Национальный горный университет — соответствие Времени

Что такое электродвигатель

Электрический двигатель (электродвигатель) является устройством для преобразования электрической энергии в механическую и приведения в движение машин и механизмов. Электродвигатель – главный и обязательный (но не единственный) элемент электропривода.

Первые электродвигатели были изобретены еще в первой ХІХ ст., а с конца того же столетия стали получать все большее распространение. Современные промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство, быт уже невозможно представить без электрических двигателей.

Преобладающее большинство электрических двигателей являются двигателями вращательного движения (рис. 1). Они состоят из неподвижной части (статора) и подвижной (ротора). Ротор начинает вращаться после подачи питания к обмоткам двигателя. Однако для ряда механизмов, выполняющих поступательное или возвратно-поступательное движение (суппорты и столы металлорежущих станков, некоторые транспортные средства), с целью упрощения конструкции механической части электропривода иногда используют линейные двигатели. Подвижная часть таких двигателей (вторичный элемент или бегун) осуществляет линейное перемещение (рис. 2).

В зависимости от рода электрического тока, применяемого для питания электродвигателей, различают двигатели постоянного и переменного тока.


Электродвигатели вращательного движения
Рис. 1 Электродвигатели вращательного движения

Линейный электродвигатель
Рис. 2 Линейный электродвигатель: 1 – статор, 2 – подвод питания, 3 – бегун

Принцип действия любого электродвигателя основывается на взаимодействии магнитных полей. Если приблизить один магнит к другому, то разноименные их полюса будут притягиваться друг к другу, а одноименные – отталкиваться. В двигателе роль по крайней мере одного из магнитов играет катушка с током (то есть электромагнит). Известно, протекание по проводнику электрического тока вызывает появления магнитного поля вокруг проводника (рис. 3). Это поле имеет коаксиальный характер, а направление его магнитных силовых линий можно определить с помощью «правила буравчика». В соответствии с этим правилом, если буравчик закручивать в проводник таким образом, чтобы направление поступательного движения буравчика совпадало с направлением тока в проводнике, то направление вращения буравчика покажет направление магнитных силовых линий поля (стрелки на рис. 3).


Возникновение магнитного поля проводника с током
Рис. 3 Возникновение магнитного поля проводника с током

На рис. 4 показан поперечный разрез проводника. Внутри разреза условно показано направление тока: крест («хвост» стрелки тока) – ток от зрителя (рис. 4а), точка («острие» стрелки тока) – ток на зрителя (рис. 4б). Из рис. 4в, г видно, что магнитное поле замкнутой рамки (кольца) с током подобно магнитному полю постоянного магнита (силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный). Таким образом, рамка с током представляет собой элементарный электромагнит.


Магнитные силовые линии проводников с током
Рис. 4 Магнитные силовые линии проводников с током: а – ток от зрителя, б – ток на зрителя, в – рамка с током, г – силовые линии рамки (кольца) с током

Электрические двигатели переменного тока

К двигателям переменного тока относятся синхронные, шаговые (разновидность синхронных) и асинхронные двигатели. Их объединяет то, что по их обмоткам обмотками протекают знакопеременные токи, а питаются они от источников знакопеременного напряжения.

Статор электродвигателей переменного тока представляет из себя сердечник (магнитопровод) из листов специальной электротехнической стали, в котором сделаны отверстия (пазы) для размещения обмотки (фрагмент магнитопровода статора показан на рис. 5). Обмотка состоит из отдельных секций (катушек, рамок). Внутри статора на подшипниках помещен ротор, способный свободно вращаться вокруг своей оси.


Магнитопровод статора двигателя переменного тока
Рис. 5 Магнитопровод статора двигателя переменного тока

На рис. 6 схематично показан поперечный разрез статора и ротора. На противоположных сторонах статора в двух пазах размещены проводники элементарной катушки обмотки. Эта катушка выглядит так, как на рис. 4в и к ней можно подати напряжение от постороннего источника с той или другой полярностью (как на рис. 4в). На роторе располагается постоянный магнит (полюса Nr и Sr). Если к обмотке статора подать постоянный ток такого направления, как показано на рис. 6а, возникает магнитное поле статора с полюсами Ns и Ss. Ротор поворачивается по часовой стрелке, чтобы совместить противоположные полюса полей ротора и статора (окончательное положение ротора показано штриховой линией). Если полярность тока статора противоположна (рис. 6б), полюса статора поменяются местами, а ротор будет поворачиваться в противоположном направлении.


Взаимодействие магнитных полей статора и ротора
Рис. 6 Взаимодействие магнитных полей статора и ротора

Чтобы обеспечить непрерывное вращение ротора, на статоре размещают несколько отдельных обмоток, питаемых от отдельных источников. На рис. 7 показан поперечный разрез двигателя с тремя обмотками статора (красная А, синяя В, зеленая С). Подобный двигатель называется трехфазным, а его обмотки – фазными. Обмотки представляют собой элементарные рамки из проводника (как на рис. 4в), сдвинутые в пространстве на 120 градусов друг относительно друга. На рис. 7 ток протекает только по обмоткам со значками точки и крестика.


Принцип действия синхронного двигателя
Рис. 7 Принцип действия синхронного двигателя

Если подать ток к обмотке А так, как показано на рис. 7а, магнитная ось поля статора займет горизонтальное положение, а южный полюс поля ротора после его поворота совместится с северным полюсом поля статора. Протекание тока по обмотке С приведет к повороту магнитной оси статора (а за ним – ротора) на 60 по часовой стрелке (рис. 7б). Затем ток подается в обмотку В (рис. 7в). После этого ток протекает по обмоткам А, С, В, но в противоположном направлении (сравните рис. 7а и 7г, 7б и 7д, 7в и 7е). С каждым переключение обмоток магнитная ось статора, а за нею – и ротор будут поворачиваться на следующие 60 градусов. Если после очередного переключения тока в обмотках продлить протекание тока в последней обмотке, ротор останется неподвижным. Именно таким есть принцип действия шагового двигателя. Такие двигатели используют для дозированного поворота вала механизма на заданный угол (например, в электромеханических часах и принтерах). Изменить направление вращения ротора можно, изменив порядок подключения обмоток к положительному полюсу источника (А-С-В вместо А-В-С).

Подавая попеременно ток в фазные обмотки (рис. 8), можно обеспечить непрерывное вращение ротора. Обратите внимание, что токи ІA, ІB, ІC фазных обмоток сдвинуты во времени друг по отношению к другу на треть периода Т. Изменяя период переключения тока в обмотках, можно регулировать скорость вращения ротора. Для изменения движущего момента электродвигателя изменяют величину тока обмоток статора или индукцию магнитного поля ротора (если на роторе вместо постоянных магнитов установлена обмотка возбуждения, т.е., электромагнит).


Изменение во времени токов обмоток статора шагового двигателя
Рис. 8 Изменение во времени токов обмоток статора шагового двигателя

В трехфазном шаговом двигателе магнитное поле статора может занимать в пространстве только 6 положений (см. рис. 7), а перемещается оно между ними скачками. Вследствие этого возникают пульсации движущего момента электродвигателя, а обеспечить плавное вращение очень трудно. Если токи фазных обмоток изменять не ступенчато (как на рис. 8), а по закону синуса со сдвигом в треть периода (рис. 9), поле статора будет вращаться плавно (т.н. вращающееся магнитное поле). Ротор со временем догонит поле статора и далее будет вращаться синхронно с ним. Именно в таком режиме работают синхронные двигатели.


Фазные токи синхронного двигателя
Рис. 9 Фазные токи синхронного двигателя

У асинхронного двигателя такой же статор, как и у синхронного, а по обмоткам статора также протекают синусоидальные токи (как на рис. 9). Однако конструкция ротора своеобразна (рис. 10). Ротор набран из листов электротехнической стали (как и статор). В пазах ротора уложены стержни (алюминиевые или медные), которые на торцах ротора замкнуты с помощью колец. Если ротор вращается со скоростью, меньшей скорости поля статора, в обмотке ротора полем статора наводится электродвижущая сила, которая приводит к протеканию по обмотке ротора токов. Токи вызывают появление магнитного поля ротора, а взаимодействие двух полей – создание движущего момента, который поворачивает ротор. Поскольку движущий момент возникает только тогда, когда скорости ротора та поля статора неодинаковы, ротор не может двигаться синхронно з полем статора (отсюда и название двигателя: асинхронный, т.е. «несинхронный»). Благодаря простоте конструкции, дешевизне и надежности асинхронные двигатели получили наибольшее распространение.

Конструкция асинхронного электродвигателя показана на рис. 11, 12.


Ротор асинхронного двигателя
Рис. 10 Ротор асинхронного двигателя: а – короткозамкнутая обмотка, б – поперечный разрез ротора


Асинхронный двигатель (разрезано)
Рис. 11 Асинхронный двигатель (разрезано)


Асинхронный двигатель в разобранном виде
Рис. 12 Асинхронный двигатель в разобранном виде

Двигатель постоянного тока

Двигатель постоянного тока, в отличие от двигателей переменного тока, питается от источника постоянного тока. Магнитное поле статора создается неподвижными постоянными магнитами, а на роторе (иначе - якоре) расположена обмотка. Якорь жестко соединен с валом и может вращаться вокруг свои оси. Таким образом, конструктивно двигатель постоянного тока является обратной синхронной машиной.

Принцип действия двигателя постоянного тока поясняет рис. 13. Поле статора создают постоянные магниты или электромагниты (обмотки возбуждения). На ферромагнитном сердечнике якоря помещена обмотка, состоящая из двух последовательно включенных частей (их соединяет показанный пунктиром проводник). На якоре также размещены изолированные друг от друга коллекторные пластины, к которым присоединены концы обмотки якоря. К коллекторным пластинам через неподвижные графитные щетки от источника питания подается постоянный ток. Если верхнюю щетку подключить к положительному полюсу источника питания, а нижнюю – к отрицательному, по обмотке якоря будет протекать ток І, показанный на рис. 13. По правилу буравчика левый полюс якоря станет северным, правый – южным. Полюса якоря и статора будут отталкиваться друг от друга, вызывая поворот якоря по часовой стрелке. Якорь, поворачиваясь, по инерции «проскакивает» положение «северный по-люс против южного», и под щетками оказывается другие коллекторные пластины. Направление тока в обмотке якоря меняется на противоположное, полюса якоря меняются местами, и вращение якоря продолжается. Для изменения направления вращения якоря следует изменить полярность напряжения, поданного к щеткам.

Конструкцию, подобную показанной на рис. 13, имеют маломощные двигатели (используемые, например, в детских игрушках). В промышленных двигателях для обеспечения плавности движения якорь имеет много отдельных секций обмотки, соединенных с отдельными парами коллекторных пластин (подобно рис. 14). При вращении якоря через пару щеток к источнику подключается каждый раз следующая секция якоря, которая в данном положении якоря имеет наибольшую магнитную связь с полем статора.


К принципу действия двигателя постоянного тока
Рис. 13 К принципу действия двигателя постоянного тока


Якорь двигателя постоянного тока
Рис. 14 Якорь двигателя постоянного тока

В электроприводе обычно возникает задача автоматического управления электрическими двигателями. В простейших случаях достаточно только обеспечить их запуск, остановку, изменение направления вращения и защиту от аварийных режимов. Подобные функции легко реализуются с помощью простых и относительно дешевых электромеханических контакторов и реле. Однако нередко есть необходимость в плавном регулировании скорости вращения и движущего момента. Тогда для питания двигателей используют управляемые источники питания – полупроводниковые преобразователи энергии (управляемые выпрямители для двигателей постоянного тока и преобразователи частоты для двигателей переменного тока) и довольно сложные системы автоматического регулирования. Электроприводы, в состав которых, кроме двигателя, входят управляемые преобразователи энергии и системы автоматического управления, способны выполнять производственную задачу с минимальным участием человека. Они получили название автоматизированных электроприводов.


Видео о конструкции асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока
Официальный канал кафедры Электропривода НГУ в YouTube


Скачать эту статью в формате pdf (1,65МБ)

Система Orphus
© 2006-2017 НГУ Інформація про сайт