в зависимости от нагрузки на двигатель. Если необходимо регулировать скорость постепенно, то используется статорная обмотка, где есть возможность переключать число полюсов. Именно так функционируют 2-,3-,4-асинхронные двигатели. Чтобы скорость регулировалась плавно, питание в двигатель поступает через преобразователь частоты.

Если у асинхронного двигателя необходимо регулировать скорость ниже номинальной, то в качестве замены короткозамкнутого двигателя можно использовать двигатель с фазным ротором. У последнего роторная обмотка также выполнена в трёх фазах. Роторная обмотка с помощью контактных колец соединяется с регулировочным реостатом, в результате чего энергия, которую потребляет двигатель, становится теплом. Однако сегодня такой метод используется крайне редко, так как он основан на снижении КПД.

Короткозамкнутый двигатель асинхронный компактный и при этом отличается высокой надёжностью. Он имеет более долгий срок службы по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Также двигатель внутреннего сгорания превосходит асинхронный двигатель по массе и размерам. При этом мощность у обоих устройств одинаковая.

Мощность двигателей варьируется между несколькими десятками ватт и десятками мегаватт. Если у двигателя малая мощность, то он может быть однофазным.

Синхронные электродвигатели по своей структуре напоминают синхронные генераторы. Они имеют неизменную сетевую частоту и при любой нагрузке вращаются с установленной скоростью.

По сравнению с асинхронными двигателями они не поглощают реактивную энергию из сети, а, наоборот, отдают ее в сеть, тем самым покрывается потребление энергии, осуществляемое другими приёмниками. Однако покупатель должен учитывать, что синхронные двигатели не могут использоваться в случае частых пусков. Они подходят для стабильной механической нагрузки и постоянной скорости вращения.

Если необходимо плавно регулировать скорость, то можно использовать двигатели постоянного тока. Для регулирования полупроводниковые устройства изменяют ток якоря или изменяется напряжение питания.

Однако, двигатели постоянного тока не пользуются большой популярностью. Это связано с большой стоимостью, внушительными размерами и дополнительными потерями, которые возникают в процессе регулирования.

Также возможно использование шаговых двигателей. Они работают на основе возникновения импульсов напряжения. Каждый импульс осуществляет поворот ротора двигателя на конкретный угол.

Такие устройства можно увидеть на тихоходных механизмах, для которых необходимо точное позиционирование. Существуют двигатели, которые способны совершать один оборот в сутки или, например, в год.

Для линейного движения, применяются линейные двигатели, соответственно. Это обусловлено тем, что при данном типе движения преобразование вращения в линейную схему невозможно. Чаще всего используются асинхронные линейные двигатели, но также возможно применения шаговых и синхронных двигателей.

Подключение электродвигателя

Наибольшей эффективностью работы отличаются трёхфазные электродвигатели.

Магнитное поле начинает вращаться в статоре после подключения к сети в 380В. Осуществляется этот процесс без использования пусковых устройств. Подключать электродвигатель к сетям 380В можно двумя схемами, называемыми звезда и треугольник.

Подключение звездой обеспечивает плавный пуск, однако не достигается максимальная мощность электромотора. Полная же паспортная мощь достигается путём подключения треугольником. Однако высокий ток при запуске может испортить изоляцию. Для запуска мощных двигателей применяется комбинированная схема звезда-треугольник.

Трёхфазный двигатель также можно включить и в однофазную сеть, однако для этого требуется конденсатор. Конечно, при подключении трёхфазного двигателя к сети 220В КПД может упасть на 50%. Однако иногда это просто необходимо.

Конденсатор в данном процессе осуществляет сдвиг фазы и разгон. Чтобы подключение прошло без проблем, кнопка разгона должна удерживаться, пока вал максимально не раскрутится. Напряжение конденсатора должно быть больше в 1,5 раза. В противном случае конденсатор может выйти из строя во время включения или выключения.

Преимущества и недостатки

Безусловно, электрические двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Это и компактные размеры, сочетающиеся с небольшой массой и стоимостью; КПД, достигающий 95%; хорошая регулируемость, при которой сохраняется высокий КПД; надёжность и долговечность; небольшой показатель шумовых загрязнений и вибраций; оперативный лёгкий пуск; простота в эксплуатации; электродвигатель не потребляет топлива, а значит, более экологичен; он легко присоединяется к любым механизмам и машинам.

Проблемы в использовании электродвигателя могут возникать, если он размещается на передвижном или переносном устройстве, а также на транспортном средстве.

Электропитание в таких случаях подаётся по гибкому кабелю, контактному проводу или шинам, таким источникам питания, как топливные элементы, аккумуляторы, двигатель-генераторы. Минусы такой схемы в том, что дальность пробега и маневренность будет ограничена. Поэтому чаще отдают предпочтение двигателям внутреннего сгорания.

Серводвигатели для более сложных систем автоматизации и робототехники

Сегодня в автоматизированном производстве, станках с ЧПУ, робототехнике применяют серводвигатели. Иногда их ошибочно относят к отдельному виду двигателей, но это скорее часть сервомеханизма. В состав такой системы входит подходящий для конкретного применения двигатель, датчик обратной связи по положению и контроллер.

Серводвигатели нашли широкое применение в различных отраслях промышленности благодаря своим уникальным характеристикам. Данные компоненты востребованы, в первую очередь, в станках с числовым программным управлением, роботах, системах автоматического управления и других устройствах, где требуется высокая точность и скорость работы.

Одной из ключевых особенностей серводвигателей является наличие датчика обратной связи. Этот датчик контролирует положение вала двигателя и передает информацию о его состоянии обратно в систему управления. Это позволяет точно контролировать движение механизма и обеспечивает высокую точность позиционирования.

Кроме того, серводвигатели обладают высокой скоростью работы. Благодаря своей конструкции они могут быстро ускоряться и замедляться, что делает их идеальными для использования в приложениях, требующих быстрых перемещений.

Серводвигатели также отличаются высокой эффективностью. Они потребляют меньше энергии, чем обычные электродвигатели, что снижает затраты на электроэнергию и увеличивает срок службы оборудования.

Таким образом, использование серводвигателей в автоматизированном производстве и робототехнике позволяет повысить эффективность и качество производства, снизить затраты на энергию и увеличить срок службы оборудования.

Мы рассмотрели принцип работы электродвигателя, его виды и особенности, а также применение серводвигателей в промышленности. Электродвигатели играют важную роль в нашей жизни, обеспечивая работу многих устройств и механизмов. Понимание того, как они работают, поможет нам лучше использовать их потенциал и разрабатывать новые, более эффективные модели.