Электродвигатель – устройство для преобразования электроэнергии во вращательное движение вращающейся части электрической машины. Преобразование энергии в двигателях происходит за счет взаимодействия магнитных полей обмоток статора и ротора. Эти электрические машины широко используются во всех отраслях промышленности, в качестве привода электротранспорта и инструментов, в системах автоматизации, бытовой техники и так далее.
Классификация электродвигателей
Все электрические двигатели классифицируются по следующим признакам:
· 1. По принципу возникновения вращающего (крутящего) момента электродвигатели подразделяются на:
o - гистерезисные;
o - магнитоэлектрические.
У гистерезисных двигателей вращающий момент создаётся вследствие гистерезиса при перемагничивании ротора. Такие двигатели не являются традиционными и в промышленности практически не применяются.
В магнитоэлектрических двигателях вращающий момент создаётся за счёт электромагнитной индукции.
Магнитоэлектрические двигатели нашли наибольшее применение в различных областях промышленности.
· 2. По типу потребляемой энергии магнитоэлектрические двигатели подразделяется на:
o - двигатели постоянного тока;
o - двигатели переменного тока;
o - универсальные двигатели.
· 2.1. Двигатель постоянного тока - это электрический двигатель, питание которого осуществляется постоянным током.
Данная группа двигателей в свою очередь по наличию щёточноколлекторного узла подразделяется на:
· - коллекторные двигатели;
· - бесколлекторные двигатели.
В коллекторных двигателях щёточно-коллекторный узел обеспечивает электрическое соединение цепей вращающейся и неподвижной частей машины и является наиболее ненадёжным и сложным в обслуживании конструктивным элементом.
По типу возбуждения коллекторные двигатели можно разделить на:
· - двигатели с независимым возбуждением от электромагнитов и постоянных магнитов;
· - двигатели с самовозбуждением.
Коллекторные двигатели с самовозбуждением делятся на:
· а) двигатели с параллельным возбуждением;
· б) двигатели последовательного возбуждения;
· в) двигатели смешанного возбуждения.
В двигателях с параллельным возбуждением обмотка якоря включается параллельно обмотке возбуждения;
В двигателях с параллельным возбуждением обмотка якоря включается последовательно обмотке возбуждения;
В двигателях смешанного возбуждения обмотка возбуждения включается частично последовательно и частично параллельно обмотке якоря.
Бесколлекторные двигатели (вентильные двигатели) - это электродвигатели, выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика положения ротора, системы управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя (инвертора).
Принцип работы данных двигателей аналогичен принципу работы синхронных двигателей.
Основные физические процессы и принцип действия
На движущиеся внутри магнитного поля электрические заряды, которые называют электрическим током, всегда действует механическая сила, стремящаяся отклонить их направление в плоскости, расположенной перпендикулярно ориентации магнитных силовых линий. Когда электрический ток проходит по металлическому проводнику или выполненной из него катушке, то эта сила стремится подвинуть/повернуть каждый проводник с током и всю обмотку в целом.
На картинке ниже показана металлическая рамка, по которой течет ток. Приложенное к ней магнитное поле создает для каждой ветви рамки силу F, создающую вращательное движение.
Это свойство взаимодействия электрической и магнитной энергии на основе создания электродвижущей силы в замкнутом токопроводящем контуре положено в работу любого электродвигателя. В его конструкцию входят:
· обмотка, по которой протекает электрический ток. Ее располагают на специальном сердечнике-якоре и закрепляют в подшипниках вращения для уменьшения противодействия сил трения. Эту конструкцию называют ротором;
· статор, создающий магнитное поле, которое своими силовыми линиями пронизывает проходящие по виткам обмотки ротора электрические заряды;
· корпус для размещения статора. Внутри корпуса сделаны специальные посадочные гнезда, внутри которых вмонтированы внешние обоймы подшипников ротора.
Упрощенно конструкцию наиболее простого электродвигателя можно представить картинкой следующего вида.
При вращении ротора создается крутящий момент, мощность которого зависит от общей конструкции устройства, величины приложенной электрической энергии, ее потерь при преобразованиях.
Величина максимально возможной мощности крутящего момента двигателя всегда меньше приложенной к нему электрической энергии. Она характеризуется величиной коэффициента полезного действия.
Определение КПД электродвигателя
Чтобы определить этот параметр необходимо сравнить выдаваемую им энергию с энергией, необходимой ему чтобы функционировать. Вычисляется КПД с помощью выражения:
η=P2/P1
где η - КПД
P2- полезная механическая мощность электромотора, Вт
P1- потребляемая двигателем электрическая мощность, Вт.
Коэффициент полезного действия это величина, находящаяся в диапазоне от 0 до 1, чем ближе ее значение к единице, тем лучше. Соответственно, если КПД имеет значение 0,95 - это показывает, что 95 процентов электрической энергии будут преобразованы им в механическую и лишь 5 процентов составят потери. Стоит отметить, что КПД не является постоянной величиной, он может меняться в зависимости от нагрузки.