Электродвигатель: принцип работы и устройство¶

Электродвигатель — это электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую энергию вращательного или поступательного движения. Основан на взаимодействии магнитного поля с током, протекающим по проводнику. Широко применяется в промышленности, транспорте, бытовой технике и электронике.

¶Физический принцип работы

Работа любого электродвигателя опирается на два фундаментальных эффекта:

1. Сила Ампера — на проводник с током, помещённый во внешнее магнитное поле, действует сила, направленная перпендикулярно и полю, и проводнику. Её величина пропорциональна силе тока, длине проводника и магнитной индукции.
2. Электромагнитная индукция — при движении проводника в магнитном поле (или изменении поля) в нём возникает ЭДС, направленная навстречу току (ЭДС индукции).

Первый эффект создаёт вращающий момент, второй порождает встречную ЭДС (так называемую ЭДС обратной связи), которая ограничивает силу тока в обмотке.

¶Устройство и основные элементы

Независимо от типа, электродвигатель состоит из двух главных частей:

• Статор — неподвижная часть, создающая вращающееся магнитное поле. Представляет собой сердечник из электротехнической стали с уложенными в пазы обмотками.
• Ротор — вращающаяся часть, на которую передаётся момент. Может быть короткозамкнутым (без обмотки, со стержнями, замкнутыми кольцами по краям) или фазным (с трёхфазной обмоткой, подключаемой через щёточный механизм).

Между статором и ротором сохраняется воздушный зазор — обычно доли миллиметра, что необходимо для вращения при минимальных магнитных потерях.

¶Как работает асинхронный двигатель

Наиболее распространённый тип — трёхфазный асинхронный двигатель. Принцип его работы:

1. Трёхфазный ток, подаваемый на обмотки статора, создаёт вращающееся магнитное поле, вращающееся с синхронной скоростью, определяемой частотой сети и числом пар полюсов.
2. Это поле «наводит» ЭДС в короткозамкнутой обмотке ротора (по закону электромагнитной индукции). Возникающий ток взаимодействует с полем статора и создаёт вращающий момент.
3. Ротор начинает вращаться, но его скорость всегда немного меньше синхронной — иначе поле перестало бы «пересекать» проводники ротора, и ЭДС исчезла бы. Разница называется скольжением и составляет обычно 2–8 %.

Эта особенность и дала название «асинхронный»: ротор вращается не синхронно с полем.

¶Как работает синхронный двигатель

В синхронном двигателе на роторе расположены постоянные магниты или обмотка возбуждения, питаемая отдельным источником. Ротор «цепляется» за вращающееся поле статора и вращается строго с его скоростью — без скольжения. Такие двигатели применяются там, где важна точная скорость: в приводах станков, компрессорах, электротранспорте.

¶Как работает коллекторный двигатель

В двигателе постоянного тока с коллектором щёточно-коллекторный узел выполняет роль механического инвертора: он периодически меняет направление тока в обмотке ротора, когда проводник проходит зону нейтральной линии между полюсами. Без этого момент менял бы знак, и вал не вращался. Такой двигатель работает и от переменного тока — это принцип работы большинства бытовых инструментов и электроинструментов.

¶Основные характеристики

¶Потери и КПД

В электродвигателе происходят потери:

• Медные — нагрев обмоток из-за сопротивления (пропорциональны квадрату тока).
• Магнитные — потери в сердечнике на перемагничивание и вихревые токи.
• Механические — трение в подшипниках, вентиляторное сопротивление.

Суммарные потери у современных асинхронных двигателей составляют 4–25 % от потребляемой мощности.

¶Область применения

Электродвигатели — самый массовый вид электрических машин. По данным Международного энергетического агентства, на их долю приходится около половины мирового потребления электроэнергии. Они приводят в действие насосы, вентиляторы, конвейеры, станки, электромобили, поезда, бытовую технику (холодильники, стиральные машины, пылесосы).

¶Классификация

По типу питающего тока:

• двигатели переменного тока (асинхронные, синхронные);
• двигатели постоянного тока (коллекторные, бесколлекторные).

По виду движения:

• вращательные (наиболее распространены);
• линейные (поступательное движение).

¶Историческая справка

Первые электродвигатели созданы в 1820–1830-х годах после открытия взаимодействия тока и магнита. В 1834 году Борис Якоби построил работающий электродвигатель и продемонстрировал его на судне. В 1888 году Никола Тесла и Михаил Доливо-Добровольский разработали конструкцию трёхфазного асинхронного двигателя, ставшего основой современной электроэнергетики.

Источники:

• Электротехнический справочник, том 2. Электрические машины
• Копылов И. П. «Электрические машины»
• РД 34.30.304 — Инструкция по эксплуатации асинхронных двигателей
• Международное энергетическое агентство, отчёт «Motors» (2011)