Електричний двигун, скорочено електродвигун – електрична машина, за допомогою якої електрична енергія перетворюється на механічну, для приведення в рух різних механізмів. Електродвигун є основним елементом електроприводу.
У деяких режимах роботи електроприводу електродвигун здійснює зворотне перетворення енергії, тобто працює в режимі електричного генератора.
По виду створюваного механічного руху електродвигуни бувають обертові, лінійні та ін. Під електродвигуном найчастіше мається на увазі обертовий електродвигун, так як він отримав найбільше застосування.
Області науки і техніки вивчає електричні машини – електромеханіка. Вважають, що її історія починається з 1821 року, коли було створено перший електродвигун М.Фарадея.
Конструкція електродвигуна
Основними компонентами електродвигуна, що обертається, є статор і ротор. Статор – нерухома частина, ротор – частина, що обертається.
Більшість електродвигунів ротор розташовується всередині статора. Електродвигуни, у яких ротор знаходиться зовні статора, називаються електродвигунами зверненого типу.
Принцип роботи електродвигуна
1. Відповідно до закону Ампера на провідник зі струмом I в магнітному полі діятиме сила F.
2. Якщо провідник зі струмом I зігнути в рамку і помістити в магнітне поле, дві сторони рамки, що знаходяться під прямим кутом до магнітного поля, будуть випробовувати протилежно спрямовані сили F
4. Електродвигуни, що виробляються, мають кілька витків на якорі, щоб забезпечити більший постійний момент.
5.Магнітне поле може створюватися як магнітами, і електромагнітами. Електромагніт зазвичай являє собою провід намотаний на сердечник. Таким чином, за законом електромагнітної індукції струм, що протікає в рамки, буде індукувати струм в обмотки електромагніта, який у свою чергу створюватиме магнітне поле.
- Детальний опис принципу роботи електродвигунів різних типів:
- Принцип роботи однофазного асинхронного електродвигуна
- Принцип роботи трифазного асинхронного електродвигуна
- Принцип роботи синхронного електродвигуна
Класифікація електродвигунів
- Зазначена категорія не представляє окремий клас електродвигунів, оскільки пристрої, що входять у категорію (БДПТ, ВРД), є комбінацією безколекторного двигуна, електричного перетворювача (інвертора) і, в деяких випадках, – датчика положення ротора. У цих пристроях електричний перетворювач, через його невисоку складність і невеликі габарити, зазвичай інтегрований в електродвигун.
- Вентильний двигун може бути визначений як електричний двигун, що має датчик положення ротора, що керує напівпровідниковим перетворювачем, що здійснює узгоджену комутацію обмотки якоря [5].
- Вентильний електродвигун постійного струму – електродвигун постійного струму, вентильний пристрій, що комутує, якого являє собою інвертор, керований або за положенням ротора, або по фазі напруги на обмотки якоря, або за положенням магнітного поля [1].
- Електродвигуни використовувані БДПТ і ВРД є двигунами змінного струму, при цьому за рахунок наявності в даних пристроях електричного перетворювача вони підключаються до мережі постійного струму.
- Кроковий двигун не є окремим класом двигуна. Конструктивно він являє собою СДПМ, СРД або гібридний СРД-ПМ.
- КДПТ – колекторний двигун постійного струму
- БДПТ – безколекторний двигун постійного струму
- ЕП – електричний перетворювач
- ДПР – датчик положення ротора
- ВРД – вентильний реактивний двигун
- АДКР – асинхронний двигун із короткозамкненим ротором
- АДФР – асинхронний двигун із фазним ротором
- СДОВ – синхронний двигун з обмоткою збудження
Типи електродвигунів
Колекторні електродвигуни
Колекторна машина – електрична машина, що обертається, у якої хоча б одна з обмоток, що беруть участь в основному процесі перетворення енергії, з'єднана з колектором [1]. У колекторному двигуні щітково-колекторний вузол виконує функцію датчика положення ротора та перемикача струму в обмотках.
Універсальний електродвигун
Може працювати на змінному та постійному струмі. Широко використовується в ручному електроінструменті та в деяких побутових приладах (у пилососах, пральних машинах та ін.). У США та Європі використовувався як тяговий електродвигун. Набув великого поширення завдяки невеликим розмірам, щодо низької ціни та легкості управління.
Колекторний електродвигун постійного струму
Електрична машина, що перетворює електричну енергію постійного струму на механічну.Перевагами електродвигуна постійного струму є: високий пусковий момент, швидкодія, можливість плавного керування частотою обертання, простота пристрою та керування. Недоліком двигуна є необхідність обслуговування колекторно-щіткових вузлів та обмежений термін служби через знос колектора.
Безколекторні електродвигуни
У безколекторних електродвигунів можуть бути контактні кільця із щітками, таким чином не треба плутати безколекторні та безщіткові електродвигуни.
Безщіткова машина – електрична машина, що обертається, в якій всі електричні зв'язки обмоток, що беруть участь в основному процесі перетворення енергії, здійснюються без ковзаючих електричних контактів [1].
Асинхронний електродвигун
Найбільш поширений електродвигун у промисловості. Достоїнствами електродвигуна є простота конструкції, надійність, низька собівартість, високий термін служби, високий пусковий момент і перевантажувальна здатність. Недоліком асинхронного електродвигуна є складність регулювання частоти обертання.
Синхронний електродвигун
Синхронні двигуни зазвичай використовуються в задачах, де потрібне точне управління швидкістю обертання, або де потрібне максимальне значення таких параметрів як потужність/об'єм, ККД та ін.
Спеціальні електродвигуни
Серводвигун
Серводвигуни є окремим класом двигунів. Як серводвигун можуть використовуватися електродвигуни постійного і змінного струму з датчиком положення ротора. Серводвигун використовується у складі сервомеханізму для точного управління кутовим положенням, швидкістю та прискоренням виконавчого механізму.p align="justify"> Для роботи серводвигун вимагає відносно складну систему управління, яка зазвичай розробляється спеціально для сервоприводу.
Основні параметри електродвигуна
Момент електродвигуна
Обертальний момент (синоніми: обертальний момент, момент, що крутить, момент сили) – векторна фізична величина, що дорівнює добутку радіус вектора, проведеного від осі обертання до точки докладання сили, на вектор цієї сили.
Довідка: Номінальний крутний момент Мном, Нм, визначають за формулою
- де Pном – Номінальна потужність двигуна, Вт,
- nном – номінальна частота обертання, хв -1 [4]
Початковий пусковий момент – момент електродвигуна під час пуску.
Довідка: В англійській системі міра сила вимірюється в унція-сила (oz, ozf, ounce-force) або фунт-сила (lb, lbf, pound-force)
1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N(Н)
1 lb = 4,448222 N(Н)
момент вимірюється в унція-сила на дюйм (oz∙in) або фунт-сила на дюйм (lb∙in)
1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)
Потужність електродвигуна
Потужність електродвигуна – це корисна механічна потужність на валу електродвигуна.
Механічна потужність
Потужність – фізична величина, що показує роботу механізм робить в одиницю часу.
Робота – скалярна фізична величина, що дорівнює добутку проекції сили на напрямок F і шляху s, що проходить точкою докладання сили [2].
Для обертального руху
Таким чином можна обчислити значення механічної потужності на валу електродвигуна, що обертається.
Довідка: Номінальне значення – значення параметра електротехнічного виробу (пристрою), вказане виробником, у якому воно має працювати, є вихідним відліку.
Коефіцієнт корисної дії електродвигуна
Коефіцієнт корисної дії (ККД) електродвигуна – характеристика ефективності машини щодо перетворення електричної енергії на механічну.
- де – Коефіцієнт корисної дії електродвигуна,
- P1 – підведена потужність (електрична), Вт,
- P2 – Корисна потужність (механічна), Вт
- При цьому втрати в електродвигуні обумовлені:
- електричними втратами – у вигляді тепла внаслідок нагрівання провідників зі струмом;
- магнітними втратами – втрати на перемагнічування сердечника: втрати на вихрові струми, на гістерезис та на магнітну післядію;
- механічними втратами – втрати на тертя у підшипниках, на вентиляцію, на щітках (за їх наявності);
- додатковими втратами – втрати спричинені вищими гармоніками магнітних полів, що виникають через зубчасту будову статора, ротора та наявність вищих гармонік магніторушійної сили обмоток.
ККД електродвигуна може змінюватись від 10 до 99% залежно від типу та конструкції.
Міжнародна електротехнічна комісія (International Electrotechnical Commission) визначає вимоги щодо ефективності електродвигунів. Відповідно до стандарту IEC 60034-31:2010 визначено чотири класи ефективності для синхронних та асинхронних електродвигунів: IE1, IE2, IE3 та IE4.
Частота обертання
Момент інерції ротора
Момент інерції – скалярна фізична величина, що є мірою інертності тіла у обертовому русі навколо осі, дорівнює сумі творів мас матеріальних точок на квадрати відстаней від осі
Довідка: В англійській системі мір момент інерції вимірюється в унція-сила-дюйм (oz∙in∙s 2 )
1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )
Момент інерції пов'язаний із моментом сили наступним співвідношенням
Довідка: Визначення моменту інерції обертової частини електродвигуна описано в ГОСТ 11828-86
Номінальна напруга
Номінальна напруга (англ. rated voltage) – напруга, на яку спроектована мережа чи обладнання і до якого відносять їх робочі характеристики [3].
Електрична постійна часу
Електрична стала часу – це час, що відраховується з моменту подачі постійної напруги на електродвигун, за який струм досягає рівня 63,21% (1-1/e) від свого кінцевого значення.
Механічна характеристика
Механічна характеристика двигуна є графічно вираженою залежністю частоти обертання валу від електромагнітного моменту при незмінному напрузі живлення.
Порівняння характеристик зовні комутованих електричних двигунів
Нижче представлені порівняльні характеристики зовні комутованих електродвигунів, в ракурсі застосування як тягові електродвигуни в транспортних засобах.
Порівняння механічних характеристик електродвигунів різних типів за обмеженого струму статора
Залежність потужності від швидкості обертання валу двигунів різних типів при обмеженому струмі статора
Електричні двигуни призначені для перетворення електричної енергії на механічну. Перші їх прототипи були створені в 19 столітті, а сьогодні ці пристрої максимально інтегровані в життя сучасного людства.
Принцип перетворення енергії
Принцип роботи електродвигуна будь-якого типу полягає у використанні електромагнітної індукції, що виникає всередині пристрою після підключення до мережі. Для того щоб зрозуміти, як ця індукція створюється і приводить елементи двигуна в рух, слід звернутися до шкільного курсу фізики, що пояснює поведінку провідників електромагнітному полі.
Отже, якщо ми зануримо провідник у вигляді обмотки, яким рухаються електричні заряди, в магнітне поле, він почне обертатися навколо своєї осі. Це пов'язано з тим, що заряди знаходяться під впливом механічної сили, що змінює їхнє положення на перпендикулярній магнітним силовим лініям площини. Можна сказати, що ця сила діє на весь провідник.
Схема, представлена нижче, показує струмопровідну рамку, що знаходиться під напругою, і два магнітні полюси, що надають їй обертальний рух.
Саме ця закономірність взаємодії магнітного поля та струмопровідного контуру зі створенням електрорушійної сили лежить в основі функціонування електродвигунів усіх типів. Для створення аналогічних умов конструкцію пристрою включають:
- Ротор (обмотка) – рухома частина машини, закріплена на сердечнику та підшипниках обертання. Вона виконує роль струмопровідного обертального контуру.
- Статор – нерухомий елемент, що створює магнітне поле, що впливає електричні заряди ротора.
- Корпус статора. Оснащений посадковими гніздами з обоймами для підшипників ротора. Ротор розміщується усередині статора.
Для представлення конструкції електродвигуна можна створити принципову схему з урахуванням попередньої ілюстрації:
Після включення даного пристрою в мережу, по обмотках ротора починає йти струм, який під впливом магнітного поля, що виникає на статорі, надає ротору обертання, що передається на вал. Швидкість обертання, потужність та інші робочі показники залежать від конструкції конкретного двигуна та параметрів електричної мережі.
Класифікація електричних двигунів
Всі електродвигуни між собою класифікують в першу чергу за типом струму, що протікає через них. У свою чергу, кожна з цих груп теж ділитиме на кілька видів, залежно від технологічних особливостей.
Двигуни постійного струму
На малопотужних двигунах постійного струму магнітне поле створюється постійним магнітом, що встановлюється в корпусі пристрою, а обмотка якоря закріплюється на валу, що обертається. Принципова схема ДПТ виглядає так:
Обмотка, розташована на осерді, виготовляється з феромагнітних матеріалів і складається з двох частин, послідовно з'єднаних між собою. Своїми кінцями вони приєднуються до колекторних пластин, яких притискаються графітові щітки. На одну з них подається позитивний потенціал від джерела постійного струму, а на іншу негативний.
Після подачі живлення на двигун відбувається таке:
- Струм від нижньої «плюсової» щітки подається на колекторну пластину, до контактної платформи якої вона підключена.
- Проходження струму обмоткою на колекторну пластину (позначено пунктирною червоною стрілкою), підключену до верхньої «негативної» щітки створює електромагнітне поле.
- Згідно з правилом свердла, у правій верхній частині якоря виникає магнітне поле південного, а в лівій нижній – північного магнітного полюса.
- Магнітні поля з однаковим потенціалом відштовхуються один від одного і наводять ротор у обертальний рух, позначений на схемі червоною стрілкою.
- Пристрій колекторних пластин призводить до зміни напрямку протікання струму по обмотці під час інерційного обертання і робочий цикл повторюється знову.
При очевидній простоті конструкції суттєвим недоліком таких двигунів є низький ККД, що обумовлений великими втратами енергії. Сьогодні ДПТ із постійними магнітами використовуються у простих побутових приладах та дитячих іграшках.
Улаштування двигунів постійного струму великої потужності, що використовуються у виробничих цілях, не передбачає використання постійних магнітів (вони займали б занадто багато місця). У цих машинах використовується така конструкція:
- обмотка складається з більшої кількості секцій, що є металевим стрижнем;
- кожна обмотка окремо підключається до позитивного та негативного полюса;
- кількість контактних майданчиків на колекторному пристрої відповідає кількості обмоток.
Таким чином, зниження втрат електроенергії забезпечується плавним підключенням кожної обмотки до щіток та джерела живлення. На наступній картинці представлена конструкція якоря такого двигуна:
Пристрій електричних двигунів постійного струму дозволяє легко повернути напрям обертання ротора за допомогою простої зміни полярності на джерелі живлення.
Функціональні особливості електродвигунів визначаються наявністю деяких «хитрощів», яких відноситься зсув струмознімальних щіток і кілька схем підключення.
Зсув вузла струмознімальних щіток щодо обертання валу відбувається після запуску двигуна і зміни навантаження, що подається.Це дозволяє компенсувати "реакцію якоря" – ефект, що знижує ефективність машини за рахунок гальмування валу.
Є три способи підключення ДПТ:
- Схема з паралельним збудженням передбачає паралельне підключення незалежної обмотки, як правило, що регулюється реостатом. Так забезпечується максимальна стабільність швидкості обертання та її плавне регулювання. Саме завдяки цьому двигуни з паралельним збудженням знаходять широке застосування у вантажопідйомному устаткуванні, електричному транспорті та верстатах.
- Схема з послідовним збудженням також передбачає використання додаткової обмотки, але підключається вона послідовно з основною. Це дозволяє при необхідності різко збільшити момент двигуна, що крутить, наприклад, на старті руху залізничного складу.
- Змішана схема використовує переваги обох способів підключення, описаних вище.
Двигуни змінного струму
Головною відмінністю цих двигунів від описаних раніше моделей полягає в струмі, що протікає їх обмоткою. Він описує за синусоїдальним законом і постійно змінює свій напрямок. Відповідно і живлення цих двигунів здійснюється від генераторів зі знакозмінною величиною.
Однією з головних конструктивних відмінностей є пристрій статора, що є магнітопровідом зі спеціальними пазами для розташування витків обмотки.
Двигуни змінного струму класифікують за принципом роботи на синхронні та асинхронні. Коротко кажучи, це означає, що по-перше частота обертання ротора збігається з частотою обертання магнітного поля в статорі, а по-друге – ні.
Рекомендуємо прочитати нашу статтю про влаштування електродвигунів змінного струму.
Синхронні двигуни
В основі роботи синхронних електродвигунів змінного струму теж лежить принцип взаємодії полів, що виникають усередині пристрою, однак у їх конструкції постійні магніти закріплюються на роторі, а по статору проводиться обмотка. Принцип їхньої дії демонструє таку схему:
Провідники обмотки, якою проходить струм, показані малюнку як рамки. Обертання ротора відбувається таким чином:
- На певний час ротор із закріпленим у ньому постійним магнітом перебуває у вільному обертанні.
- На обмотці в момент проходження через неї позитивної напівхвилі формується магнітне поле з діаметрально протилежними полюсами Sст та Nст. Воно показано на лівій частині наведеної схеми.
- Одноіменні полюси постійного магніту та магнітного поля статора відштовхуються один від одного і приводять двигун у положення, показане на правій частині схеми.
У реальних умовах створення постійного плавного обертання двигуна використовується не одна котушка обмотки, а кілька. Вони по черзі пропускають через себе струм, завдяки чому створюється магнітне поле, що обертається.
Асинхронні двигуни
А асинхронному двигуні змінного струму магнітне поле, що обертається, створюється трьома (для мережі 380 В) обмотками статора. Їхнє підключення до джерела живлення здійснюється через клемну коробку, а охолодження – вмонтованим у двигун вентилятором.
Ротор, зібраний із кількох замкнутих між собою металевих стрижнів, жорстко з'єднаний з валом, складаючи з ним одне ціле. Саме через з'єднання стрижнів між собою цей тип ротора називається короткозамкнутим. Завдяки відсутності струмопровідних щіток у цій конструкції значно спрощується технічне обслуговування двигуна, збільшується термін служби та надійність.Головною причиною виходу з ладу двигунів цього є знос підшипників валу.
Принцип роботи асинхронного двигуна полягає в законі електромагнітної індукції – якщо частота обертання електромагнітного поля обмоток статора перевищує частоту обертання ротора, у ньому наводиться електрорушійна сила. Це важливо, оскільки при однаковій частоті ЕРС немає і, відповідно, немає обертання. Насправді навантаження на вал і опір від тертя підшипників завжди уповільнює ротор і створює достатні для роботи умови.
Головним недоліком двигунів цього типу є неможливість отримання постійної частоти обертання валу. Справа в тому, що робочі характеристики пристрою змінюються в залежності від різних факторів. Наприклад, без навантаження на вал циркулярна пилка обертається з максимальною швидкістю. Коли підводимо до пильного полотна дошку і починаємо її різати, частота обертання диска помітно знижується. Відповідно, знижується і швидкість обертання ротора щодо електромагнітного поля, що призводить до наведення ще більшої ЕРС. Це збільшує споживаний струм і робоча потужність двигуна збільшується до максимальної.
Важливо підбирати двигун відповідної потужності – занадто низька призведе до пошкодження короткозамкнутого ротора через перевищення розрахункового максимуму ЕРС, а надто висока призводить до необґрунтованих енерговитрат.
Асинхронні двигуни змінного струму розраховані працювати від трифазної електричної мережі, проте можуть бути підключені і в однофазну мережу. Так, наприклад, вони використовуються у пральних машинах та верстатах для домашніх майстерень. Однофазний двигун має приблизно на 30% нижчу потужність порівняно з трифазним – від 5 до 10 кВт.
Зважаючи на простоту виконання та надійність асинхронні двигуни змінного струму найбільш поширені не тільки у виробничому обладнанні, а й у побутовій техніці.
Універсальні колекторні двигуни
У багатьох побутових електроприладах необхідна наявність високої швидкості обертання двигуна і моменту, що крутить, при малих пускових струмах і плавному регулюванні. Усім цим вимоги задовольняють колекторні двигуни, які називаються універсальними. За своїм пристроєм вони дуже схожі на двигуни постійного струму з послідовним збудженням.
Головною відмінністю від ДПТ є магнітна система, що комплектується кількома ізольованими один від одного листами електротехнічної сталі, до полюсів яких приєднані по дві секції обмотки. Така конструкція знижує нагрівання елементів струмами Фуко та перемагнічування.
Висока синхронність магнітних полів в універсальних колекторних двигунах зберігає високу швидкість обертання під великим навантаженням на вал. Тому їх використовують у малопотужному швидкохідному устаткуванні та домашній техніці. При підключенні до ланцюга регульованого трансформатора з'являється можливість плавного налаштування частоти обертання.
Головний недолік таких електромоторів полягає в низькому моторесурсі, обумовленому швидким стиранням графітових щіток.