Электродвигатели: типы, параметры, устройство и принцип работы

Электрическим двигателем называют машину, благодаря работе которой электроэнергия преобразуется в механическую, используемую, чтобы приводить в движение механизмы. Электрический двигатель – главный элемент электропривода, который управляет процессом преобразования энергии. Особенности его работы изучает электромеханика, одним из основоположников которой стал Майкл Фарадей, создавший первую модель электродвигателя.

Электропривод может работать в нескольких режимах. В некоторых из них происходит процесс обратного преобразования, электропривод в этом случае выполняет функции генератора. Двигатель может создавать движения нескольких видов – например, вращающиеся, линейные другие. Чаще всего, когда говорят об электродвигателе, имеют в виду вращающее устройство, поскольку оно получило наибольшее распространение.

Конструкция двигателя и принцип работы

Основные элементы конструкции устройства – это ротор (элемент, который вращается) и статор (неподвижная часть). Ротор, как правило, находится внутри статора, однако встречает и иная конструкция. Такие электродвигатели, у которых ротор находится снаружи конструкции, называют обращенными.

Устройства работают по следующему алгоритму:

1. В соответствии с законом Ампера, сила действует на проводник с электрическим током в магнитном поле.
2. В согнутом состоянии, когда проводник принимает форму рамки и находится в магнитном поле, обе его стороны принимают прямой угол по отношению к этому полю и испытывают силы, направленные противоположно.
3. Эти силы образуют крутящий момент, который вращает рамку.
4. На якоре, где образуется электродвижущая сила, есть несколько витков, необходимых для обеспечения большего постоянного момента.
5. Магнитное поле создается не только магнитами, но и электромагнитами – намотанными на сердечник проводами. Ток, который протекает в рамки, усиливает движение тока в эти провода, благодаря чему и создается магнитное поле.

Типы электродвигателей

Классификация электродвигателей довольно разнообразна, две основные группы – коллекторные и бесколлекторные устройства.

Коллекторные двигатели (с механической коммутацией)

Конструкция устройства предполагает, что есть как минимум одна обмотка, которая подсоединена к коллектору. Этот элемент используется для переключения обмоток, а также выполняет функции датчика, который определяет положение ротора, являющегося якорем. Коллекторные двигатели могут быть:

• Универсальные – они работают как на переменном токе, так и на постоянном. Особенно часто подобные устройства используются в бытовых приборах, а также в инструменте, предназначенном для ручного использования. Модели отличаются легкостью, простотой в управлении, компактными размерами, поэтому получили широкое распространение.
• Устройства постоянного тока, работа которых основана на преобразовании его электрической энергию в механическую. Они отличаются быстродействием, простотой управления, высоким пусковым моментом, возможностью плавной регулировки частоты вращения. Однако коллектор достаточно быстро изнашивается, поэтому агрегаты отличаются ограниченным сроком службы. Кроме того, его коллекторно-щеточные элементы нуждаются в регулярном обслуживании.

В целом коллекторные двигатели отличаются довольно простым устройством и невысокой стоимостью, поэтому они широко используются как в промышленных агрегатах, так и в бытовых. Их скорость можно регулировать в широких пределах, а для крутящего момента характерны хорошие показатели даже на малых оборотах.

Бесколлекторные модели

Обмотки бесколлекторных двигателей располагаются на статоре. Типы таких устройств:

• Асинхронные модели очень распространены в промышленности. Они отличаются надежностью, долгим сроком службы, простотой обслуживания и низкой себестоимостью. Недостаток конструкций – сложная процедура регулирования частоты вращения.
• Синхронные модели используются там, где требуется точно управлять скоростью вращения, а также в случаях, когда важным становятся максимальные КПД и мощность.

Поскольку из конструкции двигателя исключен коллектор, она отличается большей простотой, по сравнению с коллекторными моделями. Другие достоинства – высокий КПД, хорошее охлаждение, а также возможность работы в воде, при условии использования специальных водоотталкивающих смазок.

Специальные модели

Серводвигателем называют устройство, которое позволяет фиксировать рабочий орган в требуемых положениях и перемещать его в соответствии с заданными параметрами. Серводвигатели не выделяют в отдельную группу, поскольку в этом качестве используются устройства как постоянного, так и переменного тока, в которых установлен датчик положения ротора. Чтобы привести устройство в действие и управлять им, необходима особая система управления, которая обычно создается специально для сервопривода.

Дополнительные категории

В каждой из перечисленных категорий выделяют дополнительные подкатегории.

• Коллекторные модели могут быть универсальными либо репульсионными. Этот термин означает двигатель переменного тока, между ротором и статором которого есть трансформаторная связь. Частоту вращений такого электродвигателя можно регулировать в широких пределах.
• Двигатели постоянного тока могут различаться типом включения обмотки. Он может быть независимым, параллельным, комбинированным.
• Асинхронные двигатели бывают одно-, двух- или трехфазными.

Каждая из перечисленных моделей используется для выполнения конкретных задач и для разных типов устройств. Информация о возможностях двигателя, его типе указана в маркировке каждого агрегата.

Параметры работы электродвигателя

Надежность электродвигателя и экономичность его работы зависят от правильного подбора его параметров. При оценке устройства определяющими становятся следующие критерии:

• вращающий момент;
• мощность;
• частота вращения;
• КПД;
• напряжение;
• момент инерции ротора.

Дадим подробную характеристику каждому из этих критериев.

Вращающий момент

Термином называют физическую величину, измеряемую в Ньютонах на метр, которая является произведением силы на плечо силы. Для ее расчета радиус вектор, направленный от точки приложения силы к оси вращения, умножается на вектор силы. Формула выглядит следующим образом: M = Fr.

Мощность

Мощность демонстрирует, какую работу двигатель совершает за определенную единицу времени. С точки зрения электротехники мощность рассматривается как полезная механическая мощность на электровалу.

КПД

Характеристика демонстрирует, насколько эффективна система преобразования электроэнергии в механическую. Коэффициент (η) рассчитывается как соотношение между полезной энергией (P2) и потраченной (P1): η = P2 ÷ P1.

Эффективность работы электродвигателя может снижаться по следующим причинам:

• Проводники с током нагреваются, происходит потеря тепла – в этом случае говорят об электрических потерях.
• Излишнее намагничивание сердечника вызывает появление гистерезиса (ответной реакции системы) и вихревых токов.
• Дополнительные потери, обусловленные зубчатой формулой статора и ротора, в результате чего появляются гармоники магнитного поля.

КПД определяется типом устройства, а диапазон его вариаций – от 10% до 99%. Этот показатель является одним из определяющих для расчета мощности двигателя.

Частота вращения

Параметр определяется как число оборотов, которое совершает двигатель за минуту. Частота вращения используется для расчета мощности двигателя насоса, однако показатель меняется, в зависимости от того, происходят измерения под нагрузкой либо на холостом ходу. Параметр рассчитывается по формуле: n = 30 × ω ÷ pi.

Момент инерции

Критерий демонстрирует степень инертности при движении вокруг своей оси. Основная характеристика представляет собой сумму произведений квадрата расстояния от материальных точек до оси на их массы. Момент инерции рассчитывается формулой J = ∑ r2 × dm, в которой m обозначает массу объекта.

Момент инерции взаимосвязан с моментом силы. Это соотношение выражается следующей формулой: M - J × ε, в которой epsilon – это угловое ускорение, рассчитываемое по формуле dω ÷ dt.

Расчетное (номинальное) напряжение

Термином называют базовое напряжение, под которое спроектирована электрическая сеть. Под номинальным напряжением понимается расчетные величины, спроектированные разработчиком и рассчитанные на работу оборудования в нормальном режиме. Перечень возможных вариантов перечислен в ГОСТ, характеристика всегда указывается в описании механизмов.

Электрическая константа времени

Время, необходимое после подачи на двигатель напряжения, за которое ток может достигнуть 63% от своего максимального финального значения. Значения рассчитываются по формуле te = L ÷ R.

Сравнение параметров внешне коммутируемых двигателей

Рассматривая использование электродвигателей как тяговых компонентов транспортных средств, можно сделать вывод, что в автомобилестроении наиболее целесообразно применение синхронного реактивного электрического двигателя, оснащенного постоянными магнитами. Его применение позволяет достичь высокой мощности и КПД в широком диапазоне. Сравнение проводилось по следующим параметрам:

• Способность сохранять постоянную мощность во всем скоростном диапазоне.
• Момент к току статора.
• КПД во всем диапазоне.
• Вес.

Применение электродвигателей

Электрические двигатели считаются крупнейшими потребителями энергии. Около 45% энергии, потребляемой во всем мире, приходится именно на них. Устройства используются во всех отраслях промышленности, а также нашли широкое применение в быту. Чаще всего двигатели применяются в следующих сферах:

• В промышленности на их основе работают вентиляторы и насосы разной мощности. Без электрических двигателей невозможна работа компрессоров, конвейеров. Кроме того, они используются в качестве движущей силы для других промышленных устройств и оборудования.
• Строительство. Электродвигатели обеспечивают нормальную работу системы отопления, бесперебойную и безопасную работу лифтов. Устройства применяются для оборудования вентиляционных систем, насосов и конвейеров, систем кондиционирования.
• Потребительские товары. С работой электрических двигателей сталкивается каждый потребитель, поскольку они обеспечивают доступность многих благ цивилизации. Например, работа электродвигателя лежит в основе функций, которые выполняют холодильники и бытовые кондиционеры, миксеры, стиральные машины. Без этих агрегатов невозможна работа ноутбуков, поскольку благодаря им обеспечивается система охлаждения.

В таблице приведены основные технологии и устройства, работа которых невозможна без применения электрических двигателей.

Производители

Перечислим некоторые ведущие российские и зарубежные предприятия, которые занимаются производством разных типов электродвигателей. Ведущие российские производители:

• Армавирский электротехнический завод – одно из старейших предприятий, которое занимается выпуском электродвигателей с середины 20 века, постоянно усовершенствуя конструкции.
• Владимирский электромоторный завод, являющийся частью крупного холдинга «Русэлпром», который объединяет несколько крупных российских предприятий, работающих над производством электротехнической продукции. В состав концерна входят также предприятия Санкт-Петербурга, Смоленской области.

Кроме того, на рынке широко востребована продукция зарубежных производителей, таких как General Electric, Emerson Electric и других.

Продукция от ведущих производителей, выпускающих конструкции всех типов, представлена в интернет-магазине «Мир привода». Мы предлагаем только качественные современные агрегаты, отличающиеся простотой и удобством использования, высокой эффективностью. В нашем каталоге можно подобрать устройства для решения любых задач, связанных с бесперебойной работой электрических двигателей.

Библиографический список

• ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
• И.В.Савельев. Курс общей физики, том I. Механика, колебания и волны, молекулярная физика.-М.:Наука, 1970.
• ГОСТ 29322-92 (МЭК 38-83) Стандартные напряжения.
• ГОСТ 16264.0-85 Электродвигатели малой мощности
• А.И.Вольдек, В.В.Попов. Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов.- СПб.: Питер, 2007.
• Paul Waide, Conrad U. Brunner. Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems. International Energy Agency Working Paper, Energy Efficiency Series.: Paris, 2011.
• Dr. J. Merwerth. The hybrid-synchronous machine of the new BMW i3 & i8 challenges with electric traction drives for vehicles. BMW Group, Workshop University Lund: Lund, 2014.