Сегодня представить себе человеческую цивилизацию и высокотехнологическое общество без электричества невозможно. Одним из основных аппаратов, которые обеспечивают работу электрических приборов, является двигатель. Эта машина нашла самое широкое распространение: от промышленности (вентиляторы, дробилки, компрессоры) до бытового использования (стиральные машины, дрели и прочее). Но в чем состоит принцип работы электродвигателя?
Назначение
Принцип работы электродвигателя и его основные цели заключаются в передаче рабочим органам необходимой для совершения технологических процессов механической энергии. Сам двигатель вырабатывает ее за счет потребляемой из сети электроэнергии. По сути говоря, принцип работы электродвигателя заключается в преобразовании электрический энергии в механическую. Количество вырабатываемой им механической энергии за одну единицу времени называется мощностью.
Виды двигателей
В зависимости от характеристик питающей сети можно выделить два основных типа двигателя: на постоянном и на переменном токе. Наиболее распространенными машинами постоянного тока являются моторы с последовательным, независимым и смешанным возбуждением. Примерами двигателей на переменном токе могут выступить синхронные и асинхронные машины. Несмотря на кажущееся разнообразие, устройство и принцип работы электродвигателя любого назначения основаны на взаимодействии проводника с током и магнитным полем либо же постоянного магнита (ферромагнитного объекта) с магнитным полем.
Рамка с током – прообраз двигателя
Основным моментом в таком вопросе, как принцип работы электродвигателя, можно назвать появление крутящего момента. Рассмотреть такое явление можно на примере рамки с током, которая состоит из двух проводников и магнита. К проводникам ток подводится через контактные кольца, которые закреплены на оси вращающейся рамки. В соответствии со знаменитым правилом левой руки на рамку будут действовать силы, которые создадут крутящий момент относительно оси. Она под действием этой суммарной силы будет вращаться по направлению против часовой стрелки. Известно, что этот момент вращения прямо пропорционален магнитной индукции (B), силе тока (I), площади рамки (S) и зависит от угла между линиями поля и осью последней. Однако под действием момента, изменяющегося по своему направлению, рамка будет совершать колебательные движения. Что же предпринять для образования постоянного направления? Тут есть два варианта:
- менять направление электрического тока в рамке и положение проводников относительно полюсов магнита;
- менять направление самого поля, притом что рамка вращается в неизменную сторону.
Первый вариант используется для двигателей постоянного тока. А второй - это принцип работы электродвигателя переменного тока.
Изменение направления тока относительно магнита
Для того чтобы изменить направление движения заряженных частиц в проводнике рамки с током, необходимо устройство, которое бы задавало это направление в зависимости от расположения проводников. Такая конструкция реализована благодаря использованию скользящих контактов, которые служат для подвода к рамке тока. При замене одним кольцом двух, когда рамка поворачивается на половину оборота, направление тока меняется на противоположное, а крутящий момент его сохраняет. Важно учесть, что одно кольцо собрано из двух половинок, которые изолированы друг от друга.
Конструкция машины постоянного тока
Вышеприведенный пример – это принцип работы электродвигателя постоянного тока. Реальная машина, естественно, имеет более сложную конструкцию, где используются десятки рамок, образующих обмотку якоря. Проводники этой обмотки размещены в специальных пазах в цилиндрическом ферромагнитном сердечнике. Концы обмоток присоединены к изолированных кольцам, которые образуют коллектор. Обмотка, коллектор и сердечник – это якорь, вращающийся в подшипниках на корпусе самого двигателя. Магнитное поле возбуждения создается полюсами постоянных магнитов, которые расположены в корпусе. Обмотка подключается к питающей сети, и ее можно включать как независимо от цепи якоря, так и последовательно. В первом случае электродвигатель будет иметь независимое возбуждение, во втором – последовательное. Также существует конструкция со смешанным возбуждением, когда используются сразу два типа подключения обмотки.
Синхронная машина
Принцип работы синхронного электродвигателя заключается в необходимости создания вращающегося магнитного поля. Затем нужно поместить в это поле обтекаемые неизменным в направлении током проводники. Принцип работы синхронного электродвигателя, который получил весьма широкое распространение в промышленности, основан на вышеприведенном примере с рамкой с током. Вращающееся поле, создаваемое магнитом, образуется при помощи системы обмоток, которые подключены к питающей сети. Обычно используют трехфазные обмотки, однако принцип работы однофазного электродвигателя переменного тока не будет отличаться от трехфазного, разве что количеством самих фаз, что несущественно при рассмотрении конструктивных особенностей. Обмотки укладывают в пазы статора с некоторым сдвигом по окружности. Это делается для создания вращающегося магнитного поля в образованном воздушном промежутке.
Синхронизм
Очень важным моментом является синхронная работа электродвигателя вышеприведенной конструкции. При взаимодействии магнитного поля с током в обмотке ротора образуется сам процесс вращения двигателя, который будет синхронным по отношению к вращению магнитного поля, образованному на статоре. Синхронизм будет сохраняться до достижения максимального момента, который вызван сопротивлением. При увеличении нагрузки машина может выйти из синхронизма.
Асинхронный двигатель
Принцип работы электродвигателя асинхронного заключается в наличии вращающегося магнитного поля и замкнутых рамок (контуров) на роторе – крутящейся части. Магнитное поле образуется так же, как и у синхронного двигателя - при помощи расположенных в пазах статора обмоток, которые подключены к сети переменного напряжения. Обмотки ротора состоят из десятка замкнутых контуров-рамок и имеют обычно два типа исполнения: фазное и короткозамкнутое. Принцип работы электродвигателя переменного тока в обоих вариантах одинаковый, меняется только конструктивное исполнение. В случае короткозамкнутого ротора (также известного под названием «беличья клетка») обмотка заливается расплавленным алюминием в пазы. При изготовлении обмотки фазной концы каждой фазы выводят наружу с помощью скользящих колец-контактов, так как это позволит включить в цепь добавочные резисторы, которые необходимы для регулирования частоты вращения двигателя.
Тяговая машина
Принцип работы тягового электродвигателя аналогичен мотору на постоянном токе. От питающей сети ток подают на повышающий трансформатор. Далее трехфазный переменный ток передается на специальные тяговые подстанции. Там находится выпрямитель. Он преобразует переменный ток в постоянный. По схеме он проводится одной своей полярностью к контактным проводам, второй – непосредственно к рельсам. Необходимо помнить, что многие тяговые механизмы работают на частоте, отличной от установившейся промышленной (50 Гц). Поэтому используют частотник для электродвигателя, принцип работы которого заключается в преобразовании частот и контролировании данной характеристики.
По поднятому пантографу напряжение подается в камеры, где находятся пусковые реостаты и контакторы. С помощью контроллеров реостаты подключаются к тяговым электродвигателям, которые расположены на осях тележек. От них ток поступает через шины на рельсы, а затем возвращается к тяговой подстанции, таким образом замыкая электрическую цепь.
