По этой причине, если электронный блок удален, любой электроинструмент может работать и на постоянном токе. Однако напряжение в сети будет ниже. Функционирование электроинструмента зависит от составляющих его компонентов и цели, для которой он предназначен.
Что такое электродвигатель?
Электродвигатели — это очень распространенные и полезные устройства для преобразования электрической энергии в механическую, которая затем используется для передачи энергии различным рабочим машинам. Существуют различные типы электродвигателей, которые отличаются по конструкции и принципу действия и используются для выполнения различных задач.
В основе работы электродвигателей лежит явление электромагнитной индукции. Преобразование электричества в механическую энергию возможно благодаря специальному магниту. Электрические частицы генерируются в электромагнитном поле и подвергаются воздействию механических сил, которые нарушают их движение и вектор положения. Их движение происходит под углом 90° к силовым линиям магнита. Когда электрический заряд проходит через стальные элементы, механическая сила заставляет все проводники (включая катушку) пытаться изменить свое положение, следуя правилу винта.
Важно! В целом, электродвигатели — это волнообразные механизмы, которые производят вращательное движение.
Конструкция любого электродвигателя обязательно включает в себя статор и ротор. Статор — это неподвижная часть, функция которой зависит от типа устройства — он создает постоянное магнитное поле (постоянные магниты или электромагниты) или вращающееся магнитное поле (обмотки, питаемые переменным током). Ротор является подвижной частью двигателей и часто находится в статоре. Этот элемент можно представить в виде :
- постоянными магнитами;
- обмотками на сердечнике, по которым протекает электрический ток (подключение осуществляется посредством щёточно-коллекторного узла);
- короткозамкнутой обмоткой («беличьим колесом»), для возникновения токов в которой используется вращающийся статор.
Взаимодействие магнитного поля статора с полем ротора создает вращающий момент, который позволяет ротору двигаться и, таким образом, механическую вращательную энергию для приведения в движение различных двигателей.
Основные характеристики электрического двигателя
Эти агрегаты характеризуются следующими рабочими параметрами:
- вращающим (крутящим) моментом: векторный физический параметр, который представляет собой произведение радиуса вектора, проложенного от оси к месту приложенной силы, и вектора самой силы;
- мощностью: физическое значение полезной механической силы (работы), совершаемой за определённую единицу времени;
- коэффициентом полезного действия (КПД): показатель эффективности трансформации электроэнергии в механическую энергию;
- частотой вращения вала ротора (количество оборотов за единицу времени);
- моментом инерции: скалярный физический показатель инертности ротора при вращательных движениях вокруг оси;
- номинальным напряжением: характеристика подаваемого электрического тока;
- электрической постоянной времени: промежуток времени между двумя моментами – начало подачи напряжения – достижение тока отметки 63,21% (1-1/e) от своего максимального параметра;
- механической характеристикой: графически выраженное соотношение между частотой вращения ротора и электромагнитным моментом при постоянном напряжении.
Классификация электродвигателей
Вращающиеся электростанции классифицируются по-разному. Например, по типу питающего тока существуют двигатели переменного и постоянного тока. Двигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные. Давайте рассмотрим характеристики каждого типа двигателя.
Особенности электродвигателей постоянного тока
Эти устройства обладают высокой эффективностью преобразования электричества в механическую энергию. Контуры статора и ротора соединены через щеточно-коллекторный узел, который может быть выполнен с щеточным коллектором или без него. Коллекторные электродвигатели либо самовозбуждаются, либо возбуждаются постоянными магнитами. Двигатели с самовозбуждением имеют низкую мощность и поэтому часто используются для работы с низкой ответственностью и низкой нагрузкой.
Двигатели с самовозбуждением, с другой стороны, доступны с различными типами возбуждения:
- последовательное: подключение якоря и обмотки осуществляется последовательно;
- параллельное: якорь включён в цепь параллельно обмотке;
- смешанное: в агрегатах совместно используется параллельное и последовательное соединение якоря и обмотки.
Особенности электродвигателей переменного тока
Такие агрегаты широко используются в качестве двигателей большинства инженерных систем, электроинструментов и саморегулирующихся систем. В зависимости от скорости вращения магнитного поля статора и скорости вращения ротора, двигатели переменного тока могут быть синхронными или асинхронными.
Особенности синхронных двигателей
В этих устройствах ротор вращается с той же скоростью, что и частота магнитного поля, создаваемого обмотками статора. Питание устройства осуществляется от трехфазного постоянного напряжения. В этих двигателях обмотки могут быть явно или косвенно поляризованы. Небольшие синхронные двигатели оснащены постоянными магнитами.
Важно! Хотя скорости вращения ротора и статора синхронны, эти устройства запускаются и разгоняются асинхронно. Для этого ротор оснащен короткозамкнутой обмоткой с сепаратором. Напряжение постоянного тока подается на магниты только тогда, когда ротор достигает номинальной скорости.
Современные двигатели характеризуются такими особенностями:
- постоянной скоростью вращения ротора, несмотря на переменную нагрузку;
- высоким КПД, коэффициентом мощности;
- небольшой реактивной составляющей;
- допустимостью перегрузок.
Недостатками современных двигателей являются высокая стоимость, сложная конструкция, требование постоянного напряжения, трудный запуск, сложность управления скоростью вращения вала и моментом инерции.
Особенности асинхронных двигателей
Принцип работы устройства
В двигателе переменного тока есть неподвижные и подвижные части. К первым относятся:
Статор используется в современных и асинхронных машинах. Катушка используется в машинах постоянного тока. Движущаяся часть состоит из ротора и якоря. Первый используется для синхронных и асинхронных машин, а якорь — для машин постоянного тока. Катушка используется в двигателях с низким энергопотреблением. Здесь часто используются постоянные магниты.
Когда речь идет о создании электродвигателя, необходимо определить, к какой категории оборудования относится та или иная модель. В конструкции асинхронного двигателя существует два типа роторов:
- короткозамкнутым;
- фазным, то есть с обмоткой.
Последний тип используется, когда необходимо уменьшить пусковой ток и отрегулировать скорость асинхронного двигателя. Как правило, это крановые двигатели, которые обычно используются в крановых установках.
Кран является мобильным и используется в машинах постоянного тока. Это может быть генератор, двигатель или общий двигатель, работающий по одному и тому же принципу. Используется в электроинструментах. Фактически, двигатель общего назначения — это то же самое, что и двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Разница заключается только в конструкции обмотки. Нет никакой реакции. Есть:
По этой причине, если электронный блок удален, любой электроинструмент может работать и на постоянном токе. Однако напряжение в сети будет ниже. Принцип работы электроинструмента зависит от входящих в его состав компонентов и области применения, для которой он предназначен.
Работа трехфазного асинхронного двигателя
При включении в сеть создается вращающееся магнитное поле. Он обозначен на статоре и проходит через короткозамкнутую обмотку ротора. Там он преобразуется в индукцию. Затем ротор начинает вращаться в соответствии с законом Ампера. Частота этого движения зависит от частоты питающего напряжения и количества магнитных полюсов, представляющих собой пары.
Разница между частотой ротора и магнитного поля статора называется дрейфом. Двигатель называется асинхронным, поскольку частота вращения магнитного поля совпадает с частотой вращения ротора. Синхронный двигатель имеет другую конструкцию. Ротор укреплен постоянным магнитом или электромагнитом. Он содержит такие элементы, как червячные клетки и постоянные магниты для запуска. Они также могут активироваться с помощью электромагнитов.
В асинхронном двигателе магнитное поле статора имеет ту же скорость, что и ротор. Для коммутации используются вспомогательные асинхронные двигатели или короткозамкнутые короткозамкнутые роторы. Асинхронные двигатели широко используются во всех технических областях.
Это особенно актуально для трехфазных двигателей, которые отличаются простотой конструкции. Они не только экономически эффективны, но и более надежны, чем электродвигатели. Они практически не требуют обслуживания. Название асинхронного двигателя происходит от несинхронного вращения ротора в этом двигателе. Если трехфазное питание недоступно, двигатель может работать с однофазным током.
Статор асинхронного электродвигателя содержит стаб. Он содержит окрашенные листы электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Они имеют пазы, в которые вставляется обмотка. Три фазы обмотки соединены в треугольник или звезду, пространственно смещенные на 120 градусов.
Если речь идет о роторе электродвигателя с контактными кольцами в пазах, то здесь наблюдается ситуация, аналогичная обмотке статора. Это происходит, если он соединен в конфигурации звезды или если концы фаз соединены тремя контактными кольцами, закрепленными на валу. Когда двигатель работает, к фазам обмотки можно подключить реостат для регулирования скорости. После успешного запуска контактные кольца замыкаются, и обмотка ротора, таким образом, выполняет ту же функцию, что и короткозамкнутый продукт.
Современная классификация
По принципу создания крутящего момента электродвигатели делятся на магнитоэлектрические и гистерезисные. Последний отличается тем, что крутящий момент создается за счет гистерезиса, когда ротор чрезмерно намагничен. Эти двигатели не считаются классическими двигателями и не так широко используются в промышленности. Наиболее распространенными являются магнитоэлектрические версии, которые делятся на две большие группы в зависимости от источника энергии. Это двигатели переменного и постоянного тока. Существуют также модели общего назначения, которые могут обеспечивать оба типа питания.
Правильнее было бы назвать эти единицы фазонезависимыми электрическими единицами. Это связано с тем, что фазы в двигателе чередуются напрямую. Это означает, что двигатель с одинаковым успехом питается как постоянным, так и переменным током. Эта группа подразделяется в зависимости от типа изменения фазы и наличия обратной связи. Они выпускаются в виде клапанов и коллекторов.
По типу возбуждения двигатели с коммутатором делятся на модели с самовозбуждением, двигатели с независимым возбуждением от постоянных магнитов и двигатели с независимым возбуждением от электромагнитов. Первый тип снова делится на двигатели с последовательным возбуждением, двигатели с параллельным возбуждением и двигатели со смешанным возбуждением.
Изделия без выключателя или клапана работают от тока. Они меняют фазы с помощью специального электрического устройства, называемого инвертором. Этот процесс может быть оснащен устройством обратной связи, при котором активируется датчик положения ротора, или без обратной связи. Такое устройство можно считать эквивалентом асинхронного устройства.
Конструкция электродвигателя
Основным рабочим процессом электродвигателя постоянного тока (сокращенно ДПТ) является создание крутящего момента за счет напряжения, подаваемого на катушки ротора. Этот процесс возможен благодаря четырем строительным блокам:
- коллектору;
- щеточному механизму (2 щетки + 2 пластины/ламели);
- ротору электрического двигателя (якорь, в синхронном двигателе имеет 1 обмотку);
- статору, на котором устанавливаются магниты (в электродвигателях постоянного тока – постоянные).
Ротор
Ротор — подвижный элемент электродвигателя, активируемый магнитным полем, совершает вращательное движение вместе с валом. Он имеет как минимум 3 зубца, один из которых плотно входит в зону соединения.
Коллектор электродвигателя
Смена ротора происходит автоматически. За эту функцию отвечает коллектор — структура, состоящая из двух пластин, соединенных с валом ротора, и двух щеток, выполняющих роль токопередающих контактов (подающих на пластины постоянный ток). Принцип работы заключается в следующем:
- ротор вращается, меняя направление тока;
- когда якорь совершает поворот на 180 градусов, ламели меняются местами;
- при смене позиций пластин меняется и направление тока, и (соответственно) полюсы магнита;
- одноименные полюсы, подчиняясь законам физики, взаимно отталкиваются – катушка вращается, ее полюсы притягиваются к противоположным полюсам на другой стороне магнита.
Статор электрического двигателя
Статор — это стационарный или неподвижный узел электродвигателя. Другое название — «катушка». Он состоит из нескольких обмоток с переменной полярностью (когда течет переменный ток), которые создают магнитное поле. В большинстве случаев статор имеет 2 пары главных полюсов, но он может содержать и вспомогательные полюса, чтобы облегчить переключение ротора на коллектор.
Принцип работы электрического двигателя
Принцип работы электродвигателя основан на процессах взаимного притяжения и отталкивания однополюсных и противоположных полюсов магнитов ротора (в движении) и статора (его магнит неподвижен). В простейшей схеме двигателя постоянного тока ротор представляет собой блок катушек, а катушка — сам магнит.
Магнитное поле обеспечивает высокую производительность с улучшением, заключающимся в сложности механизма. Для обеспечения стабильного движения якоря необходимо обеспечить автоматический реверс полюсов (чтобы при притягивании его противоположным полюсом неподвижного магнита он сразу же менял свой собственный полюс). Это единственный способ избежать замерзания якоря и обеспечить его непрерывную работу под воздействием магнитного поля и инерции.
Магнитное поле электродвигателя
Принцип работы статорного двигателя (также называемого асинхронным) также основан на формировании магнитного поля статора. Он генерируется при протекании тока через обмотки статора. Это поле (магнитное вращающееся поле) формирует магнитное поле ротора за счет индукции токов в его проводниковых обмотках.
Оно (поле статора) также генерирует свой собственный магнитный поток, и существует аналогичная взаимосвязь:
- магнитное поле статора пропорционально электронапряжению в сети;
- магнитный поток, создаваемый вращающимся полем, пропорционален току.
Свойства поля статора зависят от токов, протекающих через обмотки, и количества фаз в обмотках. Магнитное поле ротора, в свою очередь, также формирует поток, который движется медленнее, чем поток статора. Два тока (статора и якоря) притягиваются друг к другу, заставляя ротор вращаться.
Это создает крутящий момент — основной процесс, ради которого создан электродвигатель. Учитывая роль, которую статор и ротор играют в работе двигателя переменного тока, легко сделать вывод, что эти два элемента являются самыми важными в его конструкции.
Электрический двигатель постоянного тока (принцип работы синхронного электродвигателя)
Современные электродвигатели относятся к категории устройств постоянного тока. Принцип работы такого устройства можно кратко описать в 4 пунктах:
- к обмотке статора (ее еще называют индукторной или обмоткой возбуждения) подается постоянный ток;
- проходя через обмотку, ток образует постоянное магнитное поле возбуждения (используется постоянный магнит);
- к роторной обмотке тоже подается постоянный ток, на который воздействует поле статора, обеспечивая возникновение крутящего момента;
- под действием вращательной силы, ротор поворачивается на 90 градусов.
Это один цикл. После вращения на обмотку якоря снова воздействует магнитное поле статора, и ротор снова вращается.
Для непрерывной работы электродвигателя магнитные полюса ротора с постоянными магнитами должны чередоваться без перерыва. Реверс происходит, когда полюс пересекает «нейтраль» (также называемую магнитной нейтралью). Для обеспечения этого (изменение полярности) контактное кольцо разделено на сектора диэлектрическими пластинами, к которым последовательно подключаются концы обмоток ротора.
Для соединения коллектора с сетью необходимы токовые щетки, которые изготавливаются из графитовых стержней с высокой проводимостью и низким коэффициентом трения скольжения. В качестве магнитов можно использовать природные материалы с высокими магнитными свойствами. Однако из-за своей массы магниты часто заменяются множеством металлических штырей в двигателях постоянного тока с большей мощностью. В то же время:
- у каждого стержня формируется собственная обмотка из проводника, который подключается к шине питания («+» и «-»);
- включение одноименных полюсов осуществляется последовательно;
- количество пар полюсов – 1 или 4;
- число щеток коллектора должно соответствовать этому количеству пар.
Современные мощные электродвигатели постоянного тока имеют ряд конструктивных тонкостей, некоторые из которых заметны в динамике (во время работы устройства). К ним относится перемещение щеток коммутатора ротора относительно вала под определенным углом к повороту при изменении нагрузки двигателя. Это необходимо для компенсации явления, известного как реакция ротора с ротором, и во избежание замедления вала двигателя, что снижает эффективность работы подключенного к нему оборудования.
Способы подключения синхронного электродвигателя
Преимуществом современных двигателей, вытекающим из принципа их работы, является прогрессивное (бесступенчатое) регулирование скорости, что обеспечивает их высокую эффективность в тяговых работах — в лифтах и электродвигателях. В современной практике для подключения электродвигателей постоянного тока используются 3 системы: Параллельное, последовательное и комбинированное возбуждение.
В первом случае вместе (параллельно) с обмоткой ротора включается дополнительная регулируемая (обычно) реостатная обмотка. Этот вариант полезен, когда для нормальной работы машины требуется бесступенчатая регулировка скорости и максимальная стабильность скорости в минуту. Примерами являются электродвигатели для кранов, промышленных машин и установок.
При последовательном соединении вспомогательная обмотка ротора подключается последовательно с цепью возбуждения ротора. Это позволяет значительно увеличить импульс электродвигателя в определенные моменты времени (например, в начале движения поезда).
