Принцип работы и устройство электродвигателей?

Под электродвигателем подразумевается электротехнический механизм, который используется для получения механической энергии из электричества. Такое устройство распространено во всех сферах деятельности, включая промышленность и бытовую технику.  Назначением техсредства считается приведение в движение присоединенных к нему механизмов. Есть большое количество модификаций электрического двигателя, но все они работают на одних и тех же принципах и имеют обязательный набор узлов.

Общая информация

Электродвигатели получили широкое распространение из-за нескольких качеств. Среди них:

• универсальность. Механизмы используются в различных сферах;
• простота и надежность;
• большой ресурс.

Используется несколько видов электродвигателей. По типу питания они могут быть постоянного и переменного тока. В первом случае электроэнергию двигатель получает от аккумулятора, батареи или блока. При переменном типе двигателя соединение идет напрямую к электросети.

Принцип работы может быть синхронным и асинхронным. У механизма с синхронизацией есть обмотка на роторе, на которую подается напряжение. Асинхронные модели не обладают такими элементами и отличаются сниженной вращательной скоростью из-за отсутствия статорного магнитного поля.

Сам процесс взаимодействия осуществляется на основе влияния магнитного поля на элементы двигателя и приведение их во вращение. При поступлении в электродвигатель энергии внутри возникает электромагнитная индукция, которая в виде силы передается на вращающие сегменты.

Устройство

У электродвигателя есть стандартный набор узлов. Элементы:

• неподвижная часть в виде статора;
• в качестве подвижной части выступает ротор, который и формирует вращательный момент;
• коллектор. Он требуется для 2 функций, включая переключение тока при скользящих контактах, а также показатель роторного угла;
• скользящие контакты представлены в виде щеток, который находятся вне ротора и прижаты к коллектору.

Из электродвигателя формируется механизм электропривода, необходимый для функционирования оборудования.

Любой электродвигатель нуждается в двух основных частях, в частности подвижной и неподвижной части. Статорная часть включает в себя корпус, который создается из материалов немагнитного типа, медную обмотку с проволочным сечением квадратного или круглого типа, сердечник, собираемый из пакетов пластин стали электротехнического типа. В качестве немагнитных материалов выступает чугун или алюминиевый сплав.

Роторная часть состоит из сердечника, у которого конструкция формируется из стальных листов с пазовой алюминиевой заливкой, что дает создать набор стержней. Также используются торцевые кольца, необходимые для замыкания конструкции, и электродвигательный вал, запрессовываемый в роторную часть из стали высокой прочности.

Принцип работы

Весь принцип работы основан на электромагнитной индукции, при которой осуществляется взаимодействие двух полей статора с роторными магнитными полями.   Это дает привести в движение подвижную часть, что приводит к появлению вращательного момента. Именно с его помощью часть, которая относится к подвижным, приводит к появлению механической энергии, возникающей при вращении.

Такой вариант работы одинаков для всех типов электрических двигателей.

Особенности

Электродвигатели при изготовлении получают определенный набор характеристик, который заложен с помощью конструкционных особенностей и использования модификаций.

Основные показатели, определяющие возможности двигателя электрического типа:

• мощность;
• частота вращения в об/м;
• крутящий момент, который также называется вращающим;
• потребление тока;
• КПД в %;
• сетевое напряжение;
• частота сети.

При выборе требуется учитывать не только показатели, но и тип электрического двигателя. Асинхронные и синхронные двигатели используются в разных сферах из-за своих особенностей.

Первый тип также отличается тем, что может иметь многофазное функционирование.

На рынке встречается много модификаций, которые значительно отличаются от стандартного простейшего двигателя на электрической основе. В большинстве ситуаций производители пытаются повысить КПД или устранить основные недостатки механизма. Но принцип работы остается одним для всех моделей.

 

Электродвигатель работает на основе электромагнитной индукции, когда подвижная и неподвижная часть устройства контактируют с друг другом электромагнитными полями. Это приводит к тому, что возникает вращательный момент, то есть электрическая энергия превращается в механическую. На рынке представлено много разнообразных моделей электродвигателей, но все они работают на одинаковых принципах и имеют однотипные составные части.

Устройство Электродвигателя .Как он работает? — E-Motors

4 октября 2021

Электродвигатель – устройство, которое занимается преобразованием электроэнергии в механическую. Он работает, используя принцип электромагнитной индукции.В последнее время он все сильнее популяризируется на автомобильном рынке в качестве перспективного направления развития автопромышленности. Поэтому есть смысл подробнее ознакомиться с устройством электромобиля, его двигателя, за которым может быть будущее отрасли.

 
Принцип работы и устройство:
Электродвигатель включает в себя статор и ротор. Вращающееся магнитное поле в статоре действует на обмотку ротора и наводит в нём ток индукции, возникает вращающий момент, который приводит в движение ротор. Электроэнергия, поступающая на обмотки мотора, преобразуется в механическую энергию вращения.

Благодаря развитию технологии электродвигатели нашли применение в разных отраслях, например, автомобилестроении. Причем они способны использоваться либо отдельно, либо совместно с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Последний вариант – гибридные авто.

От электродвигателей, применяемых на производствах, агрегат для авто отличается малыми габаритами, но повышенной мощностью. К тому же современные разработки все больше отдаляют двигатели для автомобилей от иных подобных устройств. Характеристиками электромобилей являются не только показатели мощности, крутящего момента, но и частота вращения, ток и напряжение. Поскольку от этих данных зависит передвижение и обслуживание авто.
Чтобы лучше разобраться в многообразии, которое нам дарит авторынок, стоит рассмотреть существующие виды электродвигателей для электромобилей.

Их можно условно классифицировать по типу тока:

устройства переменного тока;
конструкции постоянного тока;
решения универсального образца (способны функционировать от постоянного и переменного тока).
Электродвигатели переменного тока делятся на группы:

асинхронные – скорость вращения магнитного поля статора выше скорости вращения ротора;
синхронные – частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадают.
С учетом используемого количества фаз, электрические устройства разделяют на: одно-, двух-, трехфазные.

Если привести реальные образцы, используемые известными автопроизводителями, то хороший пример применения трехфазного агрегата асинхронного типа – Volt от Chevrolet. Он является гибридным автомобилем. Пример трехфазного синхронного двигателя — i-MiEV от Mitsubishi. А этот автомобиль является исключительно электрическим.
Следует отметить, что у разных производителей разные двигатели, отличающиеся массой, мощностью, габаритами и прочими параметрами.

Есть еще одна классификация – по конструкции щеточно-коллекторного узла. Такие агрегаты бывают:

Бесколлекторными. Представляют собой замкнутую систему, в которую входят: преобразователь координат, инвертор и извещатель положения.

Коллекторными. Щеточно-коллекторный узел играет роль в такой конструкции одновременно и извещателя положения ротора, и переключателя тока в обмотках. В основном используется ток постоянной частоты.
коллекторный роторРотор электродвигателя
В конструкциях электромобилей зачастую задействуются коллекторные моторы, хотя есть примеры и с иными моделями. Как вариант — автомобиль «Санрейсер», в котором установлен как раз бесколлекторный двигатель от компании General Motors. При массе 3,6 кг его КПД составляет 92%.

Нельзя не отметить еще один тип двигателя, который используется в некоторых современных моделях авто. Это система мотор-колесо. Пример — спорт-кар Volage. В такой конструкции предусмотрена возможность регенерации энергии торможения. Для этого используется тяговый двигатель Active Wheel. Он весит всего 7 кг, что позволяет добиться приемлемой массы колеса – 11 кг.

Самой распространенной сегодня конструкцией является решение с питанием от аккумуляторной батареи. Она нуждается в регулярной зарядке, способной реализоваться за счет внешних источников, генератора в конструкции и рекуперации энергии торможения. Генератор действует от ДВС, поэтому такая схема работы уже не относится к чисто электрическим. Подобные машины называют гибридными.

Преимущества и недостатки электродвигателей
Выделим достоинства электрических агрегатов:

высокий коэффициент полезного действия – до 95 процентов;
компактность, малый вес;
простота использования;
экологичность;
долговечность;
создается максимальный показатель крутящего момента на любой отметке скорости;
воздушное охлаждение;
способны функционировать в режиме генератора;
не нужна коробка передач;
возможность рекуперации энергии торможения.
В качестве примера удачной разработки модели с высокими характеристиками можно привести мотор от Yasa Motors. Инженеры компании создали агрегат, который при весе 25 кг способен выдавать до 650 Нм крутящего момента.

Что касается недостатков непосредственно электродвигателя, то их нет. Больше вопросов вызывает питание агрегата, что, собственно, и тормозит распространение, широкое использование технологии. Поэтому на данный момент большей популярностью пользуются гибридные авто, нежели электромобили. Благодаря такой схеме увеличивается запас хода, позволительно использовать менее мощные и дорогостоящие аккумуляторные батареи.

Устройство электромобиля
Если сравнивать электромобиль с авто, где используется ДВС, он характеризуется более простой схемой, минимальным числом движущихся элементов. Следовательно, такое решение является более надежным.

Главные составляющие электромобиля:

непосредственно электродвигатель;
питающая аккумуляторная батарея разной емкости, которая связана с мощностью мотора;
упрощенная трансмиссия;
инвертор;
зарядное устройство на борту;
электронная система управления элементами конструкции;
преобразователь.
Питание мотора в этой схеме организовывает, конечно же, тяговая аккумуляторная батарея. Зачастую задействуется литий-ионный тип, включающий в себя несколько модулей, подключенных последовательно. На выходе аккумулятора формируется напряжение от 300 (В) постоянного тока. Это значение определяется моделью авто. Современные образцы способны создавать и 700 В. Пример – автомобили Lola-Drayson, разработанные для гонок. Они оснащаются батареями напряжением 700 (В) и емкостью 60 кВт⋅ч.

Для корректного взаимодействия емкость батареи подбирается с учетом мощности двигателя. Этот показатель в подавляющем большинстве конструкций составляет от 15 до 200 (кВт). Если сравнить электрический двигатель с ДВС, то у первого КПД составляет 95%, а у другого – 25%. Разница существенна.

Имеются примеры в автомобилестроении, когда в конструкции используется несколько агрегатов. Они могут приводить в движение определенные колеса. Такой принцип организации позволяет увеличить тяговую мощность авто. Двигатель, интегрированный в колесо, имеет массу преимуществ, однако такое устройство тягового электродвигателя характеризуется ухудшенной управляемостью транспортного средства. Поэтому разработчики продолжают вести активную деятельность в этом направлении.

электродвигатель с редукторомЭлектродвигатель с редуктором (вид снизу)
Что касается трансмиссии, то у электромобиля она имеет упрощенный вид. Многие конструкции оснащены одноступенчатым редуктором. Благодаря инвертору происходит преобразование высокого напряжения постоянного тока батареи. За счет наличия в конструкции бортового зарядного устройства гарантируется зарядка аккумулятора от электросети бытового назначения.

Обеспечением зарядки дополнительной батареи на 12 (В) занимается преобразователь. Эта батарея задействуется в качестве питающего элемента различных устройств транспортного средства:

аудиосистемы;
климат-контроля;
освещения;
отопительной системы;
прочих элементов.
Система управления организовывает такие процессы:

мониторинг используемой энергии;
управление рекуперацией энергии торможения;
оценка уровня заряда;
управление динамикой движения;
обеспечение необходимого режима перемещения транспортного средства;
регулировка тяги;
управление напряжением.
Система объединяет блок управления, датчики и прочие элементы других систем авто. Благодаря датчикам оценивается уровень давления в тормозной системе, разряда батареи, а также положение селектора переключения передач, тормозной педали и педали газа. По данным этих устройств обеспечивается оптимальное перемещение электромобиля с учетом текущих условий. На панели приборов традиционно отображаются основные показатели функционирования транспортного средства.
Внешне электромобиль не имеет отличий от традиционного автомобиля с ДВС, однако основные расхождения находятся в области эксплуатации: высокая стоимость, необходимость длительной зарядки, ограниченный ход. Поэтому устройство электромобиля имеет определенные расхождения с составом традиционного транспортного средства.

Затраты на содержание электромобиля зачастую ниже, чем авто с ДВС, особенно в тех государствах, где стоимость электроэнергии низкая.

Рассказать

Поделиться

Поделится

Поделится

Новый комментарий

Войти с помощью

Отправить

Electric Motors — Magnet Academy

Включите этот практический урок об электродвигателях.

---

Общие сведения

Электродвигатель состоит из двух частей: статора и ротора. В двигателе статор — это часть, которая остается неподвижной, а ротор — это часть, которая движется. Основным принципом для всех работающих двигателей является магнитное притяжение и отталкивание. Поскольку магнит больше не движется после притяжения, двигателю нужен какой-то способ манипулировать магнитными полями, чтобы магниты непрерывно притягивались и отталкивались. Один из способов сделать это — иметь текущие изменяющиеся направления. Поскольку электричество переменного тока чередуется, оно естественным образом меняет направление магнитного поля при каждом изменении.

---

Зачем делать это в классе

• Для поощрения следующих навыков процесса научного исследования: предсказание, наблюдение, разработка гипотезы и выводы
• Чтобы помочь учащимся понять взаимосвязь между электричеством и магнетизмом
• Чтобы позволить учащимся манипулировать переменными и записывать изменения

---

Материалы

• Батарея D
• #20 Медный магнитный провод
• 2 Скрепки
• Резиновая лента
• Кольцевой или дисковый магнит
• Наждачная бумага

---

Процедура

1. Намотайте магнитный провод на батарею D. Оставьте хвостик по 3-5 см на каждом конце. Аккуратно снимите витки с батареи, а хвосты намотайте на противоположные стороны катушки. Получившаяся форма должна выглядеть как круг с двумя линиями, отходящими от противоположных концов.
2. Используйте мелкую наждачную бумагу, чтобы удалить изоляцию с одного из хвостовиков и только с верхней половины противоположного хвостовика.
3. Расправьте хвосты так, чтобы они были точно напротив друг друга. Проще всего это сделать, если катушка ровно лежит на столе. Это будет ваша арматура для вашего двигателя.
4. Разверните две скрепки и согните их в опоры для хвостов арматуры. Они будут подвешивать катушку над узлом батарея/магнит.
5. Используйте резиновую ленту, чтобы прикрепить по одной скрепке к каждой батарее (+ и -).
6. Поместите магнит сверху на сторону батареи посередине между двумя опорами для скрепок. Магнит должен притягиваться к батарее.
7. Установите арматуру в опоры для скрепок. Убедитесь, что ему позволено свободно вращаться.

Ваша установка должна выглядеть так:

---

Что происходит

Когда оголенные части якоря соприкасаются, якорь касается опор, потечет ток, и он станет электромагнитом. Затем якорь будет реагировать на магнитное поле от постоянного магнита и двигаться. По мере его движения изолированная часть якоря будет соприкасаться с опорами и ток прекратится, отчего магнитное поле якоря исчезнет, ​​что снова вызовет движение якоря. Когда он вернется в исходное положение, весь процесс начнется снова и повторится, вызывая непрерывное движение и создавая электрический двигатель.

---

Для получения дополнительной информации свяжитесь с преподавателем MagLab Карлосом Вильей.

Охваченные концепции

• Электричество
• Магнетизм

Время

Это действие занимает от 45 минут до часа.

Стандарты

Научные стандарты нового поколения для этой деятельности:

Элементарный:  3-PS2-3, 3-PS2-4, 4-PS3-4, 3-5-ETS1-3
Средний:  MS-PS2-3, MS-PS2-5
Высокий:  HS-PS2-5, HS-PS3-5

• Инженерное дело
• Физика

---

Основные электрические принципы и простое управление двигателем

Понимание основ работы электродвигателей жизненно важно для выбора правильного двигателя для правильного применения. В этой статье мы рассмотрим принципы работы постоянного и переменного тока и простой работы двигателя.

Принципы электротехники

 

В самом общем виде электричество можно определить как поток электрического заряда. В своей простейшей форме цепь постоянного тока (DC) состоит из электрического источника с токопроводящим проводом, соединенным между одной из клемм источника и электрическим устройством, и другим проводником, соединенным обратно от устройства к другой клемме источника.

 

Возможно, простейшей такой цепью постоянного тока будет батарея, подключенная к лампочке. Заряд течет от одной клеммы батареи, проходит через лампочку (и заставляет ее загореться), а затем возвращается к другой клемме батареи. Если цепь разорвана, поток прекращается, и лампочка больше не светится.

 

Этот поток электричества называется электрическим током, и этот ток — количество заряда, протекающего через компонент в единицу времени — измеряется в амперах (полный ампер, символ SI A). Сопротивление в цепи, которое можно было бы назвать электрическим трением, измеряется в Омах (символ SI Ω).

 

Напряжение, также известное как разность потенциалов, представляет собой давление, вызывающее ток в цепи, и измеряется в вольтах (символ SI V). По закону Ома напряжение в вольтах всегда является произведением силы тока в амперах и сопротивления в омах.

 

Мощность или скорость передачи электроэнергии измеряется в ваттах (символ системы СИ Вт) и рассчитывается путем умножения напряжения в вольтах на силу тока в амперах.

 

Следовательно, есть два ключевых уравнения:

• Напряжение = Ток x Сопротивление
• Мощность = Напряжение x Ток

 

Базовый электромагнит является важной частью понимания работы любого двигателя. Когда любой электрический ток течет по проводу, создается слабое магнитное поле. Силу магнитного поля можно увеличить, намотав проволоку вокруг железного сердечника, как показано на рисунке 1. Силу магнитного поля также можно увеличить за счет большего количества катушек, а также за счет увеличения электрического тока.

Рисунок 1. Стандартный электромагнит

 

Простое управление двигателем

может вращаться. Два конца катушки соединены с двумя половинами кольца, называемого коммутатором, которое также вращается вместе с катушкой. Коммутатор подключен к источнику питания (в данном случае к батарее) через щетки, которые позволяют электрическому току течь к коммутатору при его вращении.

 

Рисунок 2. Простой двигатель постоянного тока

 

Когда электрический ток протекает через катушку ротора, создается магнитное поле, в результате чего северный и южный магнитные полюса формируются на противоположных сторонах катушки. Между тем, два фиксированных магнита расположены близко к сторонам катушки ротора, их полюса противоположны магнитным полюсам, наведенным в катушке ротора, что означает, что полюса в роторе будут отталкиваться неподвижными магнитами.

 

Это отталкивание заставит ротор вращаться вокруг своей оси. При прочих равных условиях ротор повернется на 180 градусов, а затем перестанет вращаться, когда полюса ротора приблизятся к противоположным магнитным полюсам неподвижных магнитов из-за магнитного притяжения.

 

Однако из-за расположения коллектора и щеток при вращении катушки ротора концы катушки подключаются к противоположным клеммам батареи, и ток, протекающий через катушку ротора, меняет направление и стороны поменять полярность катушки. В результате снова катушка и неподвижные полюса магнита отталкиваются друг от друга, а ротор продолжает вращаться вокруг своей оси.

 

Импульс вращающейся катушки отталкивает полюса относительно друг друга, поэтому ротор продолжает вращаться под действием отталкивающих неподвижных магнитов.

 

Переменный ток

 

Поскольку генерировать и, что важно, передавать, электричество, которое мы получаем через системы электроснабжения, проще и дешевле, оно имеет форму переменного тока (AC).

 

В отличие от постоянного тока, где напряжение является непрерывным, на кривой переменного тока напряжение меняется со временем, чередуя положительное значение и отрицательное значение. Один полный цикл состоит из изменения напряжения от нуля до максимума, от нуля до минимума, а затем обратно до нуля; количество таких циклов в секунду известно как частота и измеряется в герцах (символ СИ Гц). Почти для всех электросетей по всему миру используется частота 50 или 60 Гц.

 

Бытовые электросети имеют только одну фазу, другими словами, одну форму волны, в то время как большинство источников переменного тока, используемых в промышленных приложениях, являются трехфазными, с формами сигналов, показанными на рис. 3. В результате, в отличие от бытовых кабелей, которые всего три провода (фаза, нейтраль и земля), 3-фазные источники питания имеют четыре или пять проводов (U, V и W, земля и иногда нейтраль).

 

Обратите внимание, что трехфазные электродвигатели, предлагаемые Fläkt Woods, не требуют подключения нейтрали, поскольку они имеют три сбалансированные обмотки.

Рисунок Три: 3-фазная форма волны чередующегося тока

, передавая электроэнергию

Учитывая, что мощность = напряжение x, затем для любого данного уровня мощности, более высокий объем. , тем меньше ток. Это важно, потому что если по воздушной линии проходит большой ток, то она нагревается и энергия тратится впустую. Таким образом, если электричество передается при очень высоком напряжении, ток, необходимый для передачи того же количества энергии, намного ниже, что приводит к меньшему теплу и более эффективной передаче.

 

По этой причине повышающие трансформаторы повышают напряжение с 25 кВ, вырабатываемого на электростанциях, до (обычно) 400 кВ — для передачи на большие расстояния кабели передачи (состоящие из трех фаз плюс нейтраль) могут нести до 765 кВ, а в некоторых случаях и выше.

 

Очевидно, что такое высокое напряжение не подходит ни для промышленного, ни для бытового использования, поэтому напряжение снижается с помощью понижающих трансформаторов на различных подстанциях, расположенных рядом с местами, где будет использоваться электричество.