Электрический двигатель или электродвигатель — электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия посредством взаимодействия электромагнитных полей статора и ротора преобразуется в механическую«Электрические двигатели» — статья в Малой советской энциклопедии; 2 издание; 1937—1947 гг..
Принцип действия В основу работы подавляющего числа электрических машин положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из неподвижной части — статора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока), подвижной части — ротора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или якоря (для машин постоянного тока). В роли индуктора на маломощных двигателях постоянного тока очень часто используются постоянные магниты.
Ротор асинхронного двигателя может быть: короткозамкнутым; фазным (с обмоткой) — используются там, где необходимо уменьшить пусковой ток и регулировать частоту вращения асинхронного электродвигателя. В большинстве случаев это крановые электродвигатели серии МТН, которые повсеместно используются в крановых установках.
Якорь — вращающийся элемент коллекторных машин постоянного тока или универсальных коллекторных машин (двигателя или генератора).
Универсальный двигатель — тот же двигатель постоянного тока (ДПТ) с последовательным, параллельным или сериесным возбуждением, отличающийся конструкцией магнитных систем статора и якоря. Так как при работе на переменном токе в массивных магнитномягких деталях наводятся паразитные токи Фуко, нагревающие двигатель, полюсные системы и статора, и якоря набираются из тонких, изолированных друг от друга пластин. В современных условиях полюсная система статора часто выполняется навивкой стальной лакированной ленты на ребро с последующим прессованием и вырубанием полюсных наконечников. Магнитные системы двигателей постоянного тока делаются из фрагмента цельной стальной трубы, к которой изнутри притянуты массивные полюсные наконечники.
Принцип действия трёхфазного асинхронного электродвигателя При включении в сеть в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора и наводит в ней индуктивные токи. Подчиняясь закону Ампера (на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует отклоняющая сила), ротор приходит во вращение. Частота вращения поля статора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов.
Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора называется скольжением. Двигатель называется асинхронным, так как частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора.
Синхронный двигатель отличается конструкцией ротора, который выполняется с фазными обмотками, запитанными от сети с помощью контактных колец через пусковые реостаты. В синхронном двигателе частоты вращения магнитных полей статора и ротора совпадают, поэтому, в отличие от асинхронной машины, неподвижный статор синхронной машины самостоятельно запущен быть не может. Для запуска используется либо легкая короткозамкнутая пусковая обмотка, либо специальный пусковой асинхронный двигатель. Синхронные двигатели сложнее и дороже асинхронных, а посему применяются только в тех случаях, когда имеются жесткие требования по ограничению тока запуска.
Асинхронные двигатели нашли широкое применение во всех отраслях техники. Особенно это касается простых по конструкции и прочных трёхфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами типа "беличье колесо", которые надёжнее и дешевле всех электрических двигателей и практически не требуют никакого ухода. Асинхронный двигатель может успешно работать и в сети однофазного тока.
Статор асинхронного электродвигателя состоит, как и в синхронной машине, из пакета, набранного из лакированных колец или ленточной навивки из электротехнической стали, в вырубленных пазах которого уложена обмотка. Три фазы обмотки статора асинхронного трёхфазного двигателя, пространственно смещённые на 120°, соединяются друг с другом звездой, треугольником или комбинированными способами.
На рисунке показана принципиальная схема двухполюсной машины — по четыре паза на каждую фазу. При питании обмоток статора от трёхфазной сети получается вращающееся поле, так как токи в фазах обмотки, которые смещены в пространстве на 120° друг относительно друга сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120°.
Для синхронной частоты вращения nc поля электродвигателя с р парами полюсов справедливо при частоте тока :
При частоте 50 Гц получаем для = 1, 2, 3 (двух-, четырёх- и шести-полюсных машин) синхронные частоты вращения поля = 3000, 1500 и 1000 об/мин.
Ротор асинхронного электродвигателя также состоит из листов электротехнической стали и может быть выполнен в виде короткозамкнутого ротора (с «беличьей клеткой») или ротора с контактными кольцами (фазный ротор).
В короткозамкнутом роторе обмотка состоит из металлических стержней (пищевой алюминий, реже медь или бронза), которые расположены в пазах и соединяются на концах закорачивающими кольцами. Соединение осуществляется методом пайки твердым припоем или сваркой. В случае применения алюминия или алюминиевых сплавов стержни ротора и закорачивающие кольца, включая лопасти вентилятора, расположенные на них, изготавливаются методом литья под давлением.
У ротора электродвигателя с контактными кольцами в пазах находится трёхфазная обмотка, похожая на обмотку статора, включённую, как правило, звездой для уменьшения пускового тока; начала обмоток соединяются с тремя контактными кольцами, закреплёнными на валу. Для ликвидации броска тока при пуске двигателя обмотки ротора включаются через пусковые реостаты (через контактные кольца и щётки). В отдельных случаях после запуска контактные кольца закорачиваются, так что обмотка ротора двигателя выполняет те же самые функции, что и в случае короткозамкнутого ротора, а двигатель работает, как асинхронный, со скольжением.
Асинхронные электродвигатели широко применяются в тяжелой промышленности в качестве вспомогательных машин для компрессоров или выпрямительных установок.
Асинхронные электродвигатели имеют ряд преимуществ перед коллекторными, такие как: меньший износ якоря за счет отсутствия коллектора, более высокий КПД и простота конструкции.
В 2018 году группа болгарских изобретателей под руководством Александра Христова разработала более эффективный вариант асинхронного двигателя, в котором внешняя часть ротора с электрическими обмотками отделена от ферромагнитного сердечника. Внутренняя ферромагнитная часть ротора крепится с помощью подшипников к валу двигателя и может вращаться отдельно от внешней части ротора. Таким образом, внешняя часть ротора вместе с валом вращается асинхронно, как в традиционных асинхронных двигателях, а внутренняя часть ротора вращается синхронно с магнитным полем, создаваемым статором, т. е. как ротор синхронного двигателя. Таким образом снижаются потери за счет исключения образования вихревых токов в ферромагнитном сердечнике ротора и его непрерывного перемагничивания.
Классификация электродвигателей По принципу возникновения вращающего момента электродвигатели можно разделить на гистерезисные и магнитоэлектрические. У двигателей первой группы вращающий момент создаётся вследствие гистерезиса при перемагничивании ротора. Данные двигатели не являются традиционными и не широко распространены в промышленности.
Наиболее распространены магнитоэлектрические двигатели, которые по типу потребляемой энергии подразделяется на две большие группы — на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока (также существуют универсальные двигатели, которые могут питаться обоими видами тока).
Двигатели постоянного тока
Двигатель постоянного тока — двигатель, переключение фаз в котором осуществляется коллектором механически в самом двигателе. Благодаря этому такой двигатель может питаться любым током, в т. ч. и постоянным. Первый коммутаторный электродвигатель постоянного тока, способный вращать механизмы, был изобретён британским ученым Уильямом Стёрдженом в 1832 году. Следуя работе Стёрджена, американский изобретатель Томас Дэвенпорт и его жена Эмили Дэвенпорт построили электродвигатель постоянного тока коммутаторного типа, который он запатентовал в 1837 году.Сторона вращения меняется в зависимости от подключения к питанию (+ к +, - к - или + к -, - к +). В случае, если на мотор не подаётся питание, но вращается вал, двигатель начинает работать как генератор.
Данная группа двигателей в свою очередь разделяется по способу переключения фаз и наличию обратной связи подразделяется на: Коллекторные двигатели; Вентильные двигатели (бесколлекторный электродвигатель).
Щёточно-коллекторный узел обеспечивает электрическое синхронное переключение цепей вращающейся части машины и является наиболее ненадёжным и сложным в обслуживании конструктивным элементом.
По типу возбуждения коллекторные двигатели можно разделить на: Двигатели с независимым возбуждением от электромагнитов и постоянных магнитов; Двигатели с самовозбуждением.
Двигатели с самовозбуждением делятся на: Двигатели с параллельным возбуждением (обмотка якоря включается параллельно обмотке возбуждения); Двигатели последовательного возбуждения (обмотка якоря включается последовательно обмотке возбуждения); Двигатели смешанного возбуждения (часть обмотки возбуждения включается последовательно с якорем, а вторая часть — параллельно обмотке якоря или последовательно соединённым обмотке якоря и первой обмотки возбуждения, в зависимости от требуемой нагрузочной характеристики).
Бесколлекторные двигатели (вентильные двигатели) — электродвигатели в котором переключение фаз осуществляется с помощью специального электронного блока (инвертора), могут быть с обратной связью с использованием датчика положения ротора, либо без обратной связи, фактически аналог асинхронного.
Двигатели пульсирующего тока Двигатель пульсирующего тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется пульсирующим электрическим током. По конструкции очень близок к двигателю постоянного тока. Его конструктивными отличиями от двигателя постоянного тока являются шихтованные вставки в остове, шихтованные дополнительные полюса, большее число пар полюсов, наличие компенсационной обмотки. Применяется на электровозах с установками для выпрямления переменного токаСидоров Н. И., Сидорова Н. Н. Как устроен и работает электровоз — М.: Транспорт, 1988. — ISBN 5-277-00191-3. — Тираж 70000 экз. — С. 47.
Двигатели переменного тока
Двигатель переменного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели. Принципиальное различие состоит в том, что в синхронных машинах первая гармоника магнитодвижущей силы статора движется со скоростью вращения ротора (благодаря чему сам ротор вращается со скоростью вращения магнитного поля в статоре), а у асинхронных — всегда есть разница между скоростью вращения ротора и скоростью вращения магнитного поля в статоре (поле вращается быстрее ротора).
Синхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения.
Синхронные электродвигатели подразделяются на: синхронный двигатель с обмотками возбуждения. Данные двигатели обычно используются при больших мощностях (от сотен киловатт и выше). синхронный двигатель с постоянными магнитами; синхронный реактивный двигатель; гистерезисный двигатель; шаговый двигатель; гибридный синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами; реактивно-гистерезисный двигатель.