принцип работы, устройство, классификация. Все про электродвигатели.

Интернет-магазин инженерного оборудования «ОВК Комплект»предлагает своим посетителям ознакомиться с принципом работы, устройством и классификацией электродвигателей, а в последствии купить электродвигатель по самой разумной цене в Украине! Эти устройства незаменимая основа для функционирования большей части техники как бытового, так и промышленного применения. Поэтому в современном обществе их область применения не имеет границ. А актуальность такой покупки может возникнуть в любое время года.

На сегодняшний день, практически в любом механическом приспособлении используется сочетание кинетической и потенциальной энергии — механическая энергия, которая является источником движущей силы, отвечающей за работу всей системы. С открытием электричества механическую энергию стало возможно преобразовывать из электрической, путем применения электромеханической машины — электродвигателя.

Принцип работы электродвигателя

Функционирует электрический двигатель из принципа электромагнитной индукции — физический процесс генерации электрического тока в замкнутом контуре при условии изменения магнитного потока, перемещающегося сквозь него. Первый электродвигатель по такому принципу был создан в 1821 году ученым из Британии Майклом Фарадеем и представлял собой не закрепленный стальной провод, который был погружен в чан с ртутью, где в середине был установлен вечный магнит. Под влиянием электрического воздействия на провод, последний образовывал вокруг себя циклическое магнитное поле, что заставляло его кружить вокруг магнита.

В дальнейшем принцип действия электродвигателя (электромагнетизма) до ума довел русский ученый Б. С. Якоби. Он первый в 1834 году смог изобрести техническое приспособление, которое было в состоянии создавать круговое вращение, что порождало собой привидение в движение механические устройства. Развивая эту идею, Якоби достиг роста мощности своего первого прототипа электродвигателя с 15 Вт до 550 Вт. В 1839 году электрический двигатель этого гения был в состоянии развить 1 лошадиную силу, что позволяло перемещать лодку с весом около тонны по реке против течения.

Устройство электродвигателя

В основе конструкции любого электродвигателя лежит наличие двух самых важных элементов — неподвижная часть “статор” (“индуктор” для двигателей постоянного напряжения) и подвижная часть “ротор” (“якорь” для машин постоянного напряжения). Под воздействием электрического тока на обмотки статора, генерируется вращающееся электромагнитное поле, под влиянием которого на обмотку ротора и вызывая тем самым ток индукции, заставляет его вращаться в определенном направлении. Этот процесс объясняется законом Ампера: на проводник под напряжением, внедренный в зону электромагнитного поля, действует электродвижущая сила (ЭДС). Электродвигатели отличаются по параметру частоты вращения ротора (якоря), который зависит от числа пар магнитных полюсов и частоты напряжения питания сети.

1. КОРПУС

2. РОТОР

3. КЛЕММНАЯ КОРОБКА

4. СТАТОР

5. ВАЛ

Типы электродвигателей

Современные виды электродвигателей имеют широкую классификацию по разным конструктивным и функциональным признакам. Прежде всего, их принято делить по принципу возникновения вращающего момента на:

• Электродвигатель гистерезисный — в процессе перемагничивания ротора возникает свойство физической системы, гистерез, который собственно и создает вращающий момент. Электрооборудование данного типа очень редко находят применение в промышленной сфере.
• Электромагнитный электродвигатель — самый распространенный тип, применяемый практически во всех бытовых и промышленных областях.

Данная группа в свою очередь делиться по характеру потребления питания на:

• Эл двигатель постоянного тока — питается от сети с постоянным напряжением. Такой вид устройства может быть выполнен так же в разных вариантах: с отсутствием щеточно-коллекторного узла или с его наличием. В последнем предусмотрена градация по типу возбуждения на: двигатели с независимым возбуждением и самовозбуждением, которые тоже могут разнится по характеру обмотки и быть исполнены в таких формах: параллельно, последовательно, смешано.
• Электрический двигатель переменного тока — питание осуществляется от сети с переменным типом напряжения.

Такой вид электромагнитных преобразователей классифицируются по принципу работы на:

• Синхронный электродвигатель — суть заключается в синхронном вращении ротора с электромагнитным полем статора при одинаковой частоте. Такие приспособления отличаются особо высокой мощностью достигающей сотни киловатт и более того.
• Асинхронный двигатель переменного тока — функционирует на основе того, что частота вращения электромагнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора, по типу исполнения обмотки который может быть короткозамкнутым или же фазовым. По количеству фаз электродвигатели асинхронные выступают в однофазном или трехфазном вариантах.

Двигатель электромобиля — принцип работы, устройство, виды

Электродвигатель (тяговый электромотор, двигатель на электротяге) – мотор, который устанавливается на электротранспорт и гибридные автомобили. У электромобилей электродвигатель – единственный двигатель. У гибридных автомобилей электродвигатель работает в тандеме с двигателем внутреннего сгорания. В зависимости от выбранного режима работы и схемы автомобиля включается электромотор, бензиновый двигатель или два двигателя одновременно.

По планам многих автоконцернов – именно за тяговым двигателем для электромобиля – будущее. Так известно, что в плане развития известного гиганта Bentley Motors значится, что к 2030-му году компания полностью трансформируется в производителя электроавтомобилей. На электродвигатели ставки также делают такие известные на весь мир компании, как Nissan, Volvo, Aston Martin. 

Тенденции таковы, что в массовом производстве сейчас больше представлены легковые электромобили и городской электротранспорт (согласно планам, в ряде таких стран как, к примеру, Франция и Норвегия в 2025-2030-м гг. автобусы в городах будут полностью заменены на электротранспорт).

Но чувствуется интерес и к установке электромоторов на грузовой транспорт. Особенно электродвигатели интересны производителям городских развозных фургонов, терминальных тягачей и коммунальных грузовиков.

На весь мир уже хорошо известен седельный тягач капотного типа Tesla Semi, в коммунальном хозяйстве США активно не первый год используют мусоровозы PETERBILT на электротяге, в Евросоюзе возрастает интерес к седельному тягачу с электродвигателем Emoss Mobile Systems B. V. и Renault Trucks –развозному автомобилю для продуктов.

На постсоветском пространстве свой коммерческий электротранспорт пока только начинает появляться, но уже активно говорят про грузовик МАЗ-4381Е0 (на грузовике установлен асинхронный тяговый электродвигатель мощностью 70 кВт (95 л.с.), ориентированный на транспортировку грузов в черте города, и электрогрузовик Moskva опытно-конструкторского бюро Drive Electro (главное назначение — доставка товаров в магазины). Не за горами время, когда этот коммерческий транспорт с электромоторами будет активно востребован автопарками, логистическими центрами, предприятиями.

Также, безусловно, давно, как данность мы принимаем, что на электродвигателе работают трамваи, троллейбусы, погрузчики на складах и локомотивы. Трёхфазный асинхронный двигатель помогает двигаться на давно полюбившихся поездах «Ласточка» и «Сапсан».

Принцип работы

Принцип работы двигателя электромобиля основан на преобразовании электроэнергии в механическую энергию вращения. Главные участники преобразования энергии – статор и ротор.

Как работает традиционный электромотор?

1. Магнитное поле статора действует на обмотку ротора.
2. Возникает вращающий момент.
3. Ротор начинает двигаться.

Наглядная схема двигателя электромобиля в системе электропривода представлена ниже:

Важная особенность классического электрокара – отсутствие дифференциала, коробки передач, передаточных устройств с шестеренками. Энергия от электромотора поступает прямо на колеса.

Без коробки передач – и большинство «гибридов» с электродвигателем и ДВС. Исключение – «гибриды» с параллельной схемой передачи на колёса крутящего момента. К ней мы ещё вернёмся в этой статье в разделе, посвящённом гибридным автомобилям.

Принцип работы любого электродвигателя базируется на процессах взаимного притяжения и отталкивания полюсов магнитов на роторе и статоре. Движение осуществляется под действием самого магнитного поля и инерции.

Устройство

Как устроен двигатель электромобиля?

При описании принципа работы электродвигателя, уже было упомянуто, что главные компоненты двигателя электромобиля– ротор и статор.

1. Ротор – это вращающийся компонент двигателя.
2. Статор находится в неподвижном состоянии. Он ответственен за создание неподвижного магнитного поля.

Ротор

Классический ротор автомобиля состоит из сердечника, обмотки и вала. У некоторых электродвигателей в состав ротора также входит коллектор.

• Сердечник – это металлический стержень, на периферии которого располагается обмотка. Непосредственно через сердечник происходит замыкание магнитной цепи электродвигателя. Сердечник изготавливается из стальных пластин круглой формы. По структуре похож на слоёный пирог. При производстве сердечников используют изолированные листы стали с присадками кремния. В этом случае обеспечены увеличение КПД электродвигателя, наименьшие удельные потери в металле на единицу массы, снижение величины размагничивающих вихревых токов Фуко, которые возникают из-за перемагничивания сердечника. На поверхности сердечника есть продольные пазы. Через них прокладывается обмотка.
• Вал – металлический стержень, который непосредственно передаёт вращающий момент. Также изготавливается из электротехнической стали. Служит основой для насаживания сердечника. На концах вала есть резьба, выемки под шестерёнки, подшипники качения, шкивы.
• Коллектор – блок, крепящийся на валу. Представляет собой систему медных пластин. Изолирован от вала. Служит выпрямителем переменного тока, переключателем-автоматом направления тока (в зависимости от вида электродвигателя).

Статор (индуктор)

Статор состоит из станины, сердечника и обмотки:

• Станина статора – корпус статора. Как правило, корпус бывает алюминиевым или чугунным. Алюминиевые станины популярны у электродвигателей легковых авто, чугунные – у спецтехники, которая вынуждена работать в условиях высокой вибрации. Станина служит базой крепления основных и добавочных полюсов.
• Сердечник статора – цилиндр из профилированных стальных листов. Фиксируется винтами внутри станины. Снабжён пазами для обмотки.
• Обмотка. Создаёт магнитный поток. При пересечении проводников ротора наводит в них электродвижущую силу.

Виды

Электродвигатели классифицируют по типу питания привода, конструкции щеточно-коллекторного узла, количеству фаз для запитывания:

• По типу питания привода. Устройства делятся на моторы переменного и постоянного тока. Двигатели постоянного тока способны обеспечить более точную и плавную регулировку оборотов, высокий КПД. Двигатели переменного тока выручают, когда важна высокая перегрузочная способность. Это удачный вариант для подъёмно-транспортных машин. Впрочем, существуют и универсальные моторы, которые функционируют от переменного и постоянного тока.
• По конструкции щеточно-коллекторного узла. Выпускаются бесколлекторные и коллекторные моторы. Бесколлекторный мотор работает за счёт движения ротора с постоянным магнитом. У конструкции нет щеточно-коллекторного узла. Решение обеспечивает достойный крутящий момент, широкий диапазон скоростей и высокий КПД. Важные преимущества бесколлекторного мотора – надёжность, способность к самосинхронизации, возможность подпитываться при переменном напряжении. Ресурс бесколлекторного мотора ограничен исключительно ресурсом подшипников. У коллекторных моторов присутствует щелочно-коллекторный узел. Удобство решения связано с тем, что он может использоваться и в качестве переключателя тока в обмотках, и как извещатель положения ротора, нет необходимости в контролле. Проблема коллекторных моделей – в том, что они зависимы от постоянных магнитов, которые, как известно, со временем, к огромному сожалению, теряют свои свойства.
• По количеству фаз для запитывания. В зависимости от того, как запитывается обмотка, электродвигатели бывают однофазными и трёхфазными. В автомобилестроении широкое распространение получили трёхфазные решения, это связано с рядом технических характеристик (мощность, перегрузочная способность, частота вращения на холостом ходу).

Обратите внимание! Работать трёхфазные моторы могут синхронно и асинхронно, а в качестве ротора используются как короткозамкнутые, так и фазные модели. Самый популярный вариант – трехфазные асинхронные моторы с короткозамкнутым ротором. Они стоят на большинстве современных электрокаров.

Асинхронные и синхронные двигатели

Синхронные моторы – двигатели переменного тока, у которых частота вращения ротора идентична частоте вращения магнитного поля (измерение производится в воздушном зазоре). В автомобилестроении синхронные моторы встретить можно нечасто (хотя в мире техники – это, в целом, очень популярное решение – особенно в климатотехнике, насосных системах).

Но есть производители авто, которые при производстве электрокаров предпочитают устанавливать на свои машины именно синхронные двигатели. Яркий пример – концерн Renault. Синхронными двигателями на электромагнитах он оснастил электрокар Renault Zoe. На электромагниты подаётся постоянный ток. Полярность магнитов ротора стабильна. Полярность магнитов статора при этом изменяется и обеспечивает бесперебойное вращение.

Преимущество синхронных двигателей на электромагнитах у авто – максимальная оптимизация рекуперации энергии торможения. И главный «конёк» авто с таким типом электродвигателя – полная безопасность при буксировке.

Гораздо более популярный вариант – асинхронные двигатели. Это двигатели переменного тока, у которых потенциал напряжения – магнитного поля не совпадает с частотой вращения ротора. Типичным 3-фазным асинхронным двигателем оснащены, например, хорошо известные автомобили Tesla S и Tesla Х.

Иногда асинхронные моторы называют индукционными, так как в роторе в соответствие с законом Ленца у них индуцируется электромагнитная сила.

Двигатель-колесо

Обособленно среди электромоторов стоит двигатель-колесо. Особенность двигателя- колеса – ориентир крутящего момента и силы напряжения на конкретное колесо.

Такие решения можно встретить в плагин-гибридных автомобилях («гибридах» с параллельной схемой, при описании устройства гибридных авто ниже по тексту мы остановимся на них подробнее). Работает двигатель-колесо в паре с ДВС.

У первых плагин-гибридных автомобилей с двигателем-колесом агрегат был монтирован в ступицу колеса, а работа осуществлялась исключительно в паре с внутренним зубчатым редуктором.

Некоторые же современные модели моторов, монтируемые внутри колёс, вполне могут работать без зубчатого редуктора. Это увеличивает управляемость, позволяет избежать увеличения удельного веса шасси, уменьшить риски, повышает КПД.

Преимущества и недостатки электродвигателей

Преимуществ у электродвигателей существенно больше, нежели недостатков. Более того, за счёт усовершенствования и конструктивных особенностей самих электроприводов, и инфраструктуры, связанной с зарядкой, многие вещи, которые вчера ещё казались критичными, сегодня теряют свою актуальность.

Преимущества

• Не требуется «раскачка». Крутящий момент достигает максимума непосредственно при включении. Именно по этой причине электрический двигатель электромобиля не требует наличия стартеров и сцеплений – неотъемлемых спутников ДВС.
• Удобство. Для включения заднего хода (то есть коррекции со стороны вращения мотора) достаточно поменять полярность, сложная коробка передач не требуется.
• Высокий КПД. У машин с электродвигателями он достигает 95 %.
• Независимость. На любой отметке скорости достигается максимальный показатель крутящего момента.
• У мотора – малый вес. Производители могут себе легко позволить создавать компактные автомобили.
• Есть все возможности для рекуперации энергии торможения. Если у авто с ДВС кинетическая энергия просто уходит в колодки (и стирает их), то у электромобиля в режиме рекуперации мотор может функционировать как генератор. В режиме генерации электроэнергия просто трансформируется в другую форму и быстро накапливается в АКБ. Особенно решение эффективно для транспортных средств с длинным тормозным путем. На объём генерируемой и накопленной энергии существенно влияет маршрут (рельеф, в частности наличие холмистых участков на дороге и уклон дороги).
• Снижение расходов на эксплуатацию машины. Зарядку можно производить от электросети. Это существенно дешевле, нежели использование дизеля, бензина. Выгода очевидна даже по сравнению с бензиновыми авто эконом-класса.
• Малый уровень шума.
• В большинстве случаев для мотора не требуется принудительное охлаждение.
• Экологичность. Использование транспорта с электродвигателем снижает количество выхлопных газов в воздухе.

Недостатки

Долгое время считалось, что самый большой минус использования электродвигателя – его зависимость от аккумуляторов, которые быстро выходят из строя. Теперь это неактуально. Современные батареи электрокаров, представленных в массовом выпуске, гарантируют пробег автомобиля 150-200 тыс. км. Потерял актуальность и тот фактор, что машины с электродвигателем существенно уступают бензиновым по мощности. Электротяга современных электромоторов уже не уступает ДВС.

Поэтому недостатки электродвигателей сейчас правильно свести не к недостаткам конструкции, а к плохо развитой инфраструктуре для того, чтобы подзаряжать электромобили. Если в США, Скандинавии подзарядить электрокар легко, то до недавнего момента даже в Западной и Центральной Европе с инфраструктурой для подзарядки таких машин были проблемы.

В России, Беларуси, Украине, Казахстане, пока, увы, с инфраструктурой ситуация ещё хуже. Хотя, например, в России число заправок для электрокаров с 2018 по 2020 год возросло в 3 раза, но полотно покрытия площадками для зарядки очень неоднородное. В Москве – более плотное, в регионах – слабое. Даже разрыв с такими городами-гигантами как Санкт-Петербург и Челябинск — колоссальный.

Устройство электромобиля

Рассматривая электродвигатель, важно остановиться на устройстве электромобиля в целом, изучение электродвигателя не самого по себе, а как части системы электропривода, где электродвигатель – один из его базовых компонентов, его «сердце». Но «организм», функционирует только тогда, когда в порядке все другие «органы» – части электропривода:

• Аккумуляторная батарея.
• Бортовое зарядное устройство. Его функция – обеспечение возможности заряжать аккумуляторную батарею от бытовой электрической сети.
• Трансмиссия. Распространены трансмиссия с одноступенчатым зубчатым редуктором (чаще всего встречающийся и наиболее простой вариант) и бесступенчатая трансмиссия с гидротрансформатором (для старта с места), плавно изменяющие отношение скоростей вращения и вращающих моментов мотора и ведущих колес транспортного средства во всём рабочем диапазоне скоростей и тяговых усилий.
• Инвертор. Назначение инвертора – трансформирование высокого напряжения постоянного тока аккумулятора в трехфазное напряжение переменного тока.
• Преобразователь постоянного тока. Функция – зарядка дополнительной батареи, которая используется для системы освещения, кондиционирования, аудиосистемы.
• Электронная система управления (блок управления). Отвечает за управление функциями, связанными с энергосбережением, безопасностью комфортом. В её «подчинении» – оценка заряда АКБ, оптимизация режимов движения, регулирование тяги, контроль за использованной энергией и за напряжением, управлением ускорением и рекуперативным торможением.

Аккумуляторная батарея

Аккумуляторная батарея (аккумулятор) – один из наиболее дорогих компонентов системы. По своей значимости играет такую же роль, как бензобак для ДВС. Электромобиль движется за счёт электричества, полученного от электросети во время зарядки и хранящегося в АКБ.

При этом важно помнить, что у большинства электромобилей устанавливаются одновременно два аккумулятора: один тяговой – он питает именно мотор и стартерный (как и в машинах с ДВС, он помогает системе освещения, системе подогрева). Эти аккумуляторы разные не только по назначению, но и техническим характеристикам.
Тяговый аккумулятор электрического двигателя электромобиля предназначен для питания мотора, запуска двигателя. У него нет высокого пускового тока, но он заточен на длительную работу, выдерживает большое количество циклов заряда-разряда.

Типичная тяговая АКБ – моноблочная секционная конструкция. Тяговая АКБ состоит из толстых электронных пластин – пористых сепараторов и электролитного вещества.
Самые распространенные аккумуляторы – литий-ионные. У них – наиболее высокая энергетическая плотность, не требуется обслуживание, достаточно низкий саморазряд.

Устройство и особенности гибридных систем

Свои особенности – у гибридных систем. В гибридных системах электродвигатель может рассматриваться и как «партнёр» ДВС, и как допэлемент, помогающий добиться экономии топлива и при этом повышения мощности.

Устройство «гибрида» отличается в зависимости от реализованной схемы передачи на колёса крутящего момента.

• Параллельная. Аккумуляторы передают энергию электромотору, бак – топливо для ДВС. Оба агрегата равноправны и способны создать условия для перемещения авто. Но работает такая схема только при наличии коробки передач. Параллельная схема успешно реализована у автомобиля Honda Civic. Нередко гибриды с параллельной схемой выделяют в отдельную группу и называют плагин-гибридными.

• Последовательная. Любое действие начинается с включения ДВС. Он же отвечает за последующие действия: поворот генератора для запуска электромотора, зарядку аккумуляторов.

• Последовательно-параллельная. Через планетарный редуктор соединены ДВС, электродвигатель и генератор. В зависимости от условий движения может использоваться тяга электродвигателя или ДВС. Режим выбирается программно системой управления транспортного средства. Среди хорошо известных последовательно-параллельных «гибридов» – Toyota Prius, Lexus-RX 400h.

Классический гибридный автомобиль использует интегрированный в трансмиссию электрический мотор-генератор.

При этом для получения электрической тяги у гибридных систем задействованы четыре базовых компонента:

• Мотор-генератор. Является обратимой силовой установкой. Может работать в двух режимах: непосредственно тягового мотора и генератора для зарядки высоковольтной аккумуляторной батареи. При работе в режиме мотора возможно создание крутящего момента и мощности, которых хватит для старта и движения автомобиля с выключенным ДВС, при работе устройства в режиме генератора продуцируется высоковольтная электроэнергия.
• Высоковольтные силовые кабели. Изолированные электрические кабели большого сечения. Важны для переноса энергии между компонентами высоковольтных электроцепей.
• Высоковольтные аккумуляторные батареи. Включенные в последовательную цепь аккумуляторные элементы. Позволяют накопить в батарее большой объём электроэнергии.
• Высоковольтный силовой модуль управления для управления потоком электроэнергии для движения транспортного средства на электрической тяге.

Гибридные авто открывают новые эксплуатационные возможности, с одной стороны можно быть максимально экологичным, радоваться комфортной езде и сэкономить на топливе, а с другой стороны, при разряде аккумулятора владелец авто не попадёт впросак, если невозможно подзарядить мотор: в работу вступит ДВС.

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях напрямую связаны с тем, насколько активно будет развиваться инфраструктура. Там, где она не обеспечена, использование электрокаров действительно ограничено. Ведь без подзарядки у многих авто – малая дальность пробега.

Впрочем, даже последняя проблема активно решаемая. Немецкие и японские разработчики (компании DBM Energy, Lekker Energie, Japan Electric Vehicle Club) сумели доказать миру: потенциал у электродвигателей, аккумуляторов без подзарядки может достигать 500 -1000 тысяч километров пробега. Правда, пока что 1 000 тысяч км пробега без подзарядки возможны только в теории, а 500-600 уже на практике.

На данный момент доступность такого транспорта – на уровне инженерно-конструкторской работы, экспериментальных выпусков, но есть перспективы что их подхватят автогиганты, и не за горизонтом – серийное производство.

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях очень тесно связаны и с политикой отдельных государств. Например, в Норвегии обладатели электромобилей освобождены от уплаты ежегодного налога на транспорт, пользования платными дорогами, паромными переправами и даже большинством парковок. С учётом того, что налоги и тарифы в Скандинавии одни из самых высоких, мотивация приобрести именно авто с электродвигателем, а не ДВС – очень высокая.

Обратите внимание, что на базе LCMS ELECTUDE есть специальный раздел “Электрический привод”, в нём подробно разбираются электродвигатели, виды электропривода, системы зарядки, особенности обслуживания транспорта с электромотором. Кроме комплексных теоретических знаний в обучающих модулях приводятся многочисленные практические примеры.

Принцип работы электродвигателя

В настоящее время электродвигатели можно найти в жизни каждого, поскольку они преобразуют электрическую энергию в механическую или кинетическую энергию. Эклектичные двигатели доступны в электромобилях (EV), вентиляторах, часах, миксерах, кофемолках, стиральных машинах и многих других устройствах. Следовательно, знание принципов работы двигателя может помочь каждому более эффективно использовать моторное оборудование. В этой статье обсуждается принцип работы электродвигателя . Затем представлены различные распространенные типы электродвигателей, включая двигатели постоянного тока, асинхронные двигатели и, наконец, синхронные двигатели.

Электродвигатели работают на основе магнитного поля. Магнитное поле может создаваться магнитом или обмотками вокруг магнитного сердечника. Чтобы начать теорию, объясняется магнитная сила провода с током, который подвергается воздействию магнитного поля. Магнит создает магнитное поле между полюсами N и S, как показано на рисунке 1. Линии магнитного поля выходят из полюса N и входят в полюс S. Это магнитное поле является постоянным, и в магнитном поле нет колебаний, которые могут выглядеть как постоянное магнитное поле.

Рис. 1. Магнитное поле между северным и южным полюсами магнита

Когда проводник с током входит в магнитное поле, на провод действует магнитная сила, которая заставляет провод двигаться. Величина силы зависит от некоторых параметров, которые обсуждаются в этой статье. Первым параметром, влияющим на магнитную силу, является ток, протекающий по проводу. Если ток через ток равен нулю, силы на провод не будет, а сила имеет прямую связь с током. Следовательно, можно написать следующее уравнение.

(1)

где F — магнитная сила, а I — сила тока в проводе. Еще одним параметром является длина провода, который видит магнитное поле. Зависимость между магнитной силой и длиной оголенного провода также является прямой и может быть записана как:

(2)

, где l — длина провода. Последним параметром является напряженность магнитного поля, которая имеет прямую зависимость от магнитной силы как:

(3)

Эти три параметра определяют максимальное значение магнитной силы, которое возникает, когда магнитное поле перпендикулярно проводу. Таким образом, любое отклонение от перпендикулярного положения уменьшает величину силы, прикладываемой к проволоке. Это означает, что магнитная сила на рисунке 2 не достигает своего максимального значения из-за угла между магнитным полем и током в проводнике.

Рисунок 2: Проводник с током среди магнитного поля, создаваемого магнитом

Учитывая все параметры, магнитная сила может быть рассчитана по данному уравнению.

(4)

Теперь вместо одного проводника можно рассматривать петлю между полюсами. Петля может быть любой формы, но для лучшего понимания предполагается, что петля представляет собой прямоугольник, как показано на рисунке 3. В этой ситуации каждая сторона петли несет ток и испытывает магнитную силу. Направление силы можно получить по правилу левой руки.

Рисунок 3. Близкий путь проводника в магнитном поле, создаваемом магнитом

текущее направление, и все эти пальцы перпендикулярны друг другу. Согласно уравнению 4, магнитная сила равна нулю, когда несущий ток параллелен магнитному полю. Таким образом, магнитная сила BC и AD равна нулю. В этом состоянии только AB и CD испытывают магнитную силу. Если применить правило левой руки к путям AB и CD, магнитная сила для пути AB будет направлена ​​вверх, а для пути CD направление силы будет направлено вниз. Эти две противоположные силы вращают петлю, но она не может завершить свое вращение, потому что направление тока в петле постоянно. Это означает, что устойчивое положение петли — это когда петля перпендикулярна магнитному полю. В этом положении направленная вверх и вниз сила нейтрализует друг друга, и проволочная петля не может двигаться. Чтобы решить эту проблему, направление тока в петле должно соблюдаться в каждом полуобороте, чтобы позволить проволочной петле вращаться. Более того, инерция поможет петле продолжить свое вращение и пройти устойчивое положение.

Рис. 4. Коллектор и щетка для изменения направления тока в контуре на противоположное

Для достижения этой цели в схему необходимо добавить угольные щетки и коммутаторы. Поскольку провода батареи не могут вращаться вместе с петлей, две щетки действуют как мост для контакта петли с батареей. Кроме того, коммутаторы изменяют направление тока в петле, когда петля вращается в магнитном поле. Эти принципы относятся к двигателю постоянного тока, поскольку источник постоянного тока подключен к вращающейся части двигателя. Двигатели обычно имеют статическую часть, называемую статором, и подвижную часть, а именно ротор. Обе части состоят из магнитопровода и обмоток. В двигателе постоянного тока в статорной части используется магнит. Однако постоянное магнитное поле можно создать, обмотав провода вокруг статора и подключив клеммы к источнику постоянного напряжения. Кроме того, к коммутаторам подключено множество проволочных петель, чтобы увеличить мощность и помочь двигателю вращаться быстрее. В двигателях постоянного тока воздушный зазор между статором и ротором равномерный.

Теория двигателя переменного тока такая же. Значит, магнитное поле необходимо, и обмотки ротора вынуждены вращаться. Однако в двигателях переменного тока обмотки статора подключены к источнику переменного напряжения, и магниты не могут использоваться для статоров, поскольку магнитное поле, создаваемое магнитом, постоянно. Двигатели переменного тока подразделяются на две основные группы, включая асинхронные двигатели и синхронные двигатели, которые будут обсуждаться в следующих частях. Большинство двигателей в промышленности представляют собой трехфазные асинхронные двигатели, которые используются в вентиляторах, насосах и т. д. Однако однофазные асинхронные двигатели используются в бытовой технике, такой как холодильники, миксеры и т. д.

В асинхронных двигателях воздушный зазор неравномерный, сердечник статора ламинирован из-за потерь на вихри, на внешней поверхности прорезаны пазы. Трехфазные обмотки вставлены в пазы статора для создания магнитного поля переменного тока в воздушном зазоре. Существует два типа обмотки ротора, которые называются типами с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. В асинхронных двигателях нет токонесущих обмоток, потому что вращающееся магнитное поле переменного тока изменяется со временем, и его изменение заставляет обмотки ротора вращаться в направлении магнитного поля. Магнитное поле переменного тока, создаваемое обмотками статора, вращается в воздушном зазоре с синхронной скоростью, но скорость вращения ротора меньше скорости поля в асинхронном двигателе.

В отличие от асинхронного двигателя синхронный двигатель может вращаться с постоянной скоростью в установившемся режиме. Следовательно, синхронные двигатели можно использовать там, где важна постоянная скорость, например, электрические часы, таймеры, или многие другие в больших масштабах можно использовать в качестве насосов. Однако синхронные машины используются в качестве генератора, а не двигателя. На электростанциях есть много синхронных генераторов, но синхронные двигатели имеют ограниченное применение. Структура статора синхронного двигателя аналогична асинхронным двигателям, но по обмотке ротора протекает постоянный ток.

Электродвигатели используются во многих отраслях промышленности. Например, электропоезда работают с двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями. Кроме того, в электромобилях используются разные типы двигателей. В прошлом для этой цели широко использовались двигатели серии постоянного тока. В наши дни бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) или синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) используются вместе с асинхронными двигателями. Двигатели даже используются в бытовой технике, такой как кофемолки, миксеры, блендеры, электрические зубные щетки и т. д. Другими распространенными областями применения являются компрессоры, корабли и лифты. В следующем разделе всесторонне представлены электродвигатели Tesla EV.

Tesla как пионер в области электромобилей использует различные типы электродвигателей для достижения более высокой эффективности и удовлетворения потребностей пользователей. Асинхронные двигатели в основном используются в электромобилях, но Tesla представляет новый двигатель для своих новых моделей. В этой статье определены принципы работы асинхронного двигателя, в котором ротор с короткозамкнутым ротором и статор подключены к источнику переменного напряжения. Поскольку основным источником энергии в электромобилях являются батареи, постоянное напряжение батареи преобразуется в переменное напряжение для питания асинхронного двигателя. Асинхронные двигатели эффективны, но от трех до четырех процентов энергии теряется в стержнях несущего винта при длительном движении на крейсерской скорости. Еще один параметр — пусковой крутящий момент, который необходимо повышать в электромобилях. Следовательно, двигатель должен быть улучшен, исходя из этой потребности. Ротор с короткозамкнутым ротором можно заменить постоянным магнитом вокруг сплошного железного цилиндра для создания постоянного магнитного поля в воздушном зазоре. Эта конструкция устраняет потери ротора в предыдущих двигателях, поскольку не требуется индуктивного тока, что повышает эффективность двигателя, и, кроме того, он имеет лучший пусковой момент по сравнению с асинхронным двигателем. Кроме того, ротор с постоянными магнитами работает как синхронный двигатель из-за постоянного магнитного поля, которое позволяет двигателю вращаться с синхронной скоростью. Однако двигатели с постоянными магнитами имеют некоторые ограничения. Они не могут работать на высокой скорости, потому что постоянный магнит создает противо-ЭДС в обмотках статора и значительно снижает его производительность. Кроме того, сильные магниты приводят к потерям магнитных вихревых токов, что увеличивает нагрев двигателя. Для повышения производительности в электромобилях могут использоваться синхронные реактивные двигатели. В этом типе двигателя внутри ротора созданы пазы. Поскольку ротор стремится к низкому магнитному сопротивлению, он сохраняет свое положение с низким магнитным сопротивлением и вращается вместе с магнитным полем. Эта конструкция приемлема для высокоскоростных приложений и не имеет обратной ЭДС. Новейший тип двигателя, который Tesla использует в своих электромобилях, представляет собой комбинацию двигателей с постоянными магнитами и реактивных двигателей, размещая их в слотах реактивных двигателей. Таким образом, двигатель может эффективно работать на любой скорости.

Электродвигатель — принцип работы, схема

Последнее обновление: Teachoo, 7 марта 2023 г.

Это вращающееся устройство (устройство, которое вращается или перемещается по кругу)

Он преобразует электрическую энергию в механическую энергию

Они используются в электрических вентиляторах, холодильниках, стиральных машинах, миксерах и т. д.

вот как это выглядит

Принцип работы электродвигателя

Электродвигатель работает по принципу

когда прямоугольную катушку помещают в магнитное поле и через нее пропускают ток,

на катушку действует сила, которая непрерывно вращает ее

Конструкция электродвигателя

Электродвигатель состоит из

• 
  Прямоугольная катушка
  
  провода ABCD
• А
  
  сильный подковообразный магнит
  
  (или 2 разных магнита) — Если мы возьмем 2 магнита, северный полюс первого магнита обращен к южному полюсу другого магнита, как показано на рисунке. ..

• 
  катушка расположена перпендикулярно магниту
  
  как показано на рисунке

• Концы катушки соединены с
  
  разрезные кольца
  
  — П и В
  
  Разрезные кольца действуют как
  
  коммутатор
  
  — который меняет направление тока в цепи
• Внутренняя сторона разрезных колец
  
  изолированы и прикреплены к оси
  
  (который может свободно вращаться)
• Внешние токопроводящие кромки разъемных колец жесткие два
  
  стационарные щетки — X и Y
  
• Эти щетки крепятся к
  
  батарея
  
  чтобы завершить цепь

Работа электродвигателя

Давайте посмотрим на работу электродвигателя.

• Когда батарея включена, ток течет через катушку АВ от А к В,
  
  и магнитное поле с севера на юг…
  
  Итак, по правилу левой руки Флеминга к AB приложена направленная вниз сила.

  Точно так же восходящая сила применяется к компакт-диску.
  
  Таким образом, катушка вращается, при этом AB движется вниз, а CD вверх

• Теперь катушки AB и CD меняются местами,
  
  Так как ток течет от C к D, а магнитное поле от севера к югу
  
  CD получит направленную вверх силу и будет двигаться вверх

  Аналогично, AB будет двигаться вниз
  
  Итак, наша катушка сделала бы половину оборота

• Но, мы не хотим половинчатых оборотов,
  
  Нам нужен полный оборот катушки.
• Итак, для этого мы изменим направление тока в катушке, когда она сделает половину оборота.
• Чтобы изменить направление тока, мы используем коммутатор.
  
  Коллектор состоит из разъемных колец (двух колец с некоторым зазором между ними) и щеток, прикрепленных к цепи.
• Теперь, когда катушка вращается, кольца вращаются вместе с ней.
  
  Когда катушка становится параллельной магнитному полю,
  
  щетки X и Y касаются зазора между кольцами
  
  и цепь разрывается
• Теперь из-за инерции кольцо продолжает двигаться. .. так что противоположный конец кольца теперь соединен с положительным концом провода.
  
  Разрезное кольцо P соединяется с катушкой CD, а разрезное кольцо Q соединяется с катушкой AB.
  
  Меняет направление тока в цепи.
• Теперь, когда CD находится слева, а AB справа..
  
  Ток в CD становится обратным, то есть с D на C.
  
  Итак, сила на CD направлена ​​вниз, а сила на AB направлена ​​вверх
  
  Таким образом, катушка продолжает вращаться
• Это реверсирование электрического тока происходит каждые пол-оборота.
  
  и катушка продолжает вращаться до отключения батареи

Примечание —

Если бы разрезное кольцо не использовалось, катушка вращалась бы наполовину по часовой стрелке и наполовину против часовой стрелки.

Следовательно, цель разъемного кольца состоит в том, чтобы изменить направление тока и заставить катушку вращаться в одном направлении.

Чтобы написать «Работа электродвигателя» в экзаменационной работе, отметьте —

NCERT Вопрос 11

Как коммерческие электродвигатели увеличивают производимую мощность и мощность двигателей?

Они увеличивают производимую силу и мощность двигателей на

• Использование электромагнита вместо постоянного магнита
• Большое количество витков проводящего провода (чем больше витков в проводе, тем больше магнитное поле)
• Сердечник из мягкого железа, на котором намотана катушка

Примечание :

Сердечник из мягкого железа, на который намотана катушка вместе с витками, называется

арматура

.

Увеличивает мощность двигателя.

Примечание

: Для тебя

Экзамены,


пожалуйста, напишите принцип, работа, конструкция электродвигателя.