Двигатель постоянного тока: устройство, принцип работы, виды, управление

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно двигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Простейший ДПТ состоит из следующих основных узлов:

1. Две обмотки с сердечниками, соединенными последовательно. Эта конструкция располагается на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
2. Два постоянных магнита повернуты разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу с неподвижным статором.
3. Коллектор — две полукруглые изолированные пластины, расположенные на валу ДПТ.
4. Два неподвижных контактных элемента (щетки) предназначены для передачи электрического тока через коллектор на обмотки возбуждения.

Рис. 1. Схематическое изображение простейшего двигателя постоянного тока.

Рассмотренный выше пример является скорее рабочей моделью коллекторного двигателя. На практике такие устройства не используются. Проблема в том, что у этого двигателя очень маленькая мощность. Работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателей постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. Когда электрическая цепь замыкается, линии магнитного поля формируются под действием новой электромагнитной индукции.

Для возбуждения обмоток дросселя ДКП могут использоваться разные схемы соединения:

• с независимым обмоткным возбуждением;
• соединение параллельно обмоткам якоря;
• варианты с последовательным возбуждением катушки ротора и статора;
• смешанное соединение.

Схемы подключения хорошо видны на рисунке 2.

Рисунок 2. Схемы соединения обмоток статора DCT

Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых будет использоваться двигатель постоянного тока. В частности, при необходимости уменьшить искрение коллектора применяют параллельное соединение. Для увеличения момента лучше использовать схемы с последовательным соединением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создает повышенную электрическую мощность при пуске двигателя. Этот метод подходит для двигателя постоянного тока, который интенсивно работает в течение короткого времени, например, для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреваться, поэтому их износ незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электродвигателя ротор состоит из двухотводного якоря на обмотке с четко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала двигателя.

Описываемое устройство имеет существенный недостаток: при прекращении вращения якоря его обмотки принимают устойчивое положение. Для перезапуска двигателя необходимо обеспечить определенный крутящий момент на валу.

Этого серьезного недостатка лишен якорь с тремя и более обмотками. На рис. 3 изображен трехобмоточный ротор, а на рис. 4 — якорь с большим количеством витков.

Рисунок 3. Ротор с тремя обмотками
Рисунок 4. Светильник с множеством обмоток

Такие роторы довольно распространены в небольших электродвигателях малой мощности.

Для построения мощных тяговых двигателей и повышения стабильности скорости вращения применяют якоря с большим числом обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Рис. 5. Схема электродвигателя с многообмоточным якорем

Коллектор

Если к клеммам обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность входного тока. Устройство, выполняющее функции коммутации тока для изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Простейший коллектор состоит из двух изолированных полукруглых пластин. Каждый из них в какой-то момент соприкасается с кистью, что снимает напряжение. Одна ламель всегда подключается к плюсу, а другая к минусу. При повороте вала на 180º коллекторные пластины меняются местами, в результате чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используется во всех коллекторах, в том числе и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коммутатор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

В современных конструкциях коллекторов ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря переключается в результате изменения положения вала.

Урок 36 (дополнительный материал). Принцип действия электродвигателя. Электроизмерительные приборы

• Герметизация
• Эл адрес

Принцип работы электродвигателя.

Электродвигатель — это просто устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую.

Это преобразование основано на магнетизме. В электродвигателях используются постоянные магниты и электромагниты, а также магнитные свойства различных материалов для создания этих удивительных устройств.

Существует несколько типов электродвигателей. Отметим два основных класса: AC и DC.

Электродвигатели класса AC (переменного тока) требуют для работы источник переменного тока или напряжения (найти такой источник можно в любой розетке в доме).

Электродвигателям класса DC (Direct Current) для работы требуется источник постоянного тока или напряжения (такой источник можно найти в любом аккумуляторе).

Универсальные двигатели могут работать от любого типа источника.

Отличается не только конструкция двигателей, но и способ управления скоростью и крутящим моментом, хотя принцип преобразования энергии одинаков для всех типов.

Устройство и принцип работы простейшего электродвигателя.

Конструкция электродвигателя основана на эффекте, открытом Майклом Фарадеем в 1821 году: взаимодействие между электрическим током и магнитом может вызывать непрерывное вращение. Одним из первых двигателей, нашедших практическое применение, был двигатель Бориса Семеновича Якоби (1801–1874), который заводил лодку с 12 пассажирами на борту. Однако для широкого применения электродвигателя был необходим источник дешевой электроэнергии — электромагнитный генератор.

Принцип работы электродвигателя очень прост: вращение вызывается силами магнитного притяжения и отталкивания, действующими между полюсами движущегося электромагнита (ротора) и соответствующими полюсами внешнего магнитного поля, создаваемого неподвижным электромагнитом (или постоянным магнитом).) — статор.

Вращающаяся часть электрической машины называется ротором (или якорем), а неподвижная часть – статором. В простом двигателе постоянного тока катушка действует как ротор, а постоянный магнит действует как статор.

Сложность заключается в достижении непрерывного вращения двигателя. А для этого необходимо добиться того, чтобы полюс движущегося электромагнита, притягиваемый противоположным полюсом статора, автоматически менялся на противоположный — тогда ротор не застынет на месте, а продолжит вращаться — по инерции и под действием отталкивания, возникшего в этот момент.

Коллектор используется для автоматического переключения полюсов ротора. На валу ротора закреплена пара пластин, к которым присоединены обмотки ротора. Питание на эти пластины подается через токосъемные контакты (щетки). Когда ротор поворачивается на 180°, пластины меняются местами — это автоматически меняет направление тока и, следовательно, полюса движущегося электромагнита. Поскольку одноименные полюса отталкиваются друг от друга, катушка продолжает вращаться, а полюса притягиваются к соответствующим полюсам с другой стороны магнита.

Самый простой электродвигатель

Простейший электродвигатель работает только от постоянного тока (аккумулятор). Ток проходит через петлю, помещенную между полюсами постоянного магнита. Взаимодействие магнитных полей в рамке с током и магнитом вызывает вращение рамки. После каждого полуоборота коллектор переключает контакты на рамке, подходящие к аккумулятору, и поэтому рамка вращается.

В некоторых двигателях вместо постоянного магнита используется электромагнит для создания магнитного поля. Проволочные витки такого электромагнита называются обмоткой возбуждения.

Электродвигатели используются повсеместно. Даже дома можно найти большое количество электродвигателей. Электродвигатели используются в часах, микроволновом вентиляторе, стиральной машине, компьютерных вентиляторах, кондиционере, соковыжималке и т д. Ну, электродвигатели, применяемые в промышленности, можно перечислять бесконечно. Физические размеры варьируются от размера спичечной головки до размера двигателя локомотива.

Показанный ниже промышленный электродвигатель работает как на постоянном, так и на переменном токе. Статор представляет собой электромагнит, создающий магнитное поле. Обмотки двигателя подключаются по очереди через щетки к источнику питания. Один за другим они поворачивают ротор на небольшой угол, и ротор вращается непрерывно.

Промышленный двигатель

Электроизмерительные приборы.

Электроизмерительные приборы — класс приборов, используемых для измерения различных электрических величин.

Группа электромагнитных устройств является наиболее распространенной. Принцип их действия, впервые использованный Ф. Кольраушем в 1884 г., основан на движении подвижной железной детали под действием магнитного потока, создаваемого катушкой, по которой пропускают ток. Практическая реализация этого принципа разнообразна.

Ориентирующее воздействие магнитного поля на цепь с током используется в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы — амперметрах, вольтметрах и др.

Блок блока магнитоэлектрической системы

Измерительное устройство магнитоэлектрической системы устроено следующим образом.

Берут легкий алюминиевый каркас 2 прямоугольной формы, наматывают на него моток тонкой проволоки. Рамка установлена ​​на двух полуосях О и О’, к которым также крепится стрелка орудия 4. Ось удерживается двумя тонкими спиральными пружинами 3. Силы упругости пружин, возвращающие рамку в равновесие положения при отсутствии тока выбираются так, чтобы они были пропорциональны углу отклонения стрелки от положения баланса. Катушка помещена между полюсами постоянного магнита М с полыми цилиндрическими наконечниками. Внутри катушки находится цилиндр 1 из мягкого железа. Такая конструкция обеспечивает радиальное направление линий магнитной индукции в зоне расположения витков катушки (см рисунок).

В результате при любом положении катушки силы, действующие на нее со стороны магнитного поля, максимальны и при неизменной силе тока постоянны. Векторы F и -F представляют силы, действующие на катушку со стороны магнитного поля и поворачивающие ее. Катушка с током вращается до тех пор, пока упругие силы со стороны пружины не уравновесят силы, действующие на рамку со стороны магнитного поля. Увеличив силу тока в рамке в 2 раза, рама повернется на вдвое больший угол. Это потому, что Fm~I.

Силы, действующие на рамку с током, прямо пропорциональны силе тока, то есть градуировкой прибора можно измерить силу тока в раме.

Таким же образом можно настроить прибор на измерение напряжения в цепи, если отградуировать шкалу в вольтах, причем сопротивление петли с током нужно выбрать очень большим по сравнению с сопротивлением той части цепи, которую мы измеряем напряжение.

Информационная табличка на двигателе (шильдик)

Получить полную и достоверную информацию о двигателе можно, если уметь «читать» шильдик. Точнее то, что на нем написано. Начнем описание шильдика рассматриваемого двигателя сверху вниз.

Далее построчно:

1. Название двигателя. Значок слева — эмблема производителя, справа — знак качества СССР.
2. Слева: тип двигателя — в этом наборе букв и цифр была закодирована технологическая информация. В кодировку могут быть включены данные: о количестве витков в обмотке; количество витков провода в катушке; сколько проводов намотано на катушки; тип лака для пропитки и т д. Справа: заводской номер двигателя.
3. Слева направо: количество рабочих фаз; частота рабочего напряжения (Гц); мощность двигателя (Вт); cos φ — текущий коэффициент мощности (параметр показывает, сколько мощности, отбираемой из сети, используется по назначению). Чем больше мощность, тем выше этот параметр.
4. Количество оборотов в минуту вала двигателя; характеристики статора – по какой схеме могут быть соединены обмотки (треугольник или звезда); значение(я) рабочего напряжения.
5. Ток, потребляемый двигателем, соответствующий каждой схеме соединения обмоток (в данном случае 2,3 А при соединении «треугольником» и 1,33 А при соединении «звездой»); коэффициент полезного действия (КПД), степень пылевлагозащиты (IP44).
6. ГОСТ СССР, по которому изготовлен двигатель; класс изоляции, режим S1. Режим S1 означает, что это постоянный рабочий режим. В этом режиме двигатель может работать длительное время.
7. Страна производитель двигателя.

Принцип работы

Со школьной скамьи мы помним, что на провод с током, который лежит между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг провода по всей его длине образуется магнитное поле. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая сила «Ампер:

F=B×I×L, где B — величина магнитной индукции поля, I — сила тока, L — длина провода.

Вектор ампера всегда перпендикулярен линиям магнитного потока между полюсами. Схематически принцип работы показан на рис. 6.

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника взять контурную рамку и подключить ее к источнику тока, то она повернется на 180º и остановится в положении, при котором результирующая сила будет равна 0. Попробуем толкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и попробуем еще раз: рамка сделала еще пол-оборота. Логично предположить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки на обмотках проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этого и был создан коллектор.

Схематически каждую обмотку якоря можно представить в виде отдельного контурного каркаса. Если обмоток несколько, то одна из них в каждый момент времени приближается к магниту статора и находится под действием плавающей силы. Таким образом поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы ДПТ

Существующие двигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции двигателя щеточного коллектора и по типу магнитной системы статора.

Давайте рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, в которых используются щеточно-коллекторные устройства, называются коллекторными. Они охватывают широкий спектр моделей электродвигателей. В конструкции предусмотрены двигатели, где используется до 8 щеточных коллекторов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подается непосредственно на обмотки статора. В этом варианте отпадает необходимость в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются посредством электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранен один из недостатков — искрообразование, что приводит к интенсивному износу пластин коллектора и щеток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные свойства ДПТ: простое управление, связанное с регулировкой скорости, высокий КПД и другие. Бесщеточные двигатели называются бесщеточными двигателями.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкции синхронных двигателей есть модели с постоянными магнитами и двигатели постоянного тока с обмотками возбуждения. Довольно распространены серийные электродвигатели со статорами с потоком возбуждения обмотки. Они обеспечивают стабильную скорость вращения на валах, высокую номинальную механическую мощность.

Способы соединения обмоток статора были рассмотрены выше. Еще раз подчеркнем, что электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока зависят от выбора схемы подключения. Они отличаются последовательными обмотками и катушками с параллельным возбуждением.

Управление

Нетрудно понять, что если изменить полярность напряжения, изменится и направление вращения якоря. Это позволяет легко управлять электродвигателем, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента на валу. Мы видим прямую линию с отрицательным наклоном. Эта прямая линия выражает механическую характеристику двигателя постоянного тока. Для его построения выбирается определенное фиксированное напряжение, которое подается на возбуждение обмоток ротора.

Примеры механических свойств ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такой же прямой линией, но с положительным наклоном, является график зависимости скорости якоря от напряжения питания. Это управляющая характеристика синхронного двигателя.

Построение заданного расписания осуществляется в конкретное время разработанной КДС.

Пример управляющей характеристики якорного электродвигателя

Благодаря линейности характеристик упрощается управление двигателями постоянного тока. Так как сила F пропорциональна току, изменяя ее величину, например, переменным сопротивлением, можно управлять параметрами электродвигателя.

Регулирование скорости вращения ротора легко осуществляется изменением напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов достигается устойчивый рост числа оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов замедлиться. Также в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которая может быть возвращена в электросеть.

Читайте также: Какой стабилизатор напряжения выбрать для дачи?

Индукция

Ранее мы установили, как обычный магнит вращается в статоре. В двигателях переменного тока роторы, а не магниты. Наша модель очень похожа на настоящий ротор, за исключением того, что магнитное поле поляризует ротор. Это вызвано магнитной индукцией, благодаря которой в проводниках ротора индуцируется электрический ток.

Индукция

По сути, ротор работает так же, как магнит. При включении электродвигателя ток протекает по обмоткам статора и создает электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Это индуцирует ток в обмотках ротора, который затем создает электромагнитное поле вокруг ротора и поляризацию ротора.

В предыдущем разделе, чтобы было проще объяснить принцип работы ротора, для ясности заменили его магнитом. Теперь заменим статор магнитом. Индукция – это явление, возникающее при движении проводника в магнитном поле. Относительное движение проводника в магнитном поле вызывает в проводнике возникновение так называемого индуцированного электрического тока. Этот индуцированный ток создает магнитное поле вокруг каждой обмотки проводника ротора. Поскольку трехфазное питание переменного тока вызывает вращение магнитного поля статора, индуцированное магнитное поле ротора будет следовать за этим вращением. Это приведет к вращению вала двигателя. Двигатели переменного тока часто называют асинхронными двигателями переменного тока или IE (асинхронными двигателями).

Области применения

Перечислять все сферы применения электродвигателей можно бесконечно. Приведем лишь некоторые из них в качестве примера:

• электрические бытовые и промышленные инструменты;
• автомобильная промышленность — электростеклоподъемники, вентиляторы и другая автоматика;
• трамваи, троллейбусы, электромобили, краны и другие механизмы, для которых важны высокие тяговые свойства.

Преимущества и недостатки

Преимущества включают в себя:

• Линейная зависимость характеристик двигателей постоянного тока (прямые линии), что упрощает управление;
• Легко регулируемая скорость;
• хорошие стартовые свойства;
• компактные размеры.

В асинхронных двигателях, которые являются двигателями переменного тока, добиться таких характеристик очень сложно.

Ошибка:

• ограниченный ресурс коллектора и щеток;
• дополнительная трата времени на профилактические работы, связанные с обслуживанием коллекторно-щеточных узлов;
• ввиду того, что мы используем сети с переменным напряжением, возникает необходимость коррекции тока;
• высокие затраты при производстве анкеров.

По перечисленным параметрам среди недостатков победителями являются модели асинхронных двигателей. Но во многих случаях использование двигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

Чередование полюсов с помощью переменного тока

Переключатель полюсов переменного тока

Полярность постоянно меняется с помощью переменного тока (AC). Далее мы увидим, как ротор заменяется магнитом, который вращается под действием индукции. Переменный ток играет здесь важную роль, поэтому будет полезно привести здесь краткую информацию о нем:

Переменный ток — переменный ток

Под переменным током понимается электрический ток, который периодически меняет направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью трехфазного источника питания. Это означает, что статор подключен к трехфазному источнику переменного тока. Полный цикл определяется как цикл в 360 градусов. Это означает, что каждая фаза расположена относительно другой под углом 120 градусов. Фазы показаны синусоидальными кривыми, как показано на рисунке.

Трехфазный переменный ток

Трехфазный ток представляет собой непрерывный ряд перекрывающихся напряжений переменного тока (AC).

Смена полюсов

На следующих страницах объясняется, как ротор и статор взаимодействуют, заставляя двигатель вращаться.

Для ясности мы заменили ротор вращающимся магнитом, а статор катушками. В правой части страницы изображение двухполюсного трехфазного электродвигателя. Фазы соединены попарно: 1 фаза соответствует катушкам А1 и А2, 2 фаза — В1 и В2, 3 фаза соответствует С1 и С2. При подаче тока на катушки статора одна из них становится северным полюсом, другая — южным. Итак, если А1 — это северный полюс, то А2 — это южный.

Переменный ток

Обмотки фаз А, В и С размещены по отношению друг к другу под углом 120 градусов.

Количество полюсов двигателя определяется количеством пересечений между полем обмотки и полем ротора. При этом каждая обмотка перекрещивается дважды, а значит имеем двухполюсный статор. Таким образом, если бы каждая обмотка появлялась четыре раза, это был бы четырехполюсный статор и т д

При подаче электрического тока на фазные обмотки вал двигателя начинает вращаться со скоростью, определяемой числом полюсов (чем меньше полюсов, тем медленнее скорость)

Вращение ротора

Далее описан физический принцип работы электродвигателя (как ротор вращается внутри статора). Для наглядности заменим ротор магнитом. Все изменения в магнитном поле происходят очень быстро, поэтому весь процесс приходится делить на этапы. При прохождении трехфазного переменного тока через обмотки статора в нем образуется магнитное поле, в результате чего возникают механические силы, заставляющие ротор вращаться в направлении вращения магнитного поля.

Начав вращение, магнит будет следовать за изменяющимся магнитным полем статора. Поле статора изменяется таким образом, что вращение поддерживается в одном направлении.

Классификация электрических двигателей

Все электродвигатели классифицируются между собой в первую очередь по роду тока, который через них протекает. В свою очередь, каждая из этих групп также делится на несколько видов в зависимости от технологических особенностей.

Двигатели постоянного тока

На маломощных двигателях постоянного тока магнитное поле создается постоянным магнитом, установленным в корпусе агрегата, а обмотка якоря закреплена на вращающемся валу. Принципиальная схема ДПТ выглядит так:

Обмотка, размещенная на сердечнике, изготовлена ​​из ферромагнитных материалов и состоит из двух частей, соединенных последовательно. Их концы соединены с коллекторными пластинами, к которым прижаты графитовые щетки. На один из них подается положительный потенциал от источника постоянного тока, а на другой отрицательный.

После включения двигателя происходит следующее:

1. Ток от нижней «плюсовой» щетки поступает на коллекторную пластину, на контактную площадку, к которой она подключена.
2. Прохождение тока через обмотку к коллекторной пластине (обозначенной красной пунктирной стрелкой), соединенной с верхней «минусовой» щеткой, создает электромагнитное поле.
3. По правилу буравчика в правой верхней части якоря находится магнитное поле южного, а в нижней левой — северного магнитного полюса.
4. Магнитные поля одного потенциала отталкивают друг друга и заставляют ротор вращаться, что показано на схеме красной стрелкой.
5. Расположение пластин коллектора вызывает изменение направления тока через обмотку при инерционном вращении, и рабочий цикл повторяется снова.

Самый простой электродвигатель

При очевидной простоте конструкции существенным недостатком таких двигателей является низкий КПД из-за больших потерь энергии. Сегодня двигатели постоянного тока с постоянными магнитами используются в простых бытовых приборах и детских игрушках.

Конструкция двигателей постоянного тока большой мощности, используемых в промышленных целях, не позволяет использовать постоянные магниты (они занимали бы слишком много места). В этих машинах используются следующие конструкции:

• обмотка состоит из большего количества секций, представляющих собой металлический стержень;
• каждая обмотка отдельно подключена к положительному и отрицательному полюсам;
• количество контактных площадок на собирающем устройстве соответствует количеству обмоток.

Таким образом, снижение потерь энергии обеспечивается равномерным подключением каждой обмотки к щеткам и источнику питания. На следующем рисунке показана конструкция якоря такого двигателя:

Конструкция электродвигателей постоянного тока позволяет легко изменить направление вращения ротора, просто изменив полярность источника тока.

Функциональные характеристики электродвигателей определяются наличием некоторых «хитростей», к которым относятся смещение токосъемных щеток и несколько схем подключения.

Смещение узла щеток коллектора относительно вращения вала происходит после пуска двигателя и изменения приложенной нагрузки. Это позволяет компенсировать «реакцию якоря» — эффект, снижающий эффективность машины из-за торможения оси.

Существует три способа подключения к ЦСТ:

1. Параллельная схема возбуждения обеспечивает параллельное включение независимой обмотки, обычно регулируемой реостатом. Это обеспечивает максимальную стабильность скорости вращения и ее плавную регулировку. Благодаря этому двигатели параллельного возбуждения широко используются в грузоподъемном оборудовании, электромобилях и станках.
2. Последовательная схема возбуждения также предусматривает использование дополнительной обмотки, но она включается последовательно с основной. Это дает возможность при необходимости резко увеличить крутящий момент двигателя, например в начале движения поезда.
3. Смешанная схема использует преимущества обоих способов подключения, описанных выше.

Биполярный электродвигатель

Двигатели переменного тока

Основное отличие этих двигателей от описанных ранее моделей заключается в токе, протекающем по их обмоткам. Он описывает по синусоидальному закону и постоянно меняет направление. Соответственно питание этих двигателей осуществляется от генераторов со знакопеременной величиной.

Одним из основных конструктивных отличий является устройство статора, представляющего собой магнитопровод со специальными пазами для расположения витков обмотки.

Двигатели переменного тока классифицируются по принципу действия на синхронные и асинхронные. Кратко это означает, что в первом скорость вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля в статоре, а во втором нет.

Мы настоятельно рекомендуем прочитать нашу статью о конструкции двигателя переменного тока.

Синхронные двигатели

Работа синхронных двигателей переменного тока также основана на принципе взаимодействия полей, возникающих внутри устройства, но в их конструкции на роторе закреплены постоянные магниты, а по статору осуществляется обмотка. Принцип их действия демонстрирует следующая схема:

Проводники обмотки, по которым проходит ток, показаны на рисунке в виде рамки. Вращение ротора происходит следующим образом:

1. В определенный момент ротор с постоянным магнитом фиксируется в свободном вращении.
2. На обмотке в момент прохождения через нее положительной полуволны образуется магнитное поле с диаметрально противоположными полюсами Sст и Nст. Он показан в левой части диаграммы выше.
3. Одинаковые полюса постоянного магнита и магнитного поля статора отталкивают друг друга и приводят двигатель в положение, показанное в правой части схемы.

В реальных условиях для создания постоянного плавного вращения двигателя используется не одна обмотка, а несколько. Они поочередно пропускают через себя ток, за счет чего создается вращающееся магнитное поле.

Асинхронные двигатели

А в асинхронном двигателе переменного тока вращающееся магнитное поле создается тремя (для сети 380 В) обмотками статора. Их подключение к источнику питания осуществляется через распределительную коробку, а охлаждение осуществляется вентилятором, установленным в двигателе.

Ротор, составленный из нескольких металлических стержней, сомкнутых между собой, жестко связан с валом, образуя с ним одно целое. Именно из-за соединения стержней друг с другом этот тип ротора называется беличьей клеткой. Благодаря отсутствию в данной конструкции токопроводящих щеток обслуживание двигателя значительно упрощается, увеличивается срок службы и надежность. Основной причиной выхода из строя этого типа двигателей является износ подшипников полуоси.

Принцип работы асинхронного двигателя основан на законе электромагнитной индукции — если частота вращения электромагнитного поля обмоток статора превышает частоту вращения ротора, в нем индуцируется электродвижущая сила. Это важно, так как при одной и той же частоте ЭДС не возникает, а следовательно, и вращения не происходит. В реальности нагрузка на вал и сопротивление трения подшипников всегда тормозят ротор и создают достаточные условия для работы.

Основным недостатком двигателей этого типа является невозможность достижения постоянной частоты вращения вала. Дело в том, что производительность устройства меняется в зависимости от различных факторов. Например, без нагрузки на вал циркулярная пила вращается с максимальной скоростью. Когда мы подносим доску к пиле и начинаем ее резать, скорость диска заметно снижается. Следовательно, скорость вращения ротора также снижается по отношению к электромагнитному полю, что приводит к индукции еще большей ЭДС. Это увеличивает потребляемую мощность, и рабочая мощность двигателя увеличивается до максимума.

Принцип работы электродвигателя

Важно выбрать двигатель с соответствующей мощностью — слишком низкая приведет к повреждению короткозамкнутого ротора из-за превышения расчетной максимальной ЭДС, а слишком высокая приведет к необоснованному энергопотреблению.

Асинхронные двигатели переменного тока предназначены для работы от трехфазной электрической сети, но могут подключаться и к однофазной сети. Например, они используются в стиральных машинах и машинах для домашних мастерских. Однофазный двигатель имеет примерно на 30% меньшую мощность по сравнению с трехфазным — от 5 до 10 кВт.

Благодаря простоте исполнения и надежности асинхронные двигатели переменного тока получили наибольшее распространение не только в промышленном оборудовании, но и в бытовой технике.

Ротор асинхронного двигателя

Рассмотрим подробнее, из чего состоит ротор асинхронного двигателя.

Самая важная часть — вал. Иначе как бы происходила ротация?

На валу ротора с обеих сторон размещены подшипники, которые крепятся к передней и задней крышке и центрируют ротор точно посередине статора.

Далее идет сердечник, набранный из пластин специальной электротехнической стали, которые изолированы друг от друга. Кстати, из этой же стали делают сетевые трансформаторы.

Как вы можете видеть ниже, в сердечнике ротора есть специальные прорези

В них вставляют медные или алюминиевые стержни,

который замыкается на кольцо с двух сторон, образуя так называемую «беличью клетку».

В целом полностью собранный ротор асинхронного двигателя выглядит так.

А вот так это выглядит в реальном двигателе.

Всегда помните, что в асинхронном двигателе вращается ротор, а не статор. Статор — неподвижная часть, а ротор — подвижная часть двигателя. В рабочем состоянии двигателя между ротором и статором всегда имеется воздушный зазор. Когда двигатель работает, ротор никогда не должен касаться статора двигателя.

Физический принцип работы электродвигателя постоянного тока

Если вспомнить закон Ампера, то будет ясно, что на проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила. Именно это обстоятельство позволяет получить вращающийся якорь.

Вспомните простейший эксперимент, который показывали школьникам. Рамку с током помещают в магнитное поле и она начинает двигаться. Правда, двигается он недолго, а скорее дергается. Это все из-за несовпадения векторов. Если бы мы разместили магниты немного иначе, то получили бы постоянное движение.

Силы Ампера, действующие на стороны рамки, будут создавать момент, величина которого пропорциональна магнитной индукции, току в рамке, ее площади S и зависит от угла а между вектором магнитной индукции и нормалью к рама.

Рамка с током в магнитном поле

В представленной ситуации рамка будет вращаться только тогда, когда векторы Fа не деформируют ее, а обеспечивают вращательное движение.

Вот так поворачивается рамка

Для этого в данном примере рамку необходимо повернуть на 90 градусов. А теперь представьте, что якорь нашего двигателя состоит исключительно из таких шпангоутов, их много. Это улучшит процесс движения.

Вот мы и получили простейший электродвигатель постоянного тока.

Теперь представим, как будет вести себя такой двигатель при подключении к сети переменного тока. Он начнет танцевать в разные стороны. Ведь переменный ток отличается тем, что регулярно меняет направление. Рамка с током, через который она проходит, также изменит направление движения. Такая вещь не сможет плавно крутиться. Поэтому двигатели переменного тока используются в переменных сетях. Конечно, двигатель постоянного тока может работать и в переменной сети, но для этого перед ним нужно использовать выпрямитель.

Правда, есть и универсальные электродвигатели, которые так же удобно использовать и там, и там. Но об этом чуть позже.