Электродвигатель. Виды и применение. Работа и устройство

Устройство под названием «электродвигатель» предназначается для преобразования энергии э/м поля в ее механическую (вращательную) разновидность. Такие агрегаты широко применяются во многих областях хозяйственной деятельности человека. Они востребованы в механизмах, где вращательное движение вала двигателя позволяет производить полезную работу.

Как работает электродвигатель постоянного/переменного тока

В основу работы электродвигателей различного типа заложен принцип взаимодействия магнитных полей, открытый М. Фарадеем в 1821 году. Коротко его суть можно сформулировать следующим образом:

При протекании тока через провод (обмотку) вокруг него появляется собственное магнитное поле.
Если такой провод находится рядом с постоянным магнитом – он начнет отклоняться в ту или другую сторону.
Величина и вектор отклонения зависят от направления протекания потока электронов и его интенсивности.
Если пропускать постоянный ток через рамку, расположенную в промежутке между двумя полюсами магнита – она начнет вращаться.
Направление вращения зависит от того, в какую сторону движутся заряженные частицы.

Это открытие легло в основу разработки известного всем двигателя постоянного тока.

Elektrodvigatel 2

Представленный схематично электродвигатель состоит из следующих основных частей:

Двухполюсный постоянный магнит.
Вращающаяся рамка, по которой пропускается ток.
Токосъемные графитовые щетки

Для полноценной работы такого устройства потребуется отдельный источник энергии.

Вращение рамочной конструкции в поле постоянного магнита объясняется отталкиванием однополярных полюсов и притягиванием противоположных. В реальном электродвигателе вместо одиночной рамки используется так называемый «ротор» или «якорь», состоящий из множества витков проводников выбранного диаметра.

На основании того же открытия была разработана еще одна разновидность преобразователя электроэнергии во вращательное движение. Это электродвигатель, в котором в качестве магнитов используются катушки с протекающим по ним трехфазным током. Принцип его работы точно такой же, что и у описанной выше модели, но конструкция и способ преобразования несколько иные.

В устройствах переменного тока ротор, расположенный между многополюсными катушками, под воздействием изменяющегося по величине и направлению э/м поля начинает вращаться. Чаще всего он изготавливается в виде цилиндра, состоящего из множества короткозамкнутых витков и внешне напоминающего клетку белки. Применение ротора, называемого «беличьим колесом», позволяет повысить КПД электродвигателя и улучшить его эксплуатационные показатели.

Разновидности электродвигателей

Электродвигатели классифицируются по следующим основным признакам:

Вид электрической энергии, используемой для формирования э/м поля в катушках.
Особенности взаимодействия неподвижного статора и вращающегося ротора.
Способ подачи напряжения на подвижный узел.

В особую группу выделяются шаговые серводвигатели, ротор которых вращается не непрерывно, а дискретно (пошагово).

Согласно первому признаку все известные устройства делятся на двигатели постоянного и переменного тока. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы и востребован в определенных условиях эксплуатации.

По способу взаимодействия э/м полей статора и ротора электродвигатели подразделяются на асинхронные и синхронные. Первые отличаются от вторых тем, что скорость вращения ротора у них несколько меньше того же показателя для э/м поля статора. Он слегка отстает от вращающегося э/м потока и как бы «скользит» по нему. В синхронных устройствах такого отставания нет.

Асинхронный электродвигатель

Основными узлами являются неподвижный статор в виде медных обмоток и вращающийся ротор, вал которого передает механический импульс на приводной механизм. Катушки намотаны на сердечниках из специальной электротехнической стали, позволяющей получить нужные рабочие характеристики.

Они выполнены в виде трех групп одинаковых полюсов, разнесенных по окружности одна относительно другой на 120 градусов. На каждую такую группу от трехфазной сети подается напряжение соответствующей фазы, смещенное относительно двух других на ту же треть периода (360/3). Благодаря этому электромагнитное поле катушек перемещается по окружности статора с сетевой частотой 50 герц. При этом оно взаимодействует с э/м полем ротора, который начинает вращаться с той же радианной скоростью.

Elektrodvigatel ustroistvo 2

Помимо этих двух частей, асинхронный электродвигатель содержит следующие обязательные узлы:

Клеммная коробка.
Вал.
Статор.
Ротор.
Корпус.
Вентилятор.
Комплект подшипников скольжения.

Для охлаждения трущихся частей на корпус агрегата устанавливается вентилятор, работающий от того же трехфазного источника тока.

Асинхронные двигатели отличаются относительной дешевизной и высокой надежностью функционирования.

К недостаткам традиционно относят:

Непостоянство скорости вращения вала.
Сложность управления этим параметром.
Его ограниченность по величине (не более 3000 оборотов в минуту).

Для устранения всех перечисленных недостатков был разработан синхронный электродвигатель.

Синхронные агрегаты

Этот тип электродвигателей примечателен тем, что ротор у них вращается синхронно с создаваемым статором э/м полем. В корпусе такого изделия также имеются полюса с обмотками (3). Подвижный ротор, называемый в этом случае «якорем», тоже состоит из обмоток, намотанных в пазах основания из электротехнической стали.

Elektrodvigatel 3

Выводы его катушек припаиваются к секторам коллектора 5, выполненного в виде токосъемного кольца. А на них в свою очередь подается рабочее напряжение, для чего используются графитовые щетки 4. За счет подачи напряжения на коллектор якоря в его обмотках формируется свое собственное э/м поле.

Вращающий момент в синхронных двигателях создается в результате взаимодействия между электромагнитными потоками ротора (якоря) и возбуждающей обмотки. Регулировать скорость вращения вала можно путем изменения величины прикладываемого к щеткам напряжения. В большинстве бытовых приборов, работающих по этому принципу, в качестве регулирующего органа чаще всего используется переменное сопротивление или проволочный реостат.

По способу подачи питания на вращающийся ротор все известные двигатели подразделяются на агрегаты с коллекторным подключением и обходящиеся без него. Вторая разновидность так и называется – бесколлекторные моторы. Они характеризуются высокой надежностью и привлекают пользователя низким уровнем вредных электромагнитных излучений.

К их достоинствам также относят:

Отсутствие искрообразования, позволяющее применять эти устройства на особо опасных производствах.
Пониженная шумность.
Длительные сроки эксплуатации.
Простота обслуживания.

Такие электродвигатели востребованы во взрывоопасных производствах, связанных с переработкой и перекачкой нефти и газа.

Бесколлекторные агрегаты применяются не только в промышленном производстве. Они востребованы и в быту, где на их основе производятся такие нужные в домашнем хозяйстве устройства, как электрические мясорубки, холодильники, пылесосы, а также вентиляторы, соковыжималки и т.п. Универсальность этих агрегатов заключается в том, что они выпускаются в двух исполнениях, одно из которых работает от сети переменного тока, а второе – от постоянного напряжения. Это позволяет применять такой электродвигатель в миниатюрных приборах самого широкого назначения.

Области применения асинхронных и синхронных машин

Асинхронные электродвигатели – самый распространенный тип устройств, преобразующих электрическую энергию во вращательное движение. Изделия этого класса широко применяются в самых различных областях народнохозяйственной деятельности. Чаще всего они используются в качестве приводных агрегатов, устанавливаемых в дерево- и металлообрабатывающих станках и в подобных им механизмах.

В бытовых условиях асинхронные двигатели применяются в приборах, где не требуется регулировка скорости вращения вала. К этой категории относятся следующие изделия:

Холодильники различных типов.
Бытовые вентиляторы.
Стиральные машины.
Электробритвы.
Звуковоспроизводящая аппаратура и другие устройства.

Однофазные синхронные (коллекторные) электродвигатели нередко применяются в быту там, где требуется высокая скорость вращения, а также возможность ее плавного изменения. Они востребованы и в тех областях, где необходима частота вращения вала более 3000 оборотов в минуту. Такой электродвигатель устанавливается в профессиональном и бытовом электроинструменте (в дрелях и перфораторах, например), а также в кофемолках, пылесосах и миксерах.