Устройство и принцип работы электродвигателя

Электродвигатель – это электротехническое устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Сегодня повсеместно применяются электромоторы в промышленности для привода различных станков и механизмов. В домашнем хозяйстве они установлены в стиральной машине, холодильнике, соковыжималке, кухонном комбайне, вентиляторах, электробритвах и т. п. Электродвигатели приводят в движение, подключенные к ней устройства и механизмы.

В этой статье Я расскажу о самых распространенных видах и принципах работы электрических двигателей переменного тока, широко используемых в гараже, в домашнем хозяйстве или мастерской.

Как работает электродвигатель

Двигатель работает на основе эффекта, обнаруженного Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращение.

Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться.

В результате рамка повернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент.

На рисунке это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.

В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.

В быту же постоянные магниты используются в детских игрушках на батарейках.

В других же более мощных двигателях используются только электромагниты или обмотки. Вращающаяся часть с ними называется ротор, а неподвижная- статор.

Виды электродвигателей

Сегодня существуют довольно много электродвигателей разных конструкций и типов. Их можно разделить по типу электропитания:

1. Переменного тока, работающие напрямую от электросети.
2. Постоянного тока, которые работают от батареек, АКБ, блоков питания или других источников постоянного тока.

По принципу работы:

1. Синхронные, в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
2. Асинхронные, самый простой и распространенный вид мотора. В них нет щеток и обмоток на роторе.

Синхронный мотор вращается синхронно с магнитным полем, которое его вращает, а у асинхронного ротор вращается медленнее вращающегося магнитного поля в статоре .

Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателя

В корпусе асинхронного двигателя укладываются обмотки статора (для 380 Вольт их будет 3), которые создают вращающееся магнитное поле. Концы их для подключения выводятся на специальную клеммную колодку. Охлаждаются обмотки, благодаря вентилятору, установленному на вале в торце электродвигателя.

Ротор, являющиеся одним целым с валом, изготавливается из металлических стержней, которые замыкаются между собой с обоих сторон, поэтому он и называется короткозамкнутым.
Благодаря такой конструкции отпадает необходимость в частом периодическом обслуживании и замене токоподающих щеток, многократно увеличивается надежность, долговечность и безотказность.

Как правило, основной причиной поломки асинхронного мотора является износ подшипников, в которых вращается вал.

Принцип работы. Для того что бы работал асинхронный двигатель необходимо, что бы ротор вращался медленнее электромагнитного поля статора, в результате чего наводится ЭДС (возникает электроток) в роторе. Здесь важное условие, если бы ротор вращался с такой же скоростью как и магнитное поле, то в нем по закону электромагнитной индукции не наводилось бы ЭДС и, следовательно не было бы вращения. Но в реальности, из-за трения подшипников или нагрузки на вал, ротор всегда будет вращаться медленнее.

Магнитные полюса постоянно вращаются в обмотках мотора, и постоянно меняется направление тока в роторе. В один момент времени, например направление токов в обмотках статора и ротора изображено схематично в виде крестиков (ток течет от нас) и точек (ток на нас). Вращающееся магнитное поле изображено изображено пунктиром.

Например, как работает циркулярная пила. Наибольшие обороты у нее без нагрузки. Но как только мы начинаем резать доску, скорость вращения уменьшается и одновременно с этим ротор начинает медленнее вращаться относительно электромагнитного поля и в нем по законам электротехники начинает наводится еще большей величины ЭДС. Вырастает потребляемый ток мотором и он начинает работать на полной мощности. Если же нагрузка на вал будет столь велика, что его застопорит, то может возникнуть повреждение короткозамкнутого ротора из-за максимальной величины наводимой в нем ЭДС. Вот почему важно подбирать двигатель, подходящей мощности. Если же взять большей, то неоправданными будут энергозатраты.

Скорость вращения ротора зависит от количества полюсов. При 2 полюсах скорость вращения будет равна скорости вращения магнитного поля, равного максимум 3000 оборотов в секунду при частоте сети 50 Гц. Что бы понизить скорость вдвое, необходимо увеличить количество полюсов в статоре до четырех.

Весомым недостатком асинхронных двигателей является то, что они подаются регулировке скорости вращения вала только при помощи изменения частоты электрического тока. А так не возможно добиться постоянной частоты вращения вала.

Принцип работы и устройство синхронного электродвигателя переменного тока

Данный вид электродвигателя используется в быту там, где необходима постоянная скорость вращения, возможность ее регулировки, а так же если необходима скорость вращения более 3000 оборотов в минуту (это максимум для асинхронных).

Синхронные моторы устанавливаются в электроинструменте, пылесосе, стиральной машине и т. д.

В корпусе синхронного двигателя переменного тока расположены обмотки (3 на рисунке), которые также намотаны и на ротор или якорь (1). Их выводы припаяны к секторам токосъемного кольца или коллектора (5), на которые при помощи графитовых щеток (4) подается напряжение. При чем выводы расположены так, что щетки всегда подают напряжение только на одну пару.

Наиболее частыми поломками коллекторных двигателей является:

1. Износ щетокили их плохой их контакт из-за ослабления прижимной пружины.
2. Загрязнение коллектора.Чистите либо спиртом или нулевой наждачной бумагой.
3. Износ подшипников.

Принцип работы. Вращающий момент в электромоторе создается в результате взаимодействия между током тока якоря и магнитным потоком в обмотке возбуждения. С изменением направления переменного тока будет меняться и направление магнитного потока одновременно в корпусе и якоре, благодаря чему вращение всегда будет в одну сторону.

Регулировка скорости вращения меняется методом изменения величины подаваемого напряжения. В дрелях и пылесосах для этого используется реостат или переменное сопротивление.

Изменение направления вращения происходит также как и у двигателей постоянного тока, о которых Я расскажу в следующей статье.

Электромагнитные двигатели: схема, принцип работы

Электромагнитные двигатели — это устройства, которые работают по принципу индукции. Некоторые люди называют их электромеханическими преобразователями. Побочным эффектом данных устройств считается обильное выделение тепла. Существуют модели постоянного и переменного типа.

Также устройства различают по типу ротора. В частности, есть короткозамкнутые и фазные модификации. Сфера применения электромагнитных двигателей очень широкая. Встретить их можно в бытовых приборах, а также промышленных агрегатах. Активно используются они и в самолетостроении.

Схема двигателя

Схема электромагнитного двигателя включает в себя статор, а также ротор. Коллекторы, как правило, применяются щеточного типа. Ротор состоит из вала, а также наконечника. Для охлаждения системы часто устанавливаются вентиляторы. Для свободного вращения вала имеются роликовые подшипники. Также существуют модификации с магнитопроводами, которые являются неотъемлемой частью статора. Над ротором располагается контактное кольцо. В мощных модификациях используется втягивающее реле. Непосредственно подача тока осуществляется через кабель.

Принцип работы двигателя

Как говорилось ранее, принцип действия построен на электромагнитной индукции. При подключении модели образуется магнитное поле. Затем на обмотке возрастает напряжение. Под силой действия магнитного поля в действие приводится ротор. Частота вращения устройства в первую очередь зависит от количества магнитных полюсов. Коллектор в данном случае играет роль стабилизатора. Подача тока в цепь происходит через статор. Также важно отметить, что для защиты двигателя используются кожухи и уплотнители.

Как сделать своими руками?

Сделать обычный электромагнитный двигатель своими руками довольно просто. В первую очередь следует заняться ротором. Для этого придется найти металлический стержень, который будет играть роль вала. Также потребуется два мощных магнита. На статоре должна находиться обмотка. Далее останется лишь установить щеточный коллектор. Электромагнитные двигатели-самоделки подсоединяются к сети через проводник.

Модификации для машин

Электромагнитные двигатели для автомобилей изготавливаются только коллекторного типа. Мощность их в среднем составляет 40 кВт. В свою очередь, параметр номинального тока равняется 30 А. Статоры в данном случае используются двухполюсные. У некоторых модификаций имеется клеммная коробка. Для охлаждения системы применяются вентиляторы.

Также в устройствах предусмотрены специальные отверстия для циркуляции воздуха. Роторы в двигателях устанавливаются с металлическими сердечниками. Для защиты вала используются уплотнители. Статор в данном случае находится в кожухе. Электромагнитные двигатели для машин с втягивающими реле встречаются редко. В среднем диаметр вала не превышает 3.5 см.

Устройства для самолетов

Работа двигателей данного типа построена на принципе электромагнитной индукции. Для этого статоры применяются трехполюсного типа. Также электромагнитные двигатели летательных аппаратов включают в себя бесщеточные коллекторы. Клеммные коробки в устройствах располагаются над контактными кольцами. Неотъемлемой частью статора является якорь. Вал вращается благодаря роликовым подшипникам. У некоторых модификаций применяются щеткодержатели. Также важно упомянуть о различных типах клеммных коробок. В данном случае многое зависит о мощности модификации. Электромагнитные двигатели для самолетов с целью охлаждения оборудуются вентиляторами.

Двигатели-генераторы

Электромагнитные двигатели-генераторы выпускаются со специальными бендиксами. Также схема устройства включает в себя втягивающие реле. Для запуска ротора применяются сердечники. Статоры в устройствах используются двухполюсного типа. Непосредственно вал у них крепится на роликовых подшипниках. У большинства двигателей имеется резиновая заглушка. Таким образом, ротор изнашивается медленно. Еще есть модификации с щеткодержателями.

Модели с короткозамкнутым ротором

Электромагнитный двигатель с короткозамкнутым ротором часто устанавливается в бытовых приборах. Мощность моделей в среднем равняется 4 кВт. Непосредственно статоры используются двухполюсного типа. Роторы крепятся в задней части двигателя. Вал у моделей применяется небольшого диаметра. На сегодняшний день чаще всего выпускаются асинхронные модификации.

Клеммные коробки в устройствах отсутствуют. Для подачи тока используются специальные полюсные наконечники. Также схема двигателя включает в себя магнитопроводы. Крепятся они возле статоров. Еще важно отметить, что выпускаются устройства с щеткодержателями и без них. Если рассматривать первый вариант, то в данном случае устанавливаются специальные зубчатые передачи. Таким образом, статор ограждается от магнитного поля. Устройства без щеткодержателя имеют уплотнитель. Бендиксы в двигателях устанавливаются за статором. Для их фиксации применяются шпонки. Недостатком данных устройств считается быстрый износ сердечника. Возникает он из-за повышенной температуры в двигателе.

Модификации с фазным ротором

Электромагнитный двигатель с фазным ротором устанавливается на станки и часто используется в тяжелой промышленности. Магнитопроводы в данном случае имеются с якорями. Отличительной чертой устройств принято считать большие валы. Непосредственно напряжение на обмотку подается через статор. Для вращения вала используется щеткодержатель. В некоторых из них установлены контактные кольца. Также важно отметить, что мощность моделей в среднем составляет 45 кВт. Непосредственно питание двигателей может осуществляться только от сети с переменным током.

Коллекторный электромагнитный двигатель: принцип работы

Коллекторные модификации активно применяются для электроприводов. Принцип действия у них довольно простой. После подачи напряжения в цепь задействуется ротор. Электромагнитное поле запускает процесс индукции. Возбуждение обмотки заставляет вал ротора вращаться. Тем самым приводится в действие диск устройства. Для уменьшения силы трения используются подшипники. Также важно отметить, что в моделях устанавливаются щеткодержатели. В задней части устройств часто имеется вентилятор. Для того чтобы вал не терся об уплотнитель, применяется защитное кольцо.

Бесколлекторные модификации

Бесколлекторные модификации в наше время не являются распространенными. Используются они для вентиляционных систем. Отличительной их особенностью считается бесшумность. Однако следует учитывать, что модели выпускаются небольшой мощности. В среднем указанный параметр не превышает 12 кВт. Статоры в них часто устанавливаются двухполюсного типа. Валы используются короткие. Для ограждения ротора применяются специальные уплотнители. Иногда двигатели заключаются в кожух, у которого имеются вентиляционные каналы.

Модели с независимым возбуждением

Модификации данного типа отличаются клеммными магнитопроводами. В данном случае устройства работают в сети только с переменным током. Непосредственно напряжение в первую очередь подается на статор. Роторы у моделей изготавливаются с коллекторами. У некоторых модификаций мощность достигает 55 кВт.

По типу якорей устройства отличаются. Щеткодержатели часто устанавливаются на стопорном кольце. Также важно отметить, что коллекторы в устройствах используются с уплотнителями. Диски в данном случае располагаются за статорами. У многих двигателей бендиксы отсутствуют.

Схема двигателя с самовозбуждением

Электромагнитные двигатели данного типа способны похвастаться высокой мощностью. В данном случае обмотки имеются высоковольтного типа. Подача напряжения происходит через клеммные контакты. Непосредственно ротор крепится за щеткодержателем. Уровень рабочего тока в устройствах составляет 30 А. В некоторых модификациях применяются якоря с щеткодержателями.

Также есть устройства с однополюсными статорами. Непосредственно вал находится в центре двигателя. Если рассматривать устройства большой мощности, то у них применяются вентилятор для охлаждения системы. Также на кожухе располагаются небольшие отверстия.

Модели с параллельным возбуждением

Электромагнитные двигатели данного типа изготавливаются на базе щеточных коллекторов. Якоря в данном случае отсутствуют. Вал в устройствах крепится на роликовых подшипниках. Также для уменьшения силы трения используются специальные лапы. У некоторых конфигураций есть магнитопроводы. Подключаться модели могут только к сети с постоянным током.

Еще важно отметить, что на рынке в основном представлены трехтактные модификации. Щеткодержатели в устройствах выполнены в форме цилиндров. По мощности модели отличаются. В среднем параметр рабочего тока на холостом ходе не превышает 50 А. Для усиления электромагнитного поля применяются роторы с высоковольтной обмоткой. У некоторых конфигураций используются наконечники на магнитопроводах.

Устройства последовательного возбуждения

Принцип работы двигателей данного типа довольно простой. Непосредственно напряжение подается на статор. Далее ток проходит по обмотке ротора. На данном этапе происходит возбуждение первичной обмотки. Вследствие этого приводится в действие ротор. Однако следует учитывать, что работать двигатели способны только в сети с переменным током. Наконечники в данном случае применяются с магнитопроводом.

Некоторые устройства оснащены щеткодержателями. Мощность моделей колеблется от 20 до 60 кВт. Для фиксации вала используются стопорные кольца. Бендиксы в данном случае располагаются в нижней части конструкции. Клеммники отсутствуют. Также важно отметить, что вал устанавливается различного диаметра.

Двигатели смешанного возбуждения

Электромагнитные двигатели данного типа могут использоваться только для приводов. Ротор здесь чаще всего устанавливается с первичной обмоткой. В данном случае показатель мощности не превышает 40 кВт. Номинальная перегрузка системы составляет около 30 А. Статор в устройствах применяется трехполюсного типа. Подключать указанный двигатель можно только в сеть с переменным током. Клеммные коробки у них используются с контактами.

Некоторые модификации оснащены щеткодержателями. Также на рынке представлены устройства с вентиляторами. Уплотнители чаще всего располагаются над статорами. Действуют устройства по принципу электромагнитной индукции. Первичное возбуждение осуществляется на магнитопроводе статора. Также важно отметить, что в устройствах применятся высоковольтная обмотка. Для фиксации вала используются защитные кольца.

Устройства переменного тока

Схема модели данного типа включает статор двухполюсного типа. В среднем мощность устройства равняется 40 кВт. Ротор здесь применяется с первичной обмоткой. Также есть модификации, у которых имеются бендиксы. Устанавливаются они у статора и играю роль стабилизатора электромагнитного поля.

Для вращения вала применяется ведущая шестерня. В данном случае лапы устанавливаются для уменьшения силы трения. Также используются полюсные наконечники. Для защиты механизма применяются кожухи. Магнитопроводы у моделей устанавливаются лишь с якорями. В среднем рабочий ток в системе поддерживается на уровне 45 А.

Синхронные устройства

Схема синхронного двигателя включает в себя двухполюсный статор, а также щеточный коллектор. В некоторых устройствах применяется магнитопровод. Если рассматривать бытовые модификации, то в них используются щеткодержатели. В среднем параметр мощности составляет 30 кВт. Устройства с вентиляторами встречаются редко. У некоторых моделей применяются зубчатые передачи.

Для охлаждения двигателя на кожухе имеются вентиляционные отверстия. В данном случае стопорное кольцо устанавливается у основания вала. Обмотка используется низковольтного типа. Принцип работы синхронной модификации построен на индукции электромагнитного поля. Для этого в статоре устанавливаются магниты разной мощности. При возбуждении обмотки вал начинается вращаться. Однако частотность у него невысокая. Мощных модели имеют коллекторы с реле.

Схема асинхронного двигателя

Асинхронные модели являются компактными и часто используются в бытовых приборах. Однако в тяжелой промышленности они также являются востребованными. В первую очередь следует отметить их защищенность. Роторы в устройствах применяются только однополюсного типа. Однако статоры устанавливаются с магнитопроводами. В данном случае обмотка применяется высоковольтного типа. Для стабилизации электромагнитного поля есть бендикс.

Крепится он в устройстве благодаря шпонке. Втягивающее реле в них располагается за якорем. Вал устройства вращается на специальных роликовых подшипниках. Также важно отметить, что есть модификации с бесщеточными коллекторами. Используются они в основном для приводов различной мощности. Сердечники в данном случае установлены удлиненные, и располагаются они за магнитопроводами.