Принципы работы электродвигателей. Типы электродвигателей Строение электродвигателя

(боже мой, как быстро летит время!). Сегодняшняя тема может быть мало кого заинтересует, зато если кого заинтересует, так это будет очень в пользу им. Слушаем trudnopisaka : Напишите пожалуйста понятно о устройстве электродвигателей постоянного тока. Можно на примере одного из типов. Ведь с одной стороны принцип работы очень простой, а с другой, если разобрать один из электродвигателей, то там много деталей, назначение которых не очевидно. А на сайтах в начале поисковой выдачи есть только название этих деталей, в лучшем случае. Планирую с детьми собрать простой электродвигатель, чтобы это помогло им в понимании техники и они не боялись ее осваивать.

Первый этап развития электродвигателя (1821-1832) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.

В 1821 году М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея подтвердил принципиальную возможность построения электрического двигателя.

Для второго этапа развития электродвигателей (1833-1860) характерны конструкции с вращательным движением якоря.

Томас Дэвенпорт - американский кузнец, изобретатель, в 1833 году сконструировал первый роторный электродвигатель постоянного тока, создал приводимую им в движение модель поезда. В 1837 году он получил патент на электромагнитную машину.

В 1834 году Б. С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. 13 сентября 1838 г. лодка с 12 пассажирами поплыла по Неве против течения со скоростью около 3 км/ч. Лодка была снабжена колесами с лопастями. Колеса приводились во вращение электрическим двигателем, который получал ток от батареи из 320 гальванических элементов. Так впервые электрический двигатель появился на судне.

Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б. С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:

• расширение применения электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т. е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;
• электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты, большую мощность ибольший коэффициент полезного действия;
• этап в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом.

Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешёвого источника электрической энергии - электромагнитного генератора постоянного тока.

В 1886 году электродвигатель постоянного тока приобрёл основные черты современной конструкции. В дальнейшем он всё более и более совершенствовался.

В настоящее время трудно представить себе жизнь человечества без электродвигателя. Он используется в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки. Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы - всё это используется в быту и оснащено электродвигателями.

Подавляющее большинство электрических машин работает по принципу магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней ток, то её вытолкнет наружу. Как это возможно? Дело в том, что проходя по проводнику, ток формирует вокруг себя круговое магнитное поле по всей длине провода. Направление этого поля определяют по правилу буравчика (винта).

При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается. То есть среда становится упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки (правило правой руки используется для генераторов, а правило левой руки подходит только для двигателей). Эта сила называется «амперовой» и её величина определяется по закону Ампера F=BхIхL, где В – значение магнитной индукции поля; I – ток, циркулирующий в проводнике; L – длина провода.

Это явление использовали как основной принцип работы первых электродвигателей, этот же принцип используют и поныне. В двигателях постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля применяются постоянные магниты. В электромоторах средней и большой мощности однородное магнитное поле создают с помощью обмотки возбуждения или индуктора.

Рассмотрим принцип создания механического движения с помощью электричества более подробно. На динамической иллюстрации показан простейший электромотор. В однородном магнитном поле вертикально располагаем проволочную рамку и пропускаем по ней ток. Что происходит? Рамка проворачивается и по инерции двигается какое-то время до достижения горизонтального положения. Это нейтральное положение – мёртвая точка - место, где воздействие поля на проводник с током равно нулю. Чтобы движение продолжилось, нужно добавить ещё хотя бы одну рамку и обеспечить переключение направление тока в рамке в нужный момент. На обучающем видео внизу страницы хорошо виден этот процесс.

Современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полясами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе. Принцип его работы следующий. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части - «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо. Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение. Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя.

Таким образом, обмотка якоря передаёт вращающий момент на вал электромотора, а тот в свою очередь приводит в движение рабочие механизмы любого оборудования, такого как, например, станок для сетки рабицы. Хотя в этом случае используется асинхронный двигатель переменного тока, основной принцип его работы идентичен принципу действия двигателя постоянного тока – это выталкивание проводника с током из магнитного поля. Только у асинхронного электромотора вращающееся магнитное поле, а у электродвигателя постоянного тока – поле статичное.

Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из индуктора и якоря, разделенных воздушным зазором.

Индуктор (статор) электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного поля машины и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина служит для крепления основных и добавочных полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На главных полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины, на добавочных полюсах - специальная обмотка, служащая для улучшения условий коммутации.

Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянноготока.

Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе, связанной с корпусомэлектродвигателя.

Коллекторный движок он очень хорош. Он чертовски легко и гибко регулируется. Можно повышать обороты, понижать, механическая характеристика жесткая, момент он держит на ура. Зависимость прямая. Ну сказка, а не мотор. Если бы не одна ложка дегтя во всей этой вкусняшке - коллектор.

Это сложный, дорогой и очень ненадежный узел. Он искрит, создает помехи, забивается проводящей пылью от щеток. А при большой нагрузке может полыхнуть, образовав круговой огонь и тогда все, капец движку. Закоротит все дугой наглухо.

Но что такое коллектор вообще? Нафига он нужен? Выше я говорил, что коллектор это механический инвертор. Его задача переключать напряжение якоря туда сюда, подставляя обмотку под поток.

Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).

Когда магнитное поле пересекается только двумя проводниками, образующими рамку, коллектор будет представлять собой одно кольцо, разрезанное на две части, изолированные одна от другой. В общем случае каждое полукольцо носит название коллекторной пластины.

Начало и конец рамки присоединяются каждый к своей коллекторной пластине. Щетки располагаются таким образом, чтобы одна из них была всегда соединена с проводником, который будет двигаться у северного полюса, а другая - с проводником, который будет двигаться у южного полюса.

Рис. 2. Упрощенное изображения коллектора

Рис. 3. Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

Сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда вращающаяся рамка займет положение, изображенное на рис. 3, А, в ее проводниках будет индуктироваться наибольший по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.

Индуктированный ток из проводника В, соединенного с коллекторной пластиной 2, поступит на щетку 4 и, пройдя внешнюю цепь, через щетку 3 возвратится в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.

Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к индуктированию тока в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.

Отсюда следует, что, несмотря на изменение направления тока в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, произведенному коллектором, направление тока во внешней цепи не изменилось.

В следующий момент (положение Г), когда рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, следовательно, во внешней цепи тока опять не будет.

В последующие моменты времени рассмотренный цикл движений будет повторяться в том же порядке. Таким образом, направление индуктированного направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться одним и тем же, а вместе с этим сохранится и полярность щеток.

Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора. Щётка - неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый). Щётки с большой частотой размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора. Как следствие, при работе ДПТ происходят переходные процессы, в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает надёжность ДПТ. Для уменьшения искрения применяются различные способы, основным из которых является установка добавочных полюсов. При больших токах, в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего, искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или «круговой огонь». Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора не допустим. При проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.Конструкция двигателя может иметь один или несколько щеточно-коллекторных узлов.

А на дворе то уже 21 век и дешевые и мощные полупроводники сейчас на каждом шагу. Так зачем нам нужен механический инвертор если мы можем сделать его электронным? Правильно, незачем! Так что берем и заменяем коллектор силовыми ключами, а еще добавляем датчики положения ротора, чтобы знать в какой момент переключать обмотки.

А для пущего удобства выворачиваем двигатель наизнанку - гораздо проще вращать магнит или простенькую обмотку возбуждения, чем якорь со всей этой тряхомудией на борту. В качестве ротора тут выступает либо мощный постоянный магнит, либо обмотка питаемая с контактных колец. Что хоть и смахивает на коллектор, но не в пример надежней его.

И получаем что? Правильно! Бесщеточный двигатель постоянного тока aka BLDC. Все те же няшные и удобные характеристики ДПТ, но без этого мерзкого коллектора. И не надо путать BLDC с синхронными двигателями. Это совсем разные машины и разным принципом действия и управления, хотя конструктивно они ОЧЕНЬ схожи и тот же синхронник вполне может работать как BLDC, добавить ему только датчиков да систему управления. Но это уже совсем другая история. про него подробнее.

Продолжая тему двигателя постоянного тока нужно отметить, что принцип действия электродвигателя основывается на инвертировании постоянного тока в якорной цепи, чтобы не было торможения, и вращение ротора поддерживалось в постоянном ритме. Если изменить направление тока в возбуждающей обмотке статора, то, согласно правилу левой руки, изменится направление вращения ротора. То же самое произойдёт, если мы поменяем местами щёточные контакты, подводящие питание от источника к якорной обмотке. А вот если поменять «+» «-» и там и там, то направление вращения вала не изменится. Поэтому, в принципе, для питания такого мотора можно использовать и переменный ток, т.к. ток в индукторе и якоре будет меняться одновременно. На практике такие устройства используются редко.

Думаю многие из вас кто баловался с движками могли заметить, что у них есть ярко выраженный пусковой ток, когда мотор на старте может рвануть стрелку амперметра, например, до ампера, а после разгона ток падает до каких-нибудь 200мА.

Почему это происходит? Это работает противоэдс. Когда двигатель стоит, то ток который через него может пройти зависит только лишь от двух параметров - напряжения питания и сопротивления якорной обмотки. Так что предельный ток который может развить движок и на который следует рассчитывать схему узнать несложно. Достаточно замерить сопротивление обмотки двигателя и поделить на это значение напряжение питания. Просто по закону Ома. Это и будет максимальный ток, пусковой.

Но по мере разгона начинается забавная вещь, обмотка якоря движется поперек магнитного поля статора и в ней наводится ЭДС, как в генераторе, но направлена она встречно той, что вращает двигатель. И в результате, ток через якорь резко снижается, тем больше, чем выше скорость.

А если движок дополнительно еще подкручивать по ходу, то противоэдс будет выше питания и движок начнет вкачивать энергию в систему, став генератором.

Что касается электрической схемы включения двигателя, то их несколько и они показаны на рисунке. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря делается из большого количества витков тонкой проволоки. При таком подключении коммутируемый коллектором ток будет значительно меньше из-за большого сопротивления и пластины не будут сильно искрить и выгорать. Если делать последовательное соединение обмоток индуктора и якоря, то обмотка индуктора делается из провода большего диаметра с меньшим количеством витков, т.к. весь якорный ток устремляется через статорную обмотку. При таких манипуляциях с пропорциональным изменением значений тока и количества витков, намагничивающая сила остаётся постоянной, а качественные характеристики устройства становятся лучше.

На сегодняшний день двигатели постоянного тока мало используются на производстве. Из недостатков этого типа электрических машин можно отметить быстрый износ щёточно-коллекторного узла. Преимущества – хорошие характеристики запуска, лёгкая регулировка частоты и направления вращения, простота устройства и управления.

В настоящее время двигатели постоянного тока независимого возбуждения, управляемые тиристорными преобразователями, используются в промышленных электроприводах.’Эти при­воды обеспечивают регулирование скорости в широком диапазо­не. Регулирование скорости вниз от номинальной осуществляется изменением напряжения на якоре, а вверх - ослаблением потока возбуждения. Ограничения, по мощности и скорости обусловлены свойствами используемых двигателей, а не полупроводниковых приборов. Тиристоры могут соединяться последовательно или па­раллельно, если они имеют недостаточно высокий. класс по напря­жению или току. Ток якоря и момент ограничены перегрузочной способностью двигателя по нагреву.

Принцип работы:

Сборка двигателя постоянного тока ПО ДЕТАЛЯМ :

Для любопытных могу еще подробно рассказать про или например что такое . Ну и совсем для жаждущих - подробно про . Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия -

Электродвигатель преобразует электроэнергию в энергию механического движения. Так же как и электрический генератор электродвигатель состоит обычно из статора и ротора, относясь к вращающимся электрическим машинам Выпускаются однако, двигатели у которых движущаяся часть совершает линейное (обычно прямолинейное движение (линейные двигатели).

Самым распространенным видом электродвигателей является трехфазный короткозамкнутый асинхронный двигатель принцип устройства которого представлен на рис. 1, роторная обмотка этого двигателя представляет собой систему массивных медных или алюминиевых стержней, размещенных параллельно друг другу в пазах ротора концы которых соединены между собой короткозамкнутыми кольцами.

Рис. 1. Принцип устройства короткозамкнутого асинхронного двигателя.
1- статор, 2 – ротор, 3 - вал, 4 - корпус

В случае применения алюминия вся обмотка (беличья клетка) обычно формируется путем литья под давлением. Вращающееся магнитное поле статора индуцирует в обмотке ротора ток, взаимодействие которого с магнитным полем статора приводит ротор во вращение. Скорость вращения ротора при этом всегда меньше чем магнитного поля статора и ее относительную разность со скоростью вращения магнитного поля статора (с синхронией скоростью) называют скольжением. Эта величина зависит от нагрузки на валу двигателя и составляет при полной нагрузке обычно 3… 5%. Для ступенчатого регулирования скорости может использоваться статорная обмотка с переключаемым числом полюсов по такому принципу могут выполняться, например, двух трех и четырехскоростные асинхронные двигатели. Для плавного регулирования скорости обычно осуществляется питание двигателя через регулируемый преобразователь частоты.

Для главного регулирования скорости асинхронного двигателя ниже номинальной ранее вместо короткозамкнутых двигателе использовались двигатели с фазным ротором, у которых роторная обмотка имеет такое же трехфазное исполнение как и статорная. Такая обмотка соединяется через контактные кольца, расположенные на валу двигателя с регулировочным реостатом где часть энергии потребляемой двигателем, превращается в тепло. Регулирование происходит, следовательно, за счет снижения КПД двигателя и в настоящее время применяется редко.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели характеризуются своей компактностью и высокой надежностью, а также намного большим сроком службы, чем двигатели внутреннего сгорания. По размерам они обычно меньше и по массе легче, чем двигатели внутреннего сгорания той же мощности. Они могут изготовляться в очень большом диапазоне номинальных мощностей от нескольких ватт до нескольких десятков мегаватт. Двигатели малой мощности (до нескольких сотен ватт могут быть и однофазными.

Синхронные двигатели устроены так же, как и синхронные генераторы. При неизменной сетевой частоте они вращаются с постоянной скоростью не зависимо от нагрузки. Их преимуществом перед асинхронными двигателями считается то, что они не потребляют из сети реактивную энергию, а могут отдавать ее в сеть покрывая этим потребление реактивной энергии другими электроприемниками. Синхронные двигатели не подходят для частых пусков и применяются, главным образом, при относительно стабильной механической нагрузке и тогда, когда требуется постоянная скорость вращения.

Двигатели постоянного тока используются при необходимости плавного регулирования скорости. Это достигается путем изменения тока якоря и/или возбуждения при помощи полупроводниковых устройств (раньше - с помощью регулировочных реостатов) или путем изменения напряжения питания. Так как в настоящее время легко и без существенного изменения КПД (при помощи преобразователей частоты) осуществляется и плавное регулирование скорости двигателей переменного тока, то двигатели постоянного тока, из-за их большей стоимости, больших размеров и дополнительных потерь, возникающих при регулировании, стали применяться значительно реже, чем раньше.
Шаговые двигатели приводят в движение при помощи импульсов напряжения. При каждом импульсе ротор двигателя поворачивается на определенный угол (например, на несколько градусов). Такие двигатели используются в тихоходных механизмах, требующих обычно еще точного позиционирования. Могут изготовляться, например, двигатели, совершающие один обо рот за сутки или даже за год.

Линейные двигатели используются для линейного движения, когда преобразование вращающегося движения в линейное при помощи механических передач или других устройств невозможно или неприемлемо. Наиболее часто применяются асинхронные линейные двигатели, но существуют также синхронные и шаговые линейные двигатели и даже двигатели постоянного тока.

Основными преимуществами электрических двигателей перед двигателями внутреннего сгорания могут считаться
- меньшие размеры, меньшая масса и меньшая стоимость,
- намного более высокий КПД (обычно 90 ..95%),
- лучшая регулируемость (обычно с сохранением высокого КПД),
- высокая надежность и долгий срок службы,
- меньший шум и меньшая вибрация при работе,
- быстрый и беспроблемный (при необходимости - плавный) пуск,
- намного более простая эксплуатация,
- отсутствие потребления топлива и, как результат, отсутствие выбросов продуктов сгорания в окружающую среду,
- легкое присоединение к любым рабочим машинам и механизмам.
Применение электродвигателей может оказаться проблемным в случае, когда они должны размещаться на переносных и передвижных устройствах или на транспортных средствах. Для электропитания в таких случаях могут применяться, в зависимости от дальности и характера передвижения,
- гибкие кабели,
- контактные провода или контактные шины,
- размещаемые на передвижных средствах источники питания (аккумуляторы, топливные элементы, двигатель-генераторы и т. п.).

Во многих случаях эти способы питания ограничивают маневренность или дальность пробега транспортных средств (особенно автомобилей) или других передвижных машин в такой степени что применение двигателей внутреннего сгорания остается более рациональным. Первый электродвигатель был не электромагнитным, а электростатическим и его изготовил в 1748 году издатель и общественный деятель города Филадельфия (Philadelphia, США) Бенджамин Франклин (Benjamin Franklin, 1706-1790). Ротор этого двигателя представлял собой зубчатый диск, на зубья которого действовали импульсные силы притяжения и отталкивания, вызываемые электростатическими разрядами, диск совершал 12...15 оборотов в минуту и мог нести до 100 серебряных монет. Первые электромагнитные двигатели (приборы, в которых либо проводник, через который протекал ток вращался вокруг стержневого магнита (рис. 2), совершая при этом работу - перемешивая ртуть, либо стержневой магнит вращался вокруг проводника с током, изобрел в 1821 году ассистент Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday).

Рис. 2. Принцип устройства опытного прибора Майкла Фарадея для демонстрации электрического вращения.
1 - вращающийся металлический стержень, 2 - стержневой магнит, 3 - стеклянный или фарфоровый сосуд, 4 - ртуть, 5 – уплотнение, i - ток

Первый (качающийся) двигатель, который, в принципе, можно было бы соединить с приводимой рабочей машиной, изготовил в 1831 году учитель математики и природоведения школы мальчиков города Албани (Albany, США) Джозеф Генри (Joseph Henry, 1797-1878); принцип устройства этого двигателя представлен на рис. 3.

Рис. 3. Принцип устройства качающегося электродвигателя Джозефа Генри.
1 - постоянные магниты, 2 - качающийся электромагнит, 3 - вал, 4 - ртутные контакты.

После двигателя Генри было создано еще несколько различных опытных электродвигателей возвратно-поступательного движения. Первый вращающийся электродвигатель создал с целью реального применения 8 апреля 1834 года инспектор порта Пиллау rPiilau, Восточная Пруссия), инженер-строитель Мориц Герман Яко6и (Moritz Hermann Jacobi. 1801-1874), изучавший самостоятельно электротехнику в библиотеке и в лабораториях Кенигсбергского университета. Восьмиполюсный двигатель, у которого как статор, так и ротор состояли из четырех подковообразных электромагнитов и который совершал 80… 120 оборотов в минуту, получал питание из батареи гальванических элементов напряжением 6V. Мощность его на валу была приблизительно 15 W а КПД - около 13%. Якоби исследовал и совершенствовал свои двигатель, между прочим, в Тартуском университете, профессором гражданской архитектуры которого он был избран в 1835 году.

Мориц Герман (позже, в России - Борис Семенович) Якоби родился в 1801 году в Потсдаме (Potsdam, Германия) в зажиточной семье и получил хорошее домашнее образование; уже в юношестве он одинаково свободно владел немецким, английским и французским языками и отлично знал также латынь и древнегреческий язык. В 1828 году он окончил Геттингенский университет (Gottingen Германия) с квалификацией архитектора, работал затем на строительстве дорог, а в 1833 году переехал в Кенигсберг, где его младший брат Карл Густав Яков Якоби (Carl Gustav Jacob Jacobi, 1804-1851) был профессором математики. Он стал работать инспектором порта Пиллау и посещать Кенигсбергский университет для приобретения знаний по электротехнике. В 1834 году он построил вышеупомянутый двигатель, а в 1835 году, по инициативе профессора астрономии Тартуского университета Фридриха Георга Вильгельма Струве (Friedrich Georg Wilhelm Struve, 1793-1864) он был избран профессором гражданской архитектуры этого университета. Его двигатель вызвал интерес в Петербурге, и в 1837 году Якоби был прикомандирован к столичной Академии Наук для разработки электропривода военных кораблей, оставаясь до 1840 года официально на службе в Тартуском университете. В 1838 году Якоби испытал на Неве первый в мире электропривод с вращающимся двигателем (установленный на морском боте), но дальнейшие исследования показали, что для электропитания привода, к сожалению, нет технически и экономически пригодного источника энергии.

В 1839 году Якоби был избран членом-корреспондентом, а в 1842 году - членом Академии Наук и в дальнейшем занимался, в основном, развитием электромагнитного телеграфа, гальванотехники и метрологии. Неоднократно он встречался с Майклом Фарадеем, известными французскими и немецкими физиками того времени.

В середине 19-го века было разработано еще несколько разновидностей двигателей постоянного тока, но их практическому применению воспрепятствовали малая мощность и, как установил уже Якоби, недостаточная экономическая эффективность источников электропитания того времени - гальванических элементов и примитивных электромашинных генераторов. Более широко применение электродвигателей стало возможным только в 1866 году после появления генераторов постоянного тока с самовозбуждением.

После появления многофазной системы переменного тока немецкая фирма АЭГ стала исследовать возможности использования асинхронных двигателей, изобретенных ее главным инженером Михаилом Доливо-Добровольским (на немецкий лад Michael von Dolivo-Dobrowolsky) и представил 8 марта 1889 заявление на патентование короткозамкнутого асинхронного двигателя. После этого началось широкое применение надежных и высокоэффективных двигателей переменного тока. В настоящее время все вышеназванные электродвигатели достигли очень высокого технического уровня и находят широчайшее применение в стационарных установках, а в последнее время все чаще и в средствах передвижения.

В основу работы любых электродвигателей положен принцип электромагнитной индукции. Электродвигатель состоит из неподвижной части — статора (для асинхронных и синхронных движков переменного тока) либо индуктора (для движков постоянного тока) и подвижной части — ротора (для асинхронных и синхронных движков переменного тока) либо якоря (для движков постоянного тока). В роли индуктора на маломощных двигателях постоянного тока нередко используются постоянные магниты.

Все двигатели, грубо говоря можно поделить на два вида:
двигатели постоянного тока
двигатели переменного тока (асинхронные и синхронные)

Двигатели постоянного тока

По неким мнениям данный двигатель возможно еще назвать синхронной машиной постоянного тока с самосинхронизацией. Простой движок, являющийся машиной постоянного тока, состоит из постоянного магнита на индукторе (статоре), 1-го электромагнита с очевидно выраженными полюсами на якоре (двухзубцового якоря с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой), щёточноколлекторного узла с 2-мя пластинами (ламелями) и 2-мя щётками.
Простой двигатель имеет 2 положения ротора (2 "мёртвые точки"), из которых неосуществим самозапуск, и неравномерный крутящий момент. В первом приближении магнитное поле полюсов статора равномерное (однородное).

Данные двигатели с наличием щёточно-коллекторного узла бывают:

Колекторные - электрическое устройство, в котором датчиком положения ротора и переключателем тока в обмотках является одно и то же устройство — щёточно-коллекторный узел.

Бесколекторные - замкнутая электромеханическая система, состоящая из синхронного устройства с синусоидальным распределением магнитного поля в зазоре, датчика положения ротора, преобразователя координат и усилителя мощности. Более дорогой вариант в сравнение с колекторными двигателями.

Двигатели переменного тока

По типу работы данные двигатели делятся на синхронные и асинхронные двигатели. Принципное отличие заключается в том, что в синхронных машинах 1-ая гармоника магнитодвижущей силы статора перемещается со скоростью вращения ротора (по этому сам ротор крутится со скоростью вращения магнитного поля в статоре), а у асинхронных — есть и остается разница меж скоростью вращения ротора и скоростью вращения магнитного поля в статоре (поле крутится быстрее ротора).

Синхронный - двигатель переменного тока, ротор которого крутится синхронно с магнитным полем питающего напряжения. Эти движки традиционно применяются при огромных мощностях (от сотен киловатт и выше).
Есть синхронные двигатели с дискретным угловым движением ротора — шаговые двигатели. У них данное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение исполняется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие обмотки двигателя.
Ещё один вид синхронных движков — вентильный реактивный эл-двигатель, питание обмоток которого складывается с помощью полупроводниковых элементов.

Асинхронный - двигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора различается от частоты крутящего магнитного поля, творимого питающим напряжением, второе название асинхронных машин - индукционные обосновано тем, что ток в обмотке ротора индуцируется вертящимся полем статора. Асинхронные машины сейчас оформляют огромную часть электрических машин. В главном они используются в виде электродвигателей и считаются ключевыми преобразователями электрической энергии в механическую, причём в основном используются асинхронные движки с короткозамкнутым ротором

По количеству фаз двигатели бывают:

• однофазные
• двухфазные
• трехфазные

Самые популярные и шыроковостребованые двигатели которые применяются в производстве и бытовом хозяйстве:

Однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Однофазовый асинхронный движок имеет на статоре только 1 рабочую обмотку, на которую в ходе работы мотора подается переменный ток. Хотя для запуска мотора на его статоре есть и вспомогательная обмотка, которая краткосрочно подключается к сети через конденсатор либо индуктивность, или замыкается накоротко пусковыми контактами рубильника. Это нужно для создания исходного сдвига фаз, чтоб ротор начал крутиться, по другому пульсирующее магнитное поле статора не здвинуло б ротор с места.

Ротор такового мотора, как и любого иного асинхронного мотора с короткозамкнутым ротором, являет из себя цилиндрический сердечник с залитыми алюминием пазами, с сразу отлитыми вентиляционными лопастями.
Таковой ротор именуется короткозамкнутым ротором. Однофазовые движки используются в маломощных устройствах, в том числе комнатные вентиляторы либо маленькие насосы.

Двухфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Двухфазные асинхронные движки более эффективны при работе от однофазовой сети переменного тока. Они содержат на статоре две рабочие обмотки, находящиеся перпендикулярно, при этом одна из обмоток подключается к сети переменного тока напрямую, а вторая – через фазосдвигающий конденсатор, так выходит крутящееся магнитное поле, а вот без конденсатора ротор бы не двинулся с места.

Данные двигатели помимо прочего имеют короткозамкнутый ротор, а их использование еще обширнее, нежели у однофазовых. Тут уже и стиральные машинки, и разные станки. Двухфазные движки для питания от однофазовых сетей называют конденсаторными двигателями, потому что фазосдвигающий конденсатор считается часто обязательной их частью.

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Трехфазный асинхронный двигатель имеет на статоре три рабочие обмотки, сдвинутые сравнительно друг друга так, что при подключении в трехфазную сеть, их магнитные поля получаются смещенными в пространстве сравнительно друг дружку на 120 градусов. При включении трехфазного мотора к трехфазной сети переменного тока, появляется крутящееся магнитное поле, приводящее в перемещение короткозамкнутый ротор.

Обмотки статора трехфазного мотора возможно соединить по схеме «звезда» либо «треугольник», при этом для питания мотора по схеме «звезда» потребуется напряжение выше, чем для схемы «треугольник», и на движке, потому, указываются 2 напряжения, к примеру: 127/220 либо 220/380. Трехфазные движки незаменимы для приведения в действие разных станков, лебедок, циркулярных пил, подъемных кранов, и т.п.

Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

Трехфазный асинхронный движок с фазным ротором имеет статор подобный описанным выше типам движков, шихтованный магнитопровод с 3-мя уложенными в его пазы обмотками, но в фазный ротор не залиты дюралевые стержни, а уложена уже настоящая трехфазная обмотка, в соединении «звезда». Концы звезды обмотки фазного ротора выведены на три контактных кольца, насаженных на вал ротора, и электрически отделенных от него.

Посредством щеток, на кольца помимо прочего подается трехфазное переменное напряжение, и включение может быть осуществлено как впрямую, так и через реостаты. Непременно, движки с фазным ротором стоят подороже, хотя их пусковой момент под нагрузкой значительно повыше, нежели у типов движков с короткозамкнутым ротором. Именно в следствие завышенной силы и огромного пускового момента, данный вид движков отыскал использование в приводах лифтов и подъемных кранов, другими словами там, где прибор запускается под нагрузкой а не в холостую, как у двигателей с короткозамкнутым ротором.

Основным назначением любого двигателя является сообщение (передача) механической энергии рабочим органам производственных механизмов, необходимой им для совершения определенных технологических операций. Эту механическую энергию электродвигатель вырабатывает за счет электрической энергии, потребляемой им из электрической сети, к которой он подсоединен. Другими словами, электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
Количество механической энергии, вырабатываемой двигателем в единицу времени, называется его мощностью. Механическая мощность на валу двигателя определяется произведением вращающего момента двигателя и его частоты вращения. Отметим, что некоторые двигатели имеют поступательное движение, поэтому их механическая мощность зависит от развиваемого двигателем усилия и скорости этого поступательного движения.
В зависимости от характера питающего напряжения различают двигатели постоянного и переменного тока. К числу наиболее распространенных двигателей постоянного тока относятся, например, двигатели с независимым, последовательным и смешанным возбуждением, а примерами двигателей переменного тока являются асинхронные и синхронные двигатели.
Несмотря на многообразие существующих электродвигателей (в том числе и специального назначения), действие любого из них основано на взаимодействии магнитного поля и проводника с электрическим током либо магнитного поля и ферромагнитного тела или постоянного магнита.
Рассмотрим взаимодействие магнитного поля и проводника с электрическим током. Предположим, что В магнитное поле магнита с полюсами N-S (рис. 1),
Рис. I. Взаимодействие магнитного поля и проводника с током.
силовые линии поля которого показаны тонкими линиями, перпендикулярно к этим линиям помещен проводник стоком I. Тогда по известному физическому закону на этот проводник будет действовать сила F (сила Ампера), которая пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника I и силе тока I:
F=BlI. (1)
Направление действующей на проводник силы F может быть определено так называемым правилом левой руки: если пальцы левой руки вытянуть по направлению тока I, а ладонь расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в нее, то отогнутый большой палец покажет направление действия силы F.
Отметим, что в соответствии с законом электромагнитной индукции проходящий по проводнику ток создаст свое магнитное поле с концентрическими силовыми линиями вокруг проводника (на рис. 1 это поле не показано), в связи с чем картина магнитного поля между полюсами магнита несколько изменится. Однако это обстоятельство не изменяет существа рассматриваемого явления.
Изображенная на рис. 1 схема может служить простейшей моделью двигателя поступательного движения, поскольку под действием силы F проводник с током стремится совершить прямолинейное перемещение в направлении действия этой силы.
Для пояснения принципа образования вращающего момента в двигателях вращательного движения рассмотрим поведение в поле того же магнита рамки с током, состоящей из проводников А и Б (рис. 2,а). Ток к проводникам рамки подводится от внешнего источника постоянного тока через два контактных кольца К, укрепленных на оси вращения рамки 00".

При изображенных на рис. 2,а положении рамки и направлениях тока и магнитного поля на проводники рамки А и Б будут действовать силы F, имеющие в соответствии с правилом левой руки указанные на рисунке направления. Эти силы создадут относительно оси рамки 00" вращающий момент М, под действием которого рамка начнет вращаться против часовой стрелки.
В курсе физики показывается, что этот момент прямо пропорционален силе тока I, индукции магнитного поля В, площади рамки с током 5 и зависит от угла а между линиями магнитного поля и осью рамки аа у перпендикулярной к ее плоскости:
M-BIS sin а-Мтах sin а, (2)
где Mmax=BIS - максимальный момент, развиваемый рамкой. При положении рамки, изображенной на рис. 2,а, угол а-90°, поэтому момент, действующий на рамку, максимален.


Рис. 2. Принцип действия двигателя постоянного тока. а - образование момента при а=90°; б - образование момента при а=270": е - образование постоянного по направлению вращающего момента.
Рассмотрим теперь другое положение рамки, когда она повернется на половину оборота и проводник А окажется уже под полюсом 5, а проводник Б - под полюсом N (рис. 2,6). Поскольку направление тока в проводниках сохранялось прежним, то по тому же правилу левой руки можно определить, что в этом положении рамки действующая на ее проводники сила F изменила свое направление на противоположное. Соответственно изменится на противоположное и направление вращающего момента М, который будет стремиться повернуть рамку уже в другую сторону, по часовой стрелке. Такой же вывод нетрудно сделать и на основании анализа формулы (2): так как угол а стал равен 270° (90°-f -)-180°) или, что то же самое, -90°, то sin а=-1 и момент изменил свой знак на противоположный.
Таким образом, рамка под действием изменяющегося по направлению момента будет совершать колебательное движение относительно своей оси вращения 00". Такое устройство, очевидно, не может быть положено в основу двигателя вращательного движения постоянного направления, от которого обычно требуется момент постоянного направления и неизменное направление вращения.
Что же необходимо предпринять, чтобы образовывающийся вращающий момент на рамке имел постоянное направление? Нетрудно заметить, что для этого есть две принципиальные возможности:
1) изменять направление тока в проводниках рамки при изменении положения проводников под полюсами магнитной системы;
2) изменять направление магнитного поля при вращении рамки и неизменном направлении тока в ней, гили, другими словами, создавать вращающееся маг- агатное поле.
Первый из названных принципов использован в двигателях постоянного тока, второй - составляет основу работы двигателей переменного тока.
Рассмотрим вначале образование постоянного по направлению вращающего момента путем изменения направления тока в рамке и тем самым выясним принцип действия двигателей постоянного тока.
Для изменения направления тока в проводниках рамки необходимо, очевидно, иметь устройство, которое изменяло бы направление тока в рамке в зависимости от положения ее проводников.
Простейшее из возможных механических устройств такого типа может быть реализовано путем несложного изменения конструкции скользящих контактов К (рис. 2,а, б), служащих для подвода тока к рамке. Это преобразование заключается в замене двух контактных колец одним, но состоящим из двух изолированных друг от друга половинок (сегментов), к которым и подсоединяются проводники рамки А и Б (рис. 2,в). В этом случае, при повороте рамки на половину оборота направление тока в проводниках изменится на противоположное, поэтому вращающий момент сохранит свое направление и рамка будет продолжать вращаться в том же направлении. Подобное механическое переключающее устройство, называемое коллектором, используется в обычных двигателях постоянного тока. В некоторых специальных конструкциях двигателей, рассмотренных ниже, это переключающее устройство делается бесконтактным (электронным).
Реальный двигатель постоянного тока, упрощенная схема которого показана на рис. 3, имеет, конечно же, гораздо более сложную конструкцию по сравнению с показанной на рис. 2,в. Для получения большого вращающего момента берется обычно несколько десятков рамок, которые образуют обмотку 1 якоря. Проводники обмотки якоря размещаются в пазах цилиндрического ферромагнитного сердечника 2, а их концы присоединены к соответствующему количеству изолированных друг от друга сегментов кольца, образующего коллектор (на рисунке не показан).


Рис. 3. Схема двигателя постоянного тока.
Рис. 4 Принцип действия синхронного двигателя. а - равновесное положение; б - образование вращающего момента
Сердечник, обмотка и коллектор образуют якорь двигателя, который вращается в подшипниках, установленных в корпусе двигателя. Ток к проводникам якоря подводится от сети постоянного тока с помощью скользящих щеточных контактов.
Магнитное поле создается полюсами 3 магнита, расположенными в корпусе 4 двигателя. Это магнитное поле обычно называют полем возбуждения. Для его образования могут использоваться постоянные магниты или электромагниты.
Обмотку электромагнита обычно называют обмоткой возбуждения (позиция 5 на рис. 3). Обмотка возбуждения подключается к сети постоянного тока и может быть включена независимо от обмотки якоря или последовательно с ней. В первом случае двигатель называется двигателем с независимым возбуждением, во втором случае - с последовательным возбуждением.
Некоторые двигатели постоянного тока имеют две обмотки возбуждения - независимую и последовательную. Такие двигатели получили название двигателей со смешанным возбуждением. Число полюсов магнитного поля возбуждения может быть и более двух, например четыре, как это показано на рис. 3.
Перейдем теперь к рассмотрению двигателей переменного тока.
Вновь обратимся к опытам с рамкой и рассмотрим ее положение, показанное на рис. 4,а. Заметим, что этот рисунок представляет собой упрощенный фронтальный вид схемы рис. 2,а, причем направление тока в проводнике, втекающего в плоскость чертежа, обозначено крестиком, а вытекающего из плоскости чертежа - точкой.
Из формулы (2) следует, что в изображенном горизонтальном положении рамки вращающий момент, действующий на рамку, равен нулю (а=0), хотя действующие на проводники А и Б силы отличны от нуля. Объяснение этого положения состоит в том, что направление действия этих сил проходит через ось вращения рамки 00", поэтому плечо сил F относительно этой оси равно нулю и вращающий момент не создается.
Такое положение рамки является равновесным, и она сохраняет состояние покоя.
Повернем теперь каким-то образом магнит N-S по часовой стрелке на некоторый угол а, не изменяя направление тока в проводниках, как это показано на рис. 4,6. Нетрудно заметить, что такой поворот магнита вызовет изменение направления действия сил F и появление плеча приложения этих сил относительно оси вращения рамки. В результате на рамку в соответствии с формулой (2) начнет действовать вращающий момент, стремящийся вернуть рамку в равновесное положение, и рамка вследствие этого повернется вслед за магнитом на тот же угол а.
Если теперь начать равномерно вращать магнит N-S, то и рамка будет вращаться в том же направлении синхронно с вращением магнитного поля, так как при появлении «несинхронизма» между вращением поля 12 и рамки (а=/=О) на последнюю сразу же начинает действовать момент, стремящийся синхронизировать это вращение. Двигатели, использующие этот принцип, получили поэтому название синхронных двигателей, а их момент, определяемый с помощью формулы (2), часто называют синхронизирующим моментом.
Итак, для работы синхронного двигателя необходимо создать вращающееся магнитное поле и поместить в него проводники, обтекаемые неизменным по направлению током.
Рассмотрим, как в реальных двигателях переменного тока получается вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле синхронного двигателя образуется с помощью системы обмоток, подключаемых к сети переменного тока. Обычно в синхронных двигателях используются трехфазные обмотки, уложенные в пазы сердечника статора двигателя с определенным пространственным сдвигом по окружности. В теории электрических машин показывается, что если такую обмотку подключить к трехфазной сети переменного тока, то токи образуют вращающееся в воздушном зазоре двигателя магнитное поле, частота вращения которого п0 определяется частотой тока в сети f и числом пар полюсов двигателя р, образованных обмоткой статора:

Взаимодействие этого вращающегося магнитного поля с током в проводниках обмотки ротора и вызовет вращение синхронного двигателя, которое будет происходить синхронно с вращением магнитного поля статора.
При отсутствии момента нагрузки на валу синхронного двигателя оси магнитных полей статора и ротора совпадают (сс=0), двигатель не развивает момента и вращается с частотой п0. При появлении на в я л у двигателя момента сопротивления (нагрузки) ось поля ротора начнет отставать от оси поля статора, и этот процесс будет происходить до тех пор, пока при некотором угле аф0 вращающий (синхронизирующий) момент двигателя не станет равным моменту нагрузки. Синхронный двигатель будет продолжать вращаться с частотой щ, преодолевая момент сопротивления на своем палу.
Такое положение будет сохраняться до значения максимального момента двигателя, соответствующего углу «=90°. При дальнейшем увеличении момента нагрузки синхронный двигатель, как говорят, «выпадает из синхронизма» и останавливается. Таким образом, синхронный двигатель может преодолевать лишь определенный, номинальный момент сопротивления, который у синхронных двигателей соответствует углу а=20-30°.
Упрощенная схема синхронного двигателя приведена на рис. 5. В корпусе двигателя в пазах сердечника I укладывается трехфазная обмотка переменного тока 2, которая при подключении ее к сети переменного тока образует вращающееся магнитное поле. Сердечник с обмоткой образуют неподвижную часть двигателя - статор.
Роль рамки с током выполняет обмотка возбуждения 3 двигателя, расположенная на ферромагнитном сердечнике 4. Обмотка возбуждения имеет несколько десятков витков (рамок) и подключается к сети постоянного тока через контактные кольца и щеточный контакт (на рис. 5 эти части двигателя не показаны).
Обмотка возбуждения, сердечник и контактные кольца вместе с валом двигателя образуют ротор двигателя - его вращающуюся часть.
Синхронный двигатель, построенный по схеме рис. 5, обычно называют явнополюсным, что связано с наличием полюсов у сердечника ротора. Наряду с этим имеются так называемые неявнополюсные синхронные двигатели, у которых сердечник ротора не имеет явно выраженных полюсов.

Рис. 5. Схема синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением.
Действие синхронного двигателя может основываться помимо рассмотренного выше принципа взаимодействия магнитного поля и проводника с током также и на принципе взаимодействия магнитного поля с постоянным магнитом или ферромагнитным телом. Для иллюстрации этого принципа рассмотрим поведение постоянного магнита 2, помещенного в поле магнита 1, как это показано на рис. 6. Из курса физики известно, что разноименные полюсы двух магнитов всегда притягиваются, а одноименные - отталкиваются. В соответствии с этим магнит 2 займет положение, при котором его северный полюс будет находиться у южного полюса магнита 1, а южный - у северного. Это положение будет являться равновесным для рассматриваемой системы из двух магнитов.


Рис. 6. Схема синхронного двигателя.
Рис. 7. Принцип действия асинхронного двигателя.
Отметим при этом очень важное обстоятельство: равновесное положение одновременно соответствует минимальному магнитному сопротивлению на пути магнитного потока и минимальному искривлению силовых линий магнитного поля. Другими словами, магниты стремятся занять такое взаимное положение, при котором линии магнитного поля мало искривляются, а магнитное сопротивление магнитному потоку минимально.
Теперь уже нетрудно выяснить, что будет происходить с магнитом 2, если начать вращать магнит I. Очевидно, он тоже начнет вращаться вместе с магнитом I, стремясь сохранить равновесное положение, причем частоты вращения обоих магнитов будут одинаковы (синхронны). Синхронные двигатели, роторы которых представляют собой постоянные магниты, называются синхронными двигателями с постоянными магнитами.
Такое же синхронное вращение ротора можно получить и в том случае, если вместо постоянного магнита 2 поместить в поле постоянного магнита I ферромагнитное тело такой же формы. Будучи помещенным в магнитное поле, ферромагнитный ротор намагнитится, причем у северного полюса магнита образуется южный полюс, а у южного полюса магнита - северный полюс ферромагнитного тела. Такое положение ферромагнитный ротор будет стремиться сохранить и при вращении магнитного поля, что и обусловливает работу синхронного двигателя с ротором в виде ферромагнитного тела. Такой тип двигателя получил название синхронного двигателя с реактивным ротором. Отметим, что для работы такого двигателя его ротор принципиально должен иметь явно выраженные полюсы, причем их число (не обязательно два) должно быть равно числу полюсов вращающегося магнитного поля.
Образование вращающегося магнитного поля синхронного двигателя реактивного и с постоянными магнитами происходит так же, как и у обычного синхронного двигателя, - с помощью статорной обмотки, подключаемой к сети переменного тока.
Для пояснения принципа работы другого, весьма распространенного типа двигателя переменного тока - асинхронного - вновь обратимся к опытам с рамкой, помещенной в магнитное поле. Однако на этот раз не будем подводить ток к рамке, а сделаем ее замкнутой, как это показано на рис. 7. Выясним, что будет происходить с такой рамкой, если вновь начать вращать полюсы магнита, допустим, с частотой вращения по по часовой стрелке.
Поскольку рамка вначале неподвижна, то при повороте магнита начнет изменяться магнитный поток, проходящий через рамку. Тогда в соответствии с законом электромагнитной индукции (закон Фарадея) в рамке начнет наводиться (индуцироваться) электродвижущая сила (ЭДС) индукции, под действием которой по проводникам рамки начнет протекать ток. Взаимодействие этого тока с магнитным полем приведет к появлению вращающего момента, под действием которого рамка начнет вращаться. В этом и состоит принцип действия асинхронного двигателя.
Для определения направления вращения рамки применим закон Ленца, согласно которому токи, протекающие в рамке при изменений магнитного потока через ее контур, имеют такое направление, при котором они препятствуют этому изменению. А поскольку в проводимом опыте это изменение вызвано вращением магнитного поля, токи в рамке будут иметь такое направление, при котором образующийся вращающий момент будет поворачивать рамку в том же направлении, что и поле, так как только в этом случае будет иметь место уменьшение изменения магнитного потока через контур рамки. Таким образом, рамка начнет вращаться в том же направлении, что и поле, но с частотой вращения п.
Отметим при этом одно принципиально важное обстоятельство - частота вращения рамки п всегда будет несколько меньше частоты вращения магнитного поля п0. Действительно, если предположить обратное, т. е. , что частоты вращения рамки и поля одинаковы, то магнитный поток через контур рамки не будет изменяться, не будут соответственно индуцироваться ЭДС и токи в рамке и вращающий момент исчезнет.
Таким образом, для создания на рамке вращающего момента принципиально необходимо различие между частотами вращения магнитного поля п0 и рамки п, т. е. асинхронность (несинхронность) их вращения, что и нашло свое отражение в названии этого вида электрического двигателя. Степень различия этих частот, вращения численно характеризуется так называемым скольжением асинхронного двигателя s, определяемым по формуле

Необходимо при этом заметить, что при появлении на оси рамки момента нагрузки вследствие уменьшения частоты вращения рамки п (рамка тормозится) увеличится скольжение двигателя и магнитный поток через контур рамки начнет изменяться сильнее. При этом начнут увеличиваться ЭДС и токи в рамке и соответственно вращающий момент двигателя. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока при некоторой частоте вращения рамки вращающий момент рамки не уравновесит момент нагрузки и не наступит новый установившийся режим работы. При снижении нагрузки происходит обратный процесс.
Итак, для работы асинхронного двигателя необходимо иметь вращающееся магнитное поле и замкнутые рамки (контуры) на вращающейся части двигателя - риторе.
Вращающееся магнитное поле асинхронного двигателя (рис. 8) образуется так же, как у синхронного,- с помощью обмоток 2, расположенных в пазах пакета I статора и подключаемых к сети переменного тока.
Обмотки 3 ротора асинхронного двигателя состоят обычно из нескольких десятков замкнутых рамок (контуров) и имеют два основных исполнения: короткозамкнутое и фазное.
При выполнении короткозамкнутой обмотки проводники, уложенные в пазы ферромагнитного пакета 4 ротора, замыкаются накоротко. Обычно такая обмотка получается заливкой расплавленного алюминия в пазы пакета и имеет название «беличья клетка».
При изготовлении «фазной» обмотки концы фаз обмотки выводятся наружу через скользящие контакты (кольца), что позволяет включать в цепь ротора различные добавочные резисторы, необходимые, например, для пуска двигателя или регулирования его частоты вращения.

Рис. 8. Схема асинхронного двигателя.
Необходимо заметить, что для получения вращающего момента асинхронного двигателя не обязательно размещать на роторе обмотку из электрических проводников. Можно изготовить ротор просто в виде сплошного ферромагнитного цилиндра и поместить его в обычный статор асинхронного двигателя. Тогда при подключении обмоток статора к сети и появлении вращающегося магнитного поля в массивном теле ротора будут индуцироваться так называемые вихревые токи (токи Фуко), направление которых также определяется законом Ленца. При взаимодействии этих токов с магнитным полем создается вращающий момент, под действием которого сплошной ротор начинает вращаться по направлению вращения магнитного поля, как и обычный ротор с обмоткой. Такие двигатели получили название асинхронных двигателей с массивным ротором.
Отметим, что вихревые токи возникают, конечно, и 9 сердечнике обычного ротора с обмоткой, однако в этом случае они являются вредными, поскольку вызывают дополнительный нагрев ротора. Обычно их действие стараются ослабить, для чего сердечник ротора собирают (шихтуют) из отдельных изолированных друг от друга листов электротехнической стали, создавая тем самым для вихревых токов большое электрическое сопротивление. В этом случае сердечник часто называют пакетом.
Рассмотренные в этом разделе общие принципы работы двигателей постоянного и переменного тока составляют физическую основу работы и двигателей специального назначения.
Электродвигатели как общего, так и специального назначения характеризуются номинальными данными, к которым относятся мощность на валу двигателя, напряжение, ток, частота вращения, КПД и некоторые другие величины. Основные номинальные данные регламентируются государственными стандартами (ГОСТ) на электрические машины и указываются в паспорте.
Номинальным данным двигателя соответствует нормальный тепловой режим его работы, при котором температура всех частей двигателя не превосходит допустимого уровня. Для обеспечения такого режима двигатель соответствующим образом рассчитывается и имеет систему охлаждения (вентиляции).
По способу охлаждения различают:
двигатели с естественным охлаждением, при котором нет специальных приспособлений для вентиляции;
двигатели с внутренней и внешней самовентиляцией, охлаждение которых осуществляется вентилятором, расположенным на валу двигателя и вентилирующим соответственно внутреннюю полость или внешнюю поверхность двигателя;
двигатели с независимым охлаждением, которые охлаждаются с помощью отдельного вентилятора («наездника»), имеющего собственный привод.
Работа двигателей характеризуется также и некоторыми другими величинами, которые непосредственно не указываются в его паспорте - номинальным моментом, соответствующим номинальным данным двигателя, и пусковыми моментом и током, которые соответствуют моменту пуска (подключения к сети) двигателя. При анализе работы двигателя значения пусковых момента и тока обычно сравнивают с соответствующими номинальными значениями. Момент и ток двигателя при пуске не должны превосходить определенных допустимых значений, определяемых условиями нагрева двигателя и нормальной работы его коллекторно-щеточного узла.

Электродвигатель предназначен для преобразования электрической энергии в механическую энергию. Это – одно из самых важных электротехнических устройств, без которого немыслима жизнь современного человечества.

Электродвигатель постоянного тока: принцип работы

Если проводник с током поместить в магнитное поле, то он придет в движение. Это продемонстрировал в 1821 году Майкл Фарадей, потом этот принцип был положен в основу работы электродвигателя.

Если поместить рамку с током в поле постоянного магнита, то на нее будет действовать сила, поворачивая вокруг оси вращения. Движение будет осуществляться до тех пор, пока система не придет в равновесие. В этот момент нужно изменить полярность тока в рамке, и движение продолжится. Постоянно меняя полярность тока в рамке, можно получить ее непрерывное вращение. Для этого ток в нее подается через контактные пластины на валу, называемые коллектором , соединенный с источником питания через подпружиненные щетки. При вращении пластины коллектора получают питание то от положительного полюса источника, то от отрицательного.

Коллекторы современных двигателей постоянного тока имеют большое число выводов (ламелей ), что позволяет им работать устойчивее и достигать больших скоростей вращения. Питание к ним подводится через графитовые или медно-графитовые щетки .

Постоянные магниты, в силу непостоянства их магнитного потока, заменяют электромагнитами, обмотки которых располагают в неподвижной части двигателя, называемой статором . Вращающуюся же часть электродвигателя с обмоткой постоянного тока называют якорем .

Статор и якорь имеют сердечники для усиления электромагнитных свойств. Их изготавливают наборными из тонких металлических пластин, изолированных друг от друга специальным термостойким лаком. Это снижает потери на вихревые токи, нагревающие сердечники и снижающие коэффициент полезного действия двигателя. Сердечники имеют сложную форму. В них сделаны пазы, в которые укладываются обмотки.

Принцип работы асинхронного электродвигателя переменного тока

Переменный ток для электродвигателей удобен тем, что можно отказаться от коллекторных схем, изменяющих фазу тока в обмотке на валу двигателя, называемой уже не якорем, а ротором . На переменном токе она сама изменяется по синусоидальному закону. Но есть и сложность: магнитное поле статора тоже изменяется по синусоидальному закону. Поэтому обмотки статора разных фаз разделяется на несколько частей и располагаются в пространстве в определенном порядке.

Принцип работы двигателя переменного тока немного отличается от постоянного. Вращающееся по кругу магнитное поле статора создает магнитный поток, за счет которого в обмотке ротора создается ЭДС. Проводники обмотки замкнуты накоротко, поэтому по ним течет ток. Взаимодействие вращающегося магнитного поля статора с током в короткозамкнутом роторе приводит к его вращению.

При этом скорость, с которой вращается ротор меньше скорости вращения магнитного поля в статоре. Поэтому эти двигатели и называют асинхронными .

Если обмотки ротора выполнить не короткозамкнутыми, а вывести их концы на контактные кольца, то получится электродвигатель с фазным ротором . Включая в цепь ротора резисторы, можно регулировать скорость вращения. Это позволяет применять такие двигатели на кранах и экскаваторах. Все мощные асинхронные электродвигатели тоже имеют фазный ротор. Плавное или ступенчатое изменение величины сопротивления в цепи ротора во время пуска позволяет снизить пусковые токи и плавно разгонять приводимый во вращение агрегат.

Принцип действия синхронного электродвигателя переменного тока

Как видно из названия, ротор этого электродвигателя вращается с той же скоростью, что и магнитное поле статора, подключенного к сети переменного тока. В ротор же через контактные кольца и щетки подается постоянный ток, называемый током возбуждения. Регулируя величину тока в роторе, можно менять режим работы электродвигателя.

При определенных параметрах возбуждения получается режим, когда синхронный двигатель начинает отдавать в сеть реактивную мощность. Это – полезное свойство, позволяющее отказаться от применения установок компенсации реактивной мощности на предприятиях, где работают такие двигатели.

Однофазные электродвигатели переменного тока

Самая распространенная конструкция однофазного электродвигателя включает в себя обмотку на статоре и последовательно соединенную с ней обмотку якоря. Соединение происходит через щетки и коллектор якоря с большим количеством ламелей. Обмотки расположены так, что при взаимодействии подключенной в данный момент к цепи обмотки якоря с магнитным полем статора создается вращающий момент. Якорь поворачивается, и подключенной оказывается следующая обмотка. За счет этого момент вращения всегда остается постоянным.

Другая конструкция использует ротор с короткозамкнутыми обмотками и две обмотки на статоре. Одна из них включается через конденсатор, создающий при работе электродвигателя сдвиг фаз между токами и напряжениями в обмотках. Получается некоторое подобие асинхронного электродвигателя, но работающего не на трех, а на двух «фазах».