В данной статье объясняется принцип работы электродвигателей, включая различные типы двигателей и некоторые распространенные области их применения в современной технике.
Темы, рассматриваемые в данном руководстве
Проверено инженером технической поддержки Карлом Ральфом (ноябрь 2022 г.)
Итак, что же такое электродвигатель и как он работает?
Проще говоря, электродвигатель работает, преобразуя электрическую энергию в магнитную силу, которая затем преобразуется в механическое движение. Двигатель создает движение, используя магнитные поля и электрический ток.
Существует множество способов достижения этой цели, поэтому электродвигатели выпускаются в самых разных конструкциях, формах и размерах. Двигатели также могут питаться различными способами. Традиционные двигатели переменного и постоянного тока существуют уже много лет, но сегодня современная электроника позволяет нам управлять двигателями гораздо точнее.
Благодаря этому современные двигатели способны достигать высокой эффективности и обеспечивать лучшее управление производительностью по сравнению со старыми конструкциями.
Обзор электродвигателя
В чём принцип работы электродвигателя?
Основной принцип работы электродвигателя основан на взаимодействии магнитных полей.
Когда электрический ток протекает через проводник в магнитном поле, возникает сила. Эта сила приводит в движение вращающиеся компоненты двигателя, что вызывает механическое движение.
В типичном двигателе основными компонентами являются:
- Ротор (вращающаяся часть)
- Статор (стационарное магнитное поле)
- Коммутатор
- Кисти
Источник питания (обычно постоянное напряжение в простых примерах)
Как работает электродвигатель
В приведенном примере на схеме движущимися компонентами являются ротор и коммутатор.. Он Постоянные магниты (статор), щетки и источник питания остаются неподвижными.
Коммутатор разделён на два полукруглых сегмента, соединённых с обмоткой ротора. Эти сегменты образуют электрическую цепь между… щетки и источник постоянного напряжения.
Принцип работы двигателя можно описать следующим образом:
- Электрический ток течет от батареи через угольные щетки в цепь ротора.
- Этот ток генерирует электромагнитное поле вокруг ротора.. Северный полюс ротора обращен к северному полюсу магнита, а южный полюс — к другому южному полюсу.
- Поскольку одноименные магнитные полюса отталкиваются друг от друга, возникает сила отталкивания.отталкивая ротор от магнита, происходит вращение ротора.
- Когда ротор вращается мимо точки контакта коммутатора, электрическое соединение изменяется.
- В этом случае направление тока, протекающего через ротор, меняется на противоположное.
- Это изменение направления также переворачивает магнитное поле ротора, поэтому магнитное отталкивание продолжается и поддерживает вращение ротора.
Таким образом достигается непрерывное вращательное движение.
Типы электродвигателей
Некоторые электродвигатели работают на постоянном токе (DC), другие — на переменном токе (AC). Существуют также двигатели, управляемые сигналами или импульсами через электронные контроллеры.
Электродвигатели выпускаются в различных размерах, с разной мощностью и конструктивными особенностями в зависимости от области применения.
К трем основным категориям двигателей относятся:
Двигатели переменного тока
- Асинхронные двигатели
- Синхронные двигатели
- Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором
Двигатели постоянного тока
- Шунтирующие двигатели
- Последовательные двигатели
- Двигатели с раздельным возбуждением
Другие типы двигателей
- Универсальные двигатели
- Шаговые двигатели
- Бесщеточные двигатели
Вспомогательные устройства для электродвигателей часто используются для увеличения срока службы двигателя, повышения безопасности и стабильности его работы.
Двигатели переменного тока
Как работают двигатели переменного тока?
Двигатели переменного тока работают за счет преобразования переменного тока в изменяющееся электромагнитное поле. Это переменное магнитное поле создает движение посредством нескольких различных механизмов.
Асинхронные двигатели
В асинхронных двигателях статор генерирует вращающееся магнитное поле. Это поле индуцирует ток в роторе, который затем создает собственное магнитное поле и заставляет ротор вращаться.
Синхронные двигатели
В синхронных двигателях ротор вращается с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, создаваемое статором.
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором — это разновидность индукционных двигателей. В них обмотка ротора заменена сплошными проводящими стержнями, соединенными между собой и образующими конструкцию, внешне напоминающую короткозамкнутый ротор.
Переменное магнитное поле индуцирует токи внутри этих стержней, создавая магнитное поле, которое вызывает вращательное движение.
Пусковые устройства для двигателей
Для более мощных двигателей обычно требуется пусковое устройство. Пусковое устройство работает аналогично релейной системе.
Обычно он содержит набор контакторов, подающих на двигатель большой ток. Пусковое устройство также включает в себя панель управления с кнопками для безопасного запуска или остановки двигателя.
Двигатели постоянного тока
Двигатели постоянного тока — один из наиболее распространенных типов двигателей, и в некоторых областях применения они часто дешевле, чем двигатели переменного тока.
К распространенным типам двигателей постоянного тока относятся:
Шунтирующие двигатели
В двигателе с параллельным возбуждением обмотки статора и ротора соединены параллельно.
Последовательные двигатели
В двигателях последовательного возбуждения обмотки статора и ротора соединены последовательно. Такие двигатели обеспечивают очень высокий пусковой момент, что делает их пригодными для применения в системах с большими нагрузками, таких как:
- Электропоезда
- Лифты
- Промышленное подъемное оборудование
Двигатели с раздельным возбуждением
Двигатели с раздельным возбуждением похожи на двигатели с параллельным возбуждением, но обмотки статора и ротора питаются от отдельных источников электроэнергии.
Такая конфигурация упрощает управление скоростью и изменение направления движения.
Как работают электродвигатели в транспортных средствах?
В электромобилях (EV) в качестве основного источника питания обычно используются батареи постоянного тока. Однако в транспортном средстве могут использоваться как двигатели переменного, так и постоянного тока.
Если в автомобиле используется двигатель переменного тока, встроенный инвертор преобразует постоянный ток от батареи в переменный ток.
В большинстве современных электромобилей используются асинхронные двигатели переменного тока или двигатели с постоянными магнитами.
Когда транспортное средство замедляется или движется под уклон, двигатель может работать как генератор и возвращать энергию в аккумулятор. Этот процесс называется рекуперативным торможением.
Одним из недостатков систем с двигателями переменного тока является то, что они зачастую более сложны и дороги по сравнению с более простыми системами с двигателями постоянного тока.
Как работают электродвигатели вентиляторов?
В больших электрических вентиляторах обычно используются асинхронные двигатели, тогда как в небольших портативных вентиляторах часто применяются двигатели постоянного тока.
В однофазных асинхронных двигателях вентиляторов может присутствовать пусковой конденсатор. Конденсатор создает разность фаз между токами в обмотках статора.
Этот фазовый сдвиг помогает двигателю:
- Начать проще
- Повышение эффективности
- Управление направлением вращения
Конденсаторы обычно используются для улучшения пусковых и рабочих характеристик однофазных двигателей.
Как работают электродвигатели на велосипедах?
В электровелосипедах часто используются бесщеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами.
Эти двигатели, как правило, являются трехфазными, то есть содержат три комплекта обмоток статора.
Управление двигателем осуществляется бортовой электроникой, которая регулирует мощность и скорость, посылая электрические импульсы на двигатель.
Другие интересные области применения электродвигателей
Электродвигатели используются практически повсюду в современной жизни. По правде говоря, трудно представить повседневную жизнь без них.
Они используются в:
- Стиральные машины
- Электрические зубные щетки
- Холодильники
- Автомобили и велосипеды
- Роботы
- Жесткие диски
- Фены
- Токарные станки и краны
- Корабли и поезда
- Дроны
Даже в смартфонах для создания вибросигналов используются небольшие электродвигатели. Внутри телефона крошечный двигатель вращает неуравновешенный груз, который вызывает вибрацию, когда телефон звонит.
Электродвигатели в скутерах
Электросамокаты обычно оснащены как минимум одним бесщеточным двигателем постоянного тока (BLDC).
Эти двигатели управляются электроникой аналогично двигателям электровелосипедов. Несмотря на свои небольшие размеры и малый вес, они способны развивать удивительно высокую мощность и эффективность.
Заключение
Электродвигатели стали неотъемлемой частью современного общества. От промышленных машин до персональной электроники, двигатели играют ключевую роль в бесчисленных областях применения.
По мере совершенствования технологий электродвигатели, вероятно, станут более эффективными, компактными и простыми в управлении. Это будет способствовать развитию новых инноваций в транспорте, робототехнике и многих других областях.