Какие явления используются в устройстве электродвигателей

Принцип работы электродвигателя

Принцип работы электродвигателя основывается на эффекте обнаруженном Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита, может возникнуть непрерывное вращение.

Принцип работы электродвигателя постоянного тока

Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться. В результате рамка повернется в горизонтальное положение, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент. На рисунке выше это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.

В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.

Простыми словами о сложном

На самом деле там векторное произведение, дифференциалы и т.п. но это детали, а у нас упрощённый случай. И так…

Рис. 1 Основа работы электрического двигателя

Направление силы ампера определяется правилом левой руки.

Рис. 2 Правило левой руки

Мысленно ставим левую ладонь на верхний рисунок и получаем направление сил Ампера. Она типа растягивают рамку с током в том положении как нарисовано на рис.1. И никуда вертеться тут ничего не будет, рамка в равновесии, устойчивом.

А если рамка с током повернута по-другому, то вот что будет:

Рис. 3 Рамка

Здесь уже равновесия нет, сила Ампера разворачивает противоположные стенки так, что рамка начинает вращаться. Появляется механическое вращение. Это основа электрического двигателя, самая суть, дальше только детали.

Теперь что будет делать рамка с током на рис.3?. Если система идеальная, без трения, то очевидно будут колебания. Если трение присутствует, то колебания постепенно затухнут, рамка с током стабилизируется и станет как на рис.1.

Но нам нужно постоянное вращение и достичь его можно двумя принципиально разными способами и отсюда и возникает разница между двигателями постоянного и переменного трёхфазного тока.

Принцип работы электродвигателя постоянного тока

Способ 1. Смена направления тока в рамке.

Этот способ используется в двигателях постоянного тока и его потомках.

Наблюдаем за картинками. Пусть наш двигатель обесточен и рамка с током ориентирована как-то хаотично, вот так например:

Рис. 4.1 Случайно расположенная рамка

На случайно расположенную рамку действует сила Ампера и она начинает вращаться.

Рис. 4.2

В процессе движения рамка достигает угла 90°. Момент (момент пары сил или вращательный момент) максимальный.

Рис. 4.3

И вот рамка достигает положения, когда момента вращения нет. И если сейчас не отключить ток, то сила Ампера будет уже тормозить рамку и в конце полуоборота рамка остановится и начнёт вращение в противоположном направлении. Но нам ведь этого не надо.

Поэтому мы на рис.3 делаем хитрый ход – меняем направление тока в рамке.

Рис. 4.4

И вот после пересечения этого положения, рамка с поменянным направлением тока уже не тормозится, а снова разгоняется.

Рис. 4.5

А когда рамка подходит к следующему положению равновесия, мы меняем ток ещё раз.

Рис. 4.6

И рамка опять продолжает ускоряться куда нам надо.

Вот так и получается постоянное вращение. Красиво? Красиво. Нужно только менять направление тока два раза за оборот и всего делов.

А делает это, т.е. обеспечивает смену тока специальный узел – щёточно-коллекторный узел. Принципиально он устроен так:

Рис. 5

Рисунок понятен и без пояснений. Рамка трётся то об один контакт, то об другой и так вот ток и меняется.

Очень важная особенность щёточно-коллекторного узла – его малый ресурс. Из-за трения. Например, вот движок ДПР-52-Н1 – минимальная наработка 1000 часов. В то же время срок службы современных бесколлекторных двигателей более 10000 часов, а двигателей переменного тока (там тоже нет ЩКУ) более 40000 часов.

Принцип работы электродвигателя переменного тока

Способ 2. Вращается магнитный поток, т.е. магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле получают с помощью переменного трёхфазного тока. Вот есть статор.

Рис. 6 Статор электродвигателя

А есть значит 3 фазы переменного тока.

Рис. 7

Между ними как видно на Рис. 7 120 градусов, электрических градусов.

Эти три фазы укладывают в статор специальным образом, чтобы они геометрически были повернуты друг к дружке на 120°.

Рис. 8

И тогда при подаче трёхфазного питания получается само собой за счёт складывания магнитных потоков от трёх обмоток вращающееся магнитное поле.

Рис. 9 Вращающееся магнитное поле

Далее вращающееся магнитное поле влияет силой Ампера на нашу рамку и она вращается.

Но здесь есть тоже различия, два разных способа.

Способ 2а. Рамка запитывается (синхронный двигатель).

Подаём значит на рамку напряжение (постоянное), рамка выставляется по магнитному полю. Помните рис.1 из самого начала? Вот так рамка и становится.

Рис. 10 (Рис.1)

Но поле магнитное у нас тут вращается, а не просто так висит. Рамка чего будет делать? Тоже будет вращаться, следуя за магнитным полем.

Они (рамка и поле) вращаются с одинаковой частотой, или синхронно, поэтому такие двигатели называются синхронными двигателями.

Способ 2б. Рамка не запитывается (асинхронный двигатель).

Фишка в том, что рамка не запитывается, совсем не запитывается. Просто проволока такая замкнутая.

Когда мы начинаем вращать магнитное поле, по законам электромагнетизма в рамке наводится ток. От этого тока и магнитного поля получается сила Ампера. Но сила Ампера будет возникать только если рамка движется относительно магнитного поля (известная история с опытами Ампера и его походами в соседнюю комнату).

Так что рамка всегда будет отставать от магнитного поля. А то, если она его вдруг почему-то догонит, то пропадёт наводка от поля, пропадёт ток, пропадёт сила Ампера и всё вообще пропадёт. То есть, в асинхронном двигателе рамка всегда отстаёт от поля и частота у них значит разная, то есть вращаются они асинхронно, поэтому и двигатель называется асинхронным.

Принцип работы электродвигателей

Принцип работы электродвигателей. Основные понятия.

Магнетизм

Наиболее характерное магнитное явление — притяжение магнитом кусков железа — известно со времен глубокой древности. Ещё одной очень важной особенностью магнитов является наличие у них полюсов: северного (отрицательного) и южного (положительного). Противоположные полюса притягиваются, а одинаковые — отталкиваются друг от друга.

Магнитное поле

Магнитное поле можно условно изобразить линиями в виде магнитного потока, движущегося от северного полюса к южному. В некоторых случаях определить, где северный, а где южный полюс, достаточно сложно.

Электромагнетизм

Вокруг проводника, при пропускании по нему электрического тока, создаётся магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Физические законы одинаковы для магнетизма и электромагнетизма.

Магнитное поле вокруг проводников можно усилить, если намотать их на катушку со стальным сердечником. Когда проводник намотан на катушку, все линии магнитного потока, образуемого каждым витком, сливаются и создают единое магнитное поле вокруг катушки.

Чем больше витков на катушке, тем сильнее магнитное поле. Это поле имеет такие же характеристики, что и естественное магнитное поле, а, следовательно, у него тоже есть северный и южный полюса.

Вращение вала электродвигателя обусловлено действием магнитного поля. Основные части электродвигателя: статор и ротор.

Ротор:

Подвижная часть электродвигателя, которая вращается с валом электродвигателя, двигаясь вместе с магнитным полем статора.

Статор:

Неподвижный компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Вращение под действием магнитного поля

Преимуществом магнитных полей, которые создаются токопроводящими катушками, является возможность менять местами полюса магнита посредством изменения направления тока. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую.

Одинаковые полюса магнитов отталкиваются друг от друга, противоположные полюса — притягиваются. Можно сказать, что это свойство используется для создания непрерывного движения ротора с помощью постоянной смены полярности статора. Ротором здесь, является магнит, который может вращаться.

Чередование полюсов с помощью переменного тока

Чередование полюсов с помощью переменного тока

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

Переменный ток — AC

Под переменным током понимается электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью трёхфазного питания. Это означает, что статор подсоединяется к источнику переменного тока с тремя фазами. Полный цикл определяется как цикл в 360 градусов. Это значит, что каждая фаза расположена по отношению к другой под углом в 120 градусов. Фазы изображаются в виде синусоидальных кривых, как представлено на рисунке.

Трёхфазный переменный ток

Трёхфазное питание — это непрерывный ряд перекрывающихся напряжений переменного тока (AC).

Смена полюсов

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

Для наглядности мы заменили ротор вращающимся магнитом, а статор — катушками. В правой части страницы приведено изображение двухполюсного трёхфазного электродвигателя. Фазы соединены парами: 1-й фазе соответствуют катушки A1 и A2, 2-й фазе — B1 и B2 , а 3-й соответствуют C1 и C2. При подаче тока на катушки статора одна из них становится северным полюсом, другая — южным. Таким образом, если A1 — северный полюс, то A2 — южный.

Питание в сети переменного тока

Обмотки фаз A, B и C расположены по отношению друг к другу под углом в 120 градусов.

Количество полюсов электродвигателя определяется количеством пересечений поля обмотки полем ротора. В данном случае каждая обмотка пересекается дважды, что означает, что перед нами двухполюсный статор. Таким образом, если бы каждая обмотка появлялась четыре раза, это был бы четырехполюсный статор и т.д.

Когда на обмотки фаз подаётся электрический ток, вал электродвигателя начинает вращаться со скоростью, обусловленной числом полюсов (чем меньше полюсов, тем ниже скорость)

Вращение ротора

Ниже рассказывается о физическом принципе работы электродвигателя (как ротор вращается внутри статора). Для наглядности, заменим ротор магнитом. Все изменения в магнитном поле происходят очень быстро, поэтому нам необходимо разбить весь процесс на этапы. При прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора в нем создается магнитное поле, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля.

Начав вращение, магнит будет следовать за меняющимся магнитным полем статора. Поле статора меняется таким образом, чтобы поддерживалось вращение в одном направлении.

Индукция

Ранее мы установили, как обыкновенный магнит вращается в статоре. В электродвигателях переменного тока AC установлены роторы, а не магниты. Наша модель очень схожа с настоящим ротором, за исключением того, что под действием магнитного поля ротор поляризуется. Это вызвано магнитной индукцией, благодаря которой в проводниках ротора наводится электрический ток.

Индукция

В основном ротор работает так же, как магнит. Когда электродвигатель включен, ток проходит по обмотке статора и создаёт электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Таким образом, в обмотках ротора индуцируется ток, который затем создаёт вокруг ротора электромагнитное поле и поляризацию ротора.

В предыдущем разделе, чтобы было проще объяснить принцип действия ротора, заменив его для наглядности магнитом. Теперь заменим магнитом статор. Индукция — это явление, которое наблюдается при перемещении проводника в магнитном поле. Относительное движение проводника в магнитном поле приводит к появлению в проводнике так называемого индуцированного электрического тока. Этот индуцированный ток создаёт магнитное поле вокруг каждой обмотки проводника ротора. Так как трёхфазное AC питание заставляет магнитное поле статора вращаться, индуцированное магнитное поле ротора будет следовать за этим вращением. Таким образом вал электродвигателя будет вращаться. Электродвигатели переменного тока часто называют индукционными электродвигателями переменного тока, или ИЭ (индукционными электродвигателями).

Принцип действия электродвигателей

Индукционные электродвигатели состоят из ротора и статора.

Токи в обмотках статора создаются фазовым напряжением, которое приводит в движение индукционный электродвигатель. Эти токи создают вращающееся магнитное поле, которое также называется полем статора. Вращающееся магнитное поле статора определяется токами в обмотках и количеством фазных обмоток.

Вращающееся магнитное поле формирует магнитный поток. Вращающееся магнитное поле пропорционально электрическому напряжению, а магнитный поток пропорционален электрическому току.

Вращающееся магнитное поле статора движется быстрее ротора, что способствует индукции токов в обмотках проводников роторов, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставляет ротор вращаться. Принципы действия индукционного электродвигателя представлены на иллюстрациях справа.

Таким образом, ротор и статор являются наиболее важными составляющими индукционного электродвигателя переменного тока. Они проектируются с помощью САПР (системы автоматизированного проектирования). Далее мы подробнее поговорим о конструкции ротора и статора.

Статор элетродвигателя

Статор — это неподвижный электрический компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых всё время меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Все статоры устанавливаются в раму или корпус. Корпус статора электродвигателей Grundfos для электродвигателей мощностью до 22 кВт чаще всего изготавливается из алюминия, а для электродвигателей с большей мощностью — из чугуна. Сам статор устанавливается в кожухе статора. Он состоит из тонких пластин электротехнической стали, обмотанных изолированным проводом. Сердечник состоит из сотен таких пластин. При подаче питания переменный ток проходит по обмоткам, создавая электромагнитное поле, перпендикулярное проводникам ротора. Переменный ток (AC) вызывает вращение магнитного поля.

Изоляция статора должна соответствовать требованиям IEC 62114, где приведены различные классы защиты (по уровням температуры) и изменения температуры (AT). Электродвигатели Grundfos имеют класс защиты F, а при увеличении температуры — класс B. Grundfos производит 2-полюсные электродвигатели мощностью до 11 кВт и 4-полюсные электродвигатели мощностью до 5,5 кВт. Более мощные электродвигатели Grundfos закупает у других компаний, уровень качества продукции которых соответствует принятым в Grundfos стандартам. Для насосов, в основном, используются статоры с двумя, четырьмя и шестью полюсами, так как частота вращения вала электродвигателя определяет давление и расход насоса. Можно изготовить статор для работы с различными напряжениями, частотами и мощностями на выходе, а также для переменного количества полюсов.

Ротор элетродвигателя

В электродвигателях используются так называемые «беличьи колеса» (короткозамкнутые роторы), конструкция которых напоминает барабаны для белок.

При вращении статора магнитное поле движется перпендикулярно обмоткам проводников ротора; появляется ток. Этот ток циркулирует по обмоткам проводников и создаёт магнитные поля вокруг каждого проводника ротора. Так как магнитное поле в статоре постоянно меняется, меняется и поле в роторе. Это взаимодействие и вызывает движение ротора. Как и статор, ротор изготовлен из пластин электротехнической стали. Но, в отличие от статора, с обмотками из медной проволоки, обмотки ротора выполнены из литого алюминия или силумина, которые выполняют роль проводников.

Асинхронные электродвигатели

В предыдущих разделах мы разобрали, почему электродвигатели переменного тока называют также индукционными электродвигателями, или электродвигателями типа «беличье колесо». Далее объясним, почему их ещё называют асинхронными электродвигателями. В данном случае во внимание принимается соотношение между количеством полюсов и числом оборотов, сделанных ротором электродвигателя.

Частоту вращения магнитного поля принято считать синхронной частотой вращения (Ns). Синхронную частоту вращения можно рассчитать следующим образом: частота сети (F), умноженная на 120 и разделенная на число полюсов (P).

Если, например, частота сети 50 Гц, то синхронная частота вращения для 2-полюсного электродвигателя равна 3000 мин-1.

Синхронная частота вращения уменьшается с увеличением числа полюсов. В таблице, приведенной ниже, показана синхронная частота вращения для различного количества полюсов.

Устройство электрического двигателя используется явление

Электродвигатель — это электрическая машина, в которой электрическая энергия преобразуется в механическую энергию. Электродвигатель состоит из статора и ротора. В электродвигателе происходит электромагнитная индукция, выделение тепла при прохождении тока по обмоткам. Электродвигатель вращается за счёт взаимодействия магнитных солей обмоток статора и ротора во включённом состоянии. Электродвигатели бывают постоянного и переменного тока. В электродвигателе переменного тока электромагнитная индукция выражена более чётко. Вращающий момент электродвигателя пропорционален току якоря. Существуют разные способы подключения электродвигателя к питающей сети, а также использование его в качестве генератора. Впервые я ознакомился с электродвигателем в 10 классе школы.

Электродвигатель представляет собой машину, посредством которой энергия электрическая превращается в энергию механическую. В конструкции любого электродвигателя есть две основные составляющие — статор и ротор.

Если петлю из проволоки с пропущенным по ней током подвесить между полюсами магнита, то петля будет стремиться покинуть магнитное поле, начнёт отклоняться. То есть, действие электрического двигателя основано на магнитных явлениях.

Электродвигатель — это электромашина, в нём электроэнергия преобразуется в механическую энергию, при этом обычно выделяется тепло.

Явление которое используется — это вращение рамки с током в магнитном поле, то есть магнитные явления.

В электродвигателе — (а это машина) происходят следующие явления электромагнитная индукция и магнитное поле или магнитные явления. Электродвигатель способен преобразовывать электроэнергию в маханическую энергию, чем собственно данная машина и полезна. Это мы еще изучали по учебникам физики 6-го класса.

Для привидения в движение (вращения) ротора электродвигателя используется магнитная индукция, которая заставляет вращаться ротор. Сама индукция наводится благодаря прохождению электрического тока через обмотки электродвигателя. Таким образом происходит превращение электрической энергии в механическую работу.

Господи, как давно это было! Физика. 8 -й класс! Никогда не любила этот предмет, но кое-что помню. В магнитное поле помещен проводник. Он перемещается. Вот это явление перемещения проводника с током в магнитном поле и используют при создании эл.двигателя.

В вопросе, «Какие явления используются в устройстве электродвигателей?» термин «явления», наверно не совсем подходящий. Правильнее было бы спросить, какие физические законы используются в устройстве электродвигателей, или какой принцип действия электродвигателей. А если по существу, то электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую, используя электромагнитную индукцию.

Объект, безусловно, волен начать двигаться как ему вздумается. Но тогда он перестанет быть движущимся равномерно. Важность же объектов, а точнее — систем, движущихся именно равномерно и прямолинейно, в том, что а) в них соблюдается закон инерции: если на покоящееся тело в такой системе отсчёта не действуют никакие силы, то оно так и останется покоящимся; и б) все такие системы эквивалентны между собой. Это означает, что все физические явления протекают в них совершенно одинаково, и уравнения, эти явления описывающие, тоже выглядят одинаково (как говорят физики, уравнения инвариантны относительно выбора системы отсчёта).

Само по себе равномерное движение определяетс просто: если в любые равные промежутки времени объект (или система) проходит равные расстояния. Тут важно именно — любые промежутки времени. Колеблющееся тело тоже проходит равные расстояния, но далеко не в произвольные промежутки времени.

Электрический двигатель

Электродвигатель представляет собой электрическую машину, которая преобразовывает электроэнергию в энергию вращения вала с незначительными тепловыми потерями. Главный принцип работы любого электродвигателя заключается в использовании электромагнитной индукции в качестве основной движущей силы. Для этого конструкция электродвигателя включает:

• Неподвижную часть (статор или индуктор).
• Подвижную часть (ротор или якорь).

В зависимости от предназначения, применяемого рода тока и конструктивных особенностей электрические двигатели имеют большое количество разновидностей.

Принцип работы электродвигателя

Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:
• Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы синхронного электродвигателя

Двигатели постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока объединяют широкий ассортимент устройств, обеспечивающих высокий КПД при трансформации электрической энергии в механическую. Для надежного соединения электрической цепи подвижной и неподвижной части электропривода постоянного тока используют щеточно-коллекторный узел. В зависимости от конструктивных особенностей щеточно-коллекторного узла, все электрические машины постоянного тока подразделяют на следующие группы:

• Коллекторные.
• Бесколлекторные.

В свою очередь коллекторные электродвигатели условно разделяют на следующие виды:

• Самовозбуждающиеся.
• С возбуждением от электромагнитов постоянного действия.

Устройства с независимым возбуждением характеризуются низкой мощностью, поэтому данные электроприводы используют для не ответственных операций с низкой нагрузкой. Машины с самовозбуждением подразделяют на:

• Устройства с последовательным возбуждением, где якорь подключается последовательно обмотке возбуждения.
• Электродвигатели с параллельным возбуждением, где якорь включается параллельно обмотке возбуждения.
• Электропривод смешанного возбуждения, который характеризуется наличием параллельных и последовательных соединений.

Модели с параллельным возбуждением

Электромагнитные двигатели данного типа изготавливаются на базе щеточных коллекторов. Якоря в данном случае отсутствуют. Вал в устройствах крепится на роликовых подшипниках. Также для уменьшения силы трения используются специальные лапы. У некоторых конфигураций есть магнитопроводы. Подключаться модели могут только к сети с постоянным током.

Еще важно отметить, что на рынке в основном представлены трехтактные модификации. Щеткодержатели в устройствах выполнены в форме цилиндров. По мощности модели отличаются. В среднем параметр рабочего тока на холостом ходе не превышает 50 А. Для усиления электромагнитного поля применяются роторы с высоковольтной обмоткой. У некоторых конфигураций используются наконечники на магнитопроводах.

Двигатели переменного тока

Электродвигатели переменного тока представлены широкой номенклатурой устройств, которые различают по многочисленным конструктивным и эксплуатационным характеристикам. В зависимости от скорости вращения ротора выделяют электрические машины синхронного и асинхронного типа.

Синхронные двигатели характеризуются одинаковой скоростью вращения ротора и магнитного поля питающего напряжения. Подобный тип электрических двигателей используют для изготовления устройств с высокой мощностью. Кроме этого существует еще одна разновидность синхронного привода — шаговые двигатели. Они имеют строго заданное в пространстве положение ротора, которое фиксируется подачей питания на обмотку статора. При этом переход из одного положения в другое осуществляется посредством подачи напряжения на требуемую обмотку.

Асинхронный электрический двигатель имеет частоту вращения ротора отличную от частоты вращения магнитного поля питающего напряжения. В настоящее время этот тип электродвигателей получил самое широкое распространение как на производстве, так и в быту.

В зависимости от количества фаз питающего напряжения электропривод принадлежит к одной из групп:

• 1-нофазные;
• 2-хфазные;
• 3-хфазные;
• многофазные.

Модификации с фазным ротором

Электромагнитный двигатель с фазным ротором устанавливается на станки и часто используется в тяжелой промышленности. Магнитопроводы в данном случае имеются с якорями. Отличительной чертой устройств принято считать большие валы. Непосредственно напряжение на обмотку подается через статор. Для вращения вала используется щеткодержатель. В некоторых из них установлены контактные кольца. Также важно отметить, что мощность моделей в среднем составляет 45 кВт. Непосредственно питание двигателей может осуществляться только от сети с переменным током.

Категория размещения и климатическое исполнение

Все электродвигатели производят с учетом воздействия во время эксплуатации определенных факторов окружающей среды. По этой причине все электрические машины подразделяют на следующие категории размещения:

• Для помещений с высоким уровнем влажности.
• Для помещений закрытого типа с вентиляцией естественного типа без искусственного регулирования климатических параметров. При этом ограничено воздействие пыли, влаги и УФ- излучения.
• В условиях открытого пространства.
• Для помещений закрытого типа с искусственным регулированием климатических параметров. При этом ограничено воздействие пыли, влаги и УФ-излучения.
• Для помещений с изменением влажности и температуры, которые не отличаются от изменений на улице.

В зависимости от климатического исполнения в соответствии с требованиями ГОСТ 15150 — 69 все электрические двигатели подразделяют на следующие типы исполнения:

• Все возможные макроклиматические районы (В).
• Холодный (ХЛ).
• Все морские районы (ОМ).
• Сухой тропический (ТС).
• Общий (О).
• Умеренный (У).
• Умеренный морской (М).
• Влажный тропический (ТВ).

Категория размещения и климатическое исполнение указывают в условном обозначении электродвигателя на его бирке и в паспорте.

Модели с независимым возбуждением

Модификации данного типа отличаются клеммными магнитопроводами. В данном случае устройства работают в сети только с переменным током. Непосредственно напряжение в первую очередь подается на статор. Роторы у моделей изготавливаются с коллекторами. У некоторых модификаций мощность достигает 55 кВт.

По типу якорей устройства отличаются. Щеткодержатели часто устанавливаются на стопорном кольце. Также важно отметить, что коллекторы в устройствах используются с уплотнителями. Диски в данном случае располагаются за статорами. У многих двигателей бендиксы отсутствуют.

Степень защиты корпуса

Для условного обозначения степени защиты корпуса электрической машины от воздействия вредных факторов окружающей среды используют аббревиатуру IP. При этом на корпусе электропривода указывают следующую информацию:

• Высокий уровень защиты от пыли — IP65, IP66.
• Защищенные — не ниже IP21, IP22.
• С защитой от влаги — IP55, IP5.
• С защитой от брызг и капель — IP23, IP24.
• Закрытое исполнение — IP44 — IP54.
• Герметичные — IP67, IP68.

При подборе электрического двигателя для эксплуатации в условиях воздействия определенных вредных факторов, необходимо тщательно подходить к выбору степени защиты его корпуса.

Двигатели смешанного возбуждения

Электромагнитные двигатели данного типа могут использоваться только для приводов. Ротор здесь чаще всего устанавливается с первичной обмоткой. В данном случае показатель мощности не превышает 40 кВт. Номинальная перегрузка системы составляет около 30 А. Статор в устройствах применяется трехполюсного типа. Подключать указанный двигатель можно только в сеть с переменным током. Клеммные коробки у них используются с контактами.

Некоторые модификации оснащены щеткодержателями. Также на рынке представлены устройства с вентиляторами. Уплотнители чаще всего располагаются над статорами. Действуют устройства по принципу электромагнитной индукции. Первичное возбуждение осуществляется на магнитопроводе статора. Также важно отметить, что в устройствах применятся высоковольтная обмотка. Для фиксации вала используются защитные кольца.

Общие требования безопасности при монтаже и эксплуатации

При монтаже электрического двигателя необходимо придерживаться следующих требований:

• Перед подключением проверить соответствие частоты и напряжения питающей сети с информацией на паспорте электрического двигателя.
• Перед установкой электрической машины обязательно проводят измерение сопротивления электрической изоляции обмотки статора относительно корпуса. При неудовлетворительных значениях проводят просушивание изоляции до достижения требуемого значения.
• При сопряжении валов необходимо точно соблюдать соосность с допустимым отклонением не более 0,2 мм.
• Для заземления корпуса электродвигателя используют только специальные заземляющие устройства, предусмотренные инструкцией завода производителя.
• Строго запрещен монтаж электропривода под напряжением.

В процессе эксплуатации электрических машин следует придерживаться следующих основных правил:

• Регулярный осмотр состояния электродвигателя является залогом своевременного определения неисправностей.
• Регулярно на протяжении всего срока эксплуатации проводят проверку исправности токовой и тепловой защиты, чистку и смазку, проверку контактных соединений и надежности заземления.
• При наличии повышенного шума или стука, проводят вибродиагностику с целью определения состояния подшипников и других вращающихся деталей.
• Следует исключить длительную работу однофазного электродвигателя в режиме холостого хода, что негативно влияет на срок его службы.
• Запрещается эксплуатация электрического двигателя с неисправной защитой от перегрева, перегрузки или завышенным значением сопротивления контура заземления.

Устройства для самолетов

Работа двигателей данного типа построена на принципе электромагнитной индукции. Для этого статоры применяются трехполюсного типа. Также электромагнитные двигатели летательных аппаратов включают в себя бесщеточные коллекторы. Клеммные коробки в устройствах располагаются над контактными кольцами. Неотъемлемой частью статора является якорь. Вал вращается благодаря роликовым подшипникам. У некоторых модификаций применяются щеткодержатели. Также важно упомянуть о различных типах клеммных коробок. В данном случае многое зависит о мощности модификации. Электромагнитные двигатели для самолетов с целью охлаждения оборудуются вентиляторами.

Крановые электродвигатели

Крановые электродвигатели представляют собой асинхронные устройства переменного тока или двигатели постоянного тока с параллельным или последовательным возбуждением.

В отличие от других категорий электродвигателей, крановые электроприводы имеют следующие особенности:

• Большинство крановых электрических двигателей имеет закрытое исполнение корпуса.
• Момент инерции на роторе составляет минимально возможное значение, что обеспечивает минимальные потери энергии во время переходных процессов.
• Кратковременная перегрузка по моменту для крановых двигателей постоянного тока составляет 2,0 — 5,0, а для электромоторов переменного тока 2,3 — 3,5.
• Класс нагревостойкости изоляционных материалов не менее F.
• У кранового электропривода переменного тока в номинальном режиме ПВ составляет не менее 80 минут.
• С целью получения большой перегрузочной способности по моменту добиваются высоких значений магнитного потока.
• Отношение максимально допустимой частоты вращения к номинальному значению для электродвигателей постоянного тока составляет 3,5 — 4,9, а для машин переменного тока 2,5.

Эксплуатация кранового привода характеризуется следующими условиями эксплуатации:

• Частые пуски, реверсы и торможения.
• Регулирование частоты вращения в широком диапазоне значений.
• Повышенная вибрация и тряски.
• Повторно-кратковременный режим работы.
• Воздействие высокой температуры, газа, пыли и пара.
• Значительная перегрузка во время работы.

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

• где M – вращающий момент, Нм,
• F – сила, Н,
• r – радиус-вектор, м

• где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• nном — номинальная частота вращения, мин -1 [4]

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н) 1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм) 1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

• где P – мощность, Вт,
• A – работа, Дж,
• t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

Общепромышленные электрические двигатели

Электродвигатели общепромышленного исполнения применяют для привода механизмов, которые не предъявляют особых требований к показателям КПД, энергосбережения, скольжению и пусковым характеристикам. Они характеризуются повторно-кратковременным режимом работы и изоляцией с классом нагревостойкости класса F. Наиболее популярными в этой категории являются асинхронные электрические двигатели марки АИР с короткозамкнутым ротором. Благодаря многочисленным достоинствам, этот тип электропривода с успехом применяется на всех производственных предприятиях. От продукции других торговых марок его отличает:

• Простая конструкция с отсутствием подвижных контактов.
• Низкая стоимость в сравнении с электрическими машинами других типов.
• Высокая ремонтопригодность всех главных узлов и рабочих элементов.
• Использование напряжения сети 380 В без дополнительных регуляторов или фильтров.
• Монтаж двигателя осуществляется на лапах или фланцах, поэтому происходит в минимально короткий срок.

Электрические машины общепромышленного исполнения находят применение в сферах деятельности, где нет необходимости в высоких эксплуатационных параметрах: вентиляционные системы, насосные станции, станочное оборудование, компрессорные установки и др. Эксплуатация общепромышленных электродвигателей осуществляется в двух основных режимах: генераторный и двигательный. При этом в генераторном режиме электрические двигатели являются источником электроэнергии за счет преобразования механической энергии вращения вала. В двигательном режиме привод общепромышленного исполнения потребляет электроэнергию и превращает её в механическую энергию вращения вала.

Виды электродвигателей: классификация

Жёсткой классификации электродвигателей нет, но различать их можно по нескольким параметрам. Основные – тип питания и наличие скользящего контакта. Эти позиции можно считать ключевыми и по ним проще ориентироваться. В общем-то, видов электродвигателей не так и много – синхронные, асинхронные, постоянного тока, вентильные. Вот, пожалуй, всё. Другое дело, что в большинстве «категорий» есть достаточно вариантов, которые значительно меняют свойства и характеристики. Но с этим придётся разбираться применительно к каждой конструкции.

Электрические двигатели отличаются типом питания, устройством и назначением

Итак, рассмотрим виды электродвигателей по виду питающего напряжения. Они бывают:

• постоянного тока;
• переменного тока: однофазное питание;
• трехфазное питание;

Пояснений требует только универсальный тип. Такой электродвигатель может работать как от постоянного, так и от переменного напряжения. По сути, один вид – универсальный коллекторный двигатель с обмотками возбуждения. К двигателям переменного тока относятся синхронные, асинхронные. На постоянном токе работают коллекторные и вентильные.

Наиболее распространённые виды электродвигателей

По способу передачи электропитания все электродвигатели можно разделить на две группы:

• с коллектором (щёточные);
• без коллектора (бесщёточные).

Бесщёточные электродвигатели требуют меньше обслуживания, работают тише, более надёжны. К ним относятся асинхронные с короткозамкнутым ротором (работают от переменного напряжения), вентильные (питаются постоянным напряжением). Остальные имеют коллектор и щётки, через которые на обмотки катушек подаётся напряжение.

Электрические двигатели с электромагнитным тормозом

Электрический привод с электромагнитным тормозом предназначен для эксплуатации в повторно-кратковременном или кратковременном режиме. Он разработан специально для механизмов, которые требуют форсированной остановки в строго регламентированное время. К таким механизмам относят: электрические тали, автоматизированные складские системы, обрабатывающие станки и др. Тормозной механизм, как правило, располагают со стороны противоположной валу двигателя. Он обеспечивает быстрое торможение электрического привода при отключении питания, а при повторной подаче напряжения растормаживает его.

Электрические машины со встроенным электромагнитным тормозом работают по следующему принципу:

1. Электромагнитную катушку тормоза подключают последовательно к одной из фазных обмоток электродвигателя.
2. Катушка получает постоянное напряжение посредством выпрямляющего устройства, которое располагают возле коробки с выводами или переменное напряжение непосредственно с обмотки электродвигателя.
3. При отсутствии фазного напряжения катушка обесточивается, и якорь прочно зажимает блокировочный механизм.
4. После восстановления электрического питания катушка подтягивает якорь, что позволяет валу двигателя свободно перемещаться.

В зависимости от способа монтажа электромоторы со встроенным электромагнитным тормозом изготавливают в следующих исполнениях:

• С горизонтальным валом.
• С вертикальным валом.

Благодаря своим преимуществам по времени остановки вала электродвигателя, этот тип электропривода обеспечивает надежную и безопасную эксплуатацию устройств с высокими требованиями к позиционированию или аварийной остановке.

Коллекторный электромагнитный двигатель: принцип работы

Коллекторные модификации активно применяются для электроприводов. Принцип действия у них довольно простой. После подачи напряжения в цепь задействуется ротор. Электромагнитное поле запускает процесс индукции. Возбуждение обмотки заставляет вал ротора вращаться. Тем самым приводится в действие диск устройства. Для уменьшения силы трения используются подшипники. Также важно отметить, что в моделях устанавливаются щеткодержатели. В задней части устройств часто имеется вентилятор. Для того чтобы вал не терся об уплотнитель, применяется защитное кольцо.

Схема асинхронного двигателя

Асинхронные модели являются компактными и часто используются в бытовых приборах. Однако в тяжелой промышленности они также являются востребованными. В первую очередь следует отметить их защищенность. Роторы в устройствах применяются только однополюсного типа. Однако статоры устанавливаются с магнитопроводами. В данном случае обмотка применяется высоковольтного типа. Для стабилизации электромагнитного поля есть бендикс.

Крепится он в устройстве благодаря шпонке. Втягивающее реле в них располагается за якорем. Вал устройства вращается на специальных роликовых подшипниках. Также важно отметить, что есть модификации с бесщеточными коллекторами. Используются они в основном для приводов различной мощности. Сердечники в данном случае установлены удлиненные, и располагаются они за магнитопроводами.

Магнитный униполярный двигатель Тесла

Выдающийся ученый, ставший в свое время пионером в области снабжения эл. током, асинхронных электродвигателей на переменном токе, не обделил своим вниманием и расчетом вопрос вечного источника энергии. В научной среде это изобретение именуется иначе, как униполярный генератор Тесла.

Первоначально расчет данного типа устройства вел Фарадей, но его прототип при сходном принципе действия не обладал должной эффективностью, стабильностью работы, то есть не достиг цели. Термин «униполярный» означает, что в схеме агрегата кольцевой, дисковый (пластина) или цилиндровый проводник расположен в цепи между полюсами постоянного магнита.

Магнитный двигатель Тесла и его схема

На схеме, которая была представлена в оригинальном патенте, есть конструкция с двумя валами, на которых размещаются две пары магнитов: В, В создают условно положительное поле, а С, С – отрицательное. Между ними располагаются униполярные диски с отбортовкой, используемые в качестве генерирующих проводников. Оба униполярных диска связаны между собой тонкой металлической лентой, которая может быть в принципе использована, как проводник (в оригинале) или для вращения диска.