Что представляет собой статор электрического двигателя. Электрический двигатель — принцип работы электродвигателя

Электродвигатель – это электротехническое устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Сегодня повсеместно применяются электромоторы в промышленности для привода различных станков и механизмов. В домашнем хозяйстве они установлены в стиральной машине, холодильнике, соковыжималке, кухонном комбайне, вентиляторах, электробритвах и т. п. Электродвигатели приводят в движение, подключенные к ней устройства и механизмы.

В этой статье Я расскажу о самых распространенных видах и принципах работы электрических двигателей переменного тока, широко используемых в гараже, в домашнем хозяйстве или мастерской.

Как работает электродвигатель

Двигатель работает на основе эффекта , обнаруженного Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращение.

Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться.

В результате рамка повернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент.

На рисунке это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.

В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.

В быту же постоянные магниты используются в детских игрушках на батарейках.

В других же более мощных двигателях используются только электромагниты или обмотки. Вращающаяся часть с ними называется ротор, а неподвижная- статор.

Виды электродвигателей

Сегодня существуют довольно много электродвигателей разных конструкций и типов. Их можно разделить по типу электропитания :

Переменного тока , работающие напрямую от электросети.
Постоянного тока , которые работают от батареек, АКБ, блоков питания или других источников постоянного тока .

По принципу работы:

Синхронные , в которых есть обмотки на роторе и щеточный механизм для подачи на них электрического тока.
Асинхронные , самый простой и распространенный вид мотора. В них нет щеток и обмоток на роторе.

Синхронный мотор вращается синхронно с магнитным полем, которое его вращает, а у асинхронного ротор вращается медленнее вращающегося магнитного поля в статоре.

Принцип работы и устройство асинхронного электродвигателя

В корпусе асинхронного двигателя укладываются обмотки статора (для 380 Вольт их будет 3), которые создают вращающееся магнитное поле. Концы их для подключения выводятся на специальную клеммную колодку. Охлаждаются обмотки, благодаря вентилятору, установленному на вале в торце электродвигателя.

Ротор , являющиеся одним целым с валом, изготавливается из металлических стержней, которые замыкаются между собой с обоих сторон, поэтому он и называется короткозамкнутым.
Благодаря такой конструкции отпадает необходимость в частом периодическом обслуживании и замене токоподающих щеток, многократно увеличивается надежность, долговечность и безотказность.

Как правило, основной причиной поломки асинхронного мотора является износ подшипников, в которых вращается вал.

Принцип работы. Для того что бы работал асинхронный двигатель необходимо, что бы ротор вращался медленнее электромагнитного поля статора, в результате чего наводится ЭДС (возникает электроток) в роторе. Здесь важное условие, если бы ротор вращался с такой же скоростью как и магнитное поле, то в нем по закону электромагнитной индукции не наводилось бы ЭДС и, следовательно не было бы вращения. Но в реальности, из-за трения подшипников или нагрузки на вал, ротор всегда будет вращаться медленнее.

Магнитные полюса постоянно вращаются в обмотках мотора, и постоянно меняется направление тока в роторе. В один момент времени, например направление токов в обмотках статора и ротора изображено схематично в виде крестиков (ток течет от нас) и точек (ток на нас). Вращающееся магнитное поле изображено изображено пунктиром.

Например, как работает циркулярная пила . Наибольшие обороты у нее без нагрузки. Но как только мы начинаем резать доску, скорость вращения уменьшается и одновременно с этим ротор начинает медленнее вращаться относительно электромагнитного поля и в нем по законам электротехники начинает наводится еще большей величины ЭДС. Вырастает потребляемый ток мотором и он начинает работать на полной мощности. Если же нагрузка на вал будет столь велика, что его застопорит, то может возникнуть повреждение короткозамкнутого ротора из-за максимальной величины наводимой в нем ЭДС. Вот почему важно подбирать двигатель, подходящей мощности. Если же взять большей, то неоправданными будут энергозатраты.

Скорость вращения ротора зависит от количества полюсов. При 2 полюсах скорость вращения будет равна скорости вращения магнитного поля, равного максимум 3000 оборотов в секунду при частоте сети 50 Гц. Что бы понизить скорость вдвое, необходимо увеличить количество полюсов в статоре до четырех.

Весомым недостатком асинхронных двигателей является то, что они подаются регулировке скорости вращения вала только при помощи изменения частоты электрического тока. А так не возможно добиться постоянной частоты вращения вала.

Принцип работы и устройство синхронного электродвигателя переменного тока

Данный вид электродвигателя используется в быту там, где необходима постоянная скорость вращения, возможность ее регулировки, а так же если необходима скорость вращения более 3000 оборотов в минуту (это максимум для асинхронных).

Синхронные моторы устанавливаются в электроинструменте, пылесосе, стиральной машине и т. д.

В корпусе синхронного двигателя переменного тока расположены обмотки (3 на рисунке), которые также намотаны и на ротор или якорь (1). Их выводы припаяны к секторам токосъемного кольца или коллектора (5), на которые при помощи графитовых щеток (4) подается напряжение. При чем выводы расположены так, что щетки всегда подают напряжение только на одну пару.

Наиболее частыми поломками коллекторных двигателей является:

Износ щеток или их плохой их контакт из-за ослабления прижимной пружины.
Загрязнение коллектора. Чистите либо спиртом или нулевой наждачной бумагой.
Износ подшипников.

Принцип работы. Вращающий момент в электромоторе создается в результате взаимодействия между током тока якоря и магнитным потоком в обмотке возбуждения. С изменением направления переменного тока будет меняться и направление магнитного потока одновременно в корпусе и якоре, благодаря чему вращение всегда будет в одну сторону.

Определение.

Электрический двигатель – механизм или специальная машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую, при котором так же выделяется тепло.

Предыстория.

Уже в 1821 году, знаменитый британский ученый Майкл Фарадей продемонстрировал принцип преобразования электромагнитным полем электрической энергии в механическую энергию. Установка состояли из подвешенного провода, которых окунался в ртуть. Магнит устанавливался посередине колбы с ртутью. При замыкании цепи, провод начинал вращение вокруг магнита, демонстрируя то, что вокруг провода, эл. током, образовывалось электрическое поле.

Эту модель двигателя часто демонстрировали в школах и университетах. Данный двигатель считается самым простым видом из всего класса электродвигателей. Впоследствии он получил продолжение в виде Колеса Барлова. Однако новое устройство носило лишь демонстрационный характер, поскольку вырабатываемые им мощности были слишком малы.

Ученые и изобретатели работали над двигателем с целью использования его в производственных нуждах. Все они стремились к тому, чтобы сердечник двигателя двигался в магнитном поле вращательно-поступательно, на манер поршня в цилиндре паровой машины. Русский изобретатель Б.С. Якоби сделал все гораздо проще. Принцип работы его двигателя заключался в попеременном притяжении и отталкивании электромагнитов. Часть электромагнитов были запитаны от гальванической батареи, и направление течения тока в них не менялась, а другая часть подключалась к батарее через коммутатор, благодаря которому изменялось направление течения тока через каждый оборот. Полярность электромагнитов менялась, и каждый из подвижных электромагнитов то притягивался, то отталкивался от соответствующего ему неподвижного электромагнита. Вал приходил в движение.

Изначально мощность двигателя была небольшой и составляла всего 15 Вт, после доработок, Якоби удалось довести мощность до 550 Вт.. 13 сентября 1838 году, лодка, оборудованная этим двигателем, плыла с 12 пассажирами по Неве, против течения, развивая при этом скорость в 3 км/ч. Двигатель был запитан от большой батареи, состоящей из 320 гальванических элементов. Мощность современных электрических двигателей превышает 55 кВт. По вопросом прибретения электрических двигателей .

Принцип действия.

В основу работы электрической машины заложено явление электромагнитной индукции (ЭМИ). Явление ЭМИ заключается в том, что при любом изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем (контуре) образуется индукционный ток.

Сам двигатель состоит из ротора (подвижной части – магнита или катушки) и статора (неподвижной части – катушки). Чаще всего конструкция двигателя представляет собой две катушки. Статор обложен обмоткой, по которой, собственно, и течет ток. Ток порождает магнитное поле, которое воздействует на другую катушку. В ней, по причине ЭМИ, так же образуется ток, который порождает магнитное поле, действующее на первую катушку. И так все повторяется по замкнутому циклу. В итоге, взаимодействие полей ротора и статора создает вращающий момент, приводящий в движение ротор двигателя. Таким образом, происходит трансформация электрической энергии в механическую, которую можно использовать в различных приборах, механизмах и даже в автомобилях.

Вращение электромотора

Классификация электрических двигателей.

По способу питания:

двигатели постоянного тока – запитываются от источников постоянного тока.
двигатели переменного тока - запитываются от источников переменного тока.
универсальные двигатели – запитываются как от постоянного, так и переменного тока.

По конструкции:

Коллекторный электродвигатель - электродвигатель, в котором в качестве датчика положения ротора и переключателя тока используется щеточноколлекторный узел.

Бесколлекторый электродвигатель – электродвигатель, состоящий из замкнутой системы, в которой используются: системы управления (преобразователь координат), силовой полупроводниковый преобразователь (инвертор), датчик положения ротора (ДПР).

С приведением в действие постоянными магнитами;
С параллельным соединением якоря и обмоток возбуждения;
С последовательным соединением якоря и обмоток возбуждения;
Со смешанным соединением якоря и обмоток возбуждения;

По количеству фаз:

Однофазные – запускаются вручную, либо же имеют пусковую обмотка или фазосдвигающую цепь.
Двухфазные
Трехфазные
Многофазные

По синхронизации:

Синхронный электродвигатель – электрический двигатель переменного тока с синхронным движением магнитного поля питающего напряжения и ротора.
Асинхронный электродвигатель – электрический двигатель переменного тока с отличающейся частотой движения ротора и магнитного поля, порождаемого питающим напряжением.

В быту, коммунальном хозяйстве, на любом производстве двигатели электрические являются неотъемлемой составляющей: насосы, кондиционеры, вентиляторы и пр. Поэтому важно знать типы наиболее часто встречающихся электродвигателей.

Электродвигатель является машиной, которая преобразует в механическую энергию электрическую. При этом выделяется тепло, являющееся побочным эффектом.

Видео: Классфикация электродвигателей

Все электродвигатели разделить можно на две большие группы:

Электродвигатели постоянного тока
Электродвигатели переменного тока.

Электродвигатели, питание которых осуществляется переменным током, называются двигателями переменного тока, которые имеют две разновидности:

Синхронные – это те, у которых ротор и магнитное поле питающего напряжения вращаются синхронно.
Асинхронные . У них отличается частота вращения ротора от частоты, создаваемого питающим напряжением магнитного поля. Бывают они многофазными, а также одно-, двух- и трехфазными.
Электродвигатели шаговые отличаются тем, что имеют конечное число положений ротора. Фиксирование заданного положения ротора происходит за счет подачи питания на определенную обмотку. Путем снятия напряжения с одной обмотки и передачи его на другую осуществляется переход в другое положение.

К электродвигателям постоянного тока относят те, которые питаются постоянным током. Они, в зависимости от того, имею или нет щёточно-коллекторный узел, подразделяются на:

Коллекторные также, в зависимости от типа возбуждения, бывают нескольких видов:

С возбуждением постоянными магнитами.
С параллельным соединением обмоток соединения и якоря.
С последовательным соединением якоря и обмоток.
Со смешанным их соединением.

Электродвигатель постоянного тока в разрезе. Коллектор со щетками – справа

Какие электродвигатели входят в группу «электродвигатели постоянного тока»

Как уже говорилось, электродвигатели постоянного тока составляют группу, в которую входят коллекторные электродвигатели и бесколлекторные, которые выполнены в виде замкнутой системы, включающей датчик положения ротора, систему управления и силовой полупроводниковый преобразователь. Принцип работы бесколлекторных электродвигателей аналогичен принципу работы двигателей асинхронных. Устанавливают их в бытовых прибора, например, вентиляторах.

Что собой представляет коллекторный электродвигатель

Длина электродвигателя постоянного тока зависит от класса. Например, если речь идет о двигателе 400 класса, то его длина составит 40 мм. Отличием коллекторных электродвигателей от бесколлектрных собратьев является простота в изготовлении и эксплуатации, следовательно, и стоимость его будет более низкой. Их особенность — наличие щеточно-коллекторного узла, при помощи которого осуществляется соединение цепи ротора с расположенными в неподвижной части мотора цепями. Состоит он из расположенных на роторе контактов – коллектора и прижатых к нему щеток, расположенных вне ротора.

Ротор

Используют эти электродвигатели в радиоуправляемых игрушках: подав на контакты такого двигателя напряжение от источника постоянного тока (той же батарейки), вал приводится в движение. А, чтобы изменить его направление вращения, достаточно изменить полярность, подаваемого напряжения питания. Небольшой вес и размеры, низкая цена и возможность восстановления щеточно-коллекторного механизма делают эти электродвигатели наиболее используемыми в бюджетных моделях, несмотря на то, что он значительно уступает по надежности бесколлекторному, поскольку не исключено искрение, т.е. чрезмерный нагрев подвижных контактов и их быстрый износ при попадании пыли, грязи или влаги.

На коллекторный электродвигатель нанесена, как правило, маркировка, указывающая на число оборотов: чем оно меньше, тем скорость вращения вала больше. Она, к слову, очень плавно регулируется. Но, существуют и двигатели этого типа высокооборотистые, не уступающие бесколлекторным.

Преимущества и недостатки бесколлекторных электродвигателей

В отличие от описанных, у этих электродвигателей подвижной частью является статор с постоянным магнитом (корпус), а ротор с трехфазной обмоткой – неподвижен.

К недостаткам этих двигателей постоянного тока отнести можно менее плавную регулировку скорости вращения вала, но зато они способны за доли секунды набрать максимальные обороты.

Бесколлекторный электродвигатель помещен в закрытый корпус, поэтому он более надежен при неблагоприятных условиях эксплуатации, т.е. ему не страшны пыль и влага. К тому же, его надежность возрастает благодаря отсутствию щеток, как и скорость, с которой вращается вал. При этом, по конструкции мотор более сложен, следовательно, не может быть дешевым. Стоимость его в сравнении с коллекторным, выше в два раза.

Таким образом, коллекторный электродвигатель, работающий на переменном и на постоянном токе, является универсальным, надежным, но более дорогим. Он и легче, и меньше по размерам двигателя переменного тока той же мощности.

Поскольку электродвигатели переменного тока, питающиеся от 50 Гц (питание промышленной сети) не позволяют получать высокие частоты (выше 3000 об/мин), при такой необходимости, используют коллекторный двигатель.

Между тем, его ресурс ниже, чем у асинхронных электродвигателей переменного тока, который зависит от состояния подшипников и изоляции обмоток.

Как работает синхронный электродвигатель

Синхронные машины применяют часто в качестве генераторов. Он синхронно работают с частотой сети, поэтому он с датчиком положения инвертора и ротора, является электронным аналогом коллекторного электродвигателя постоянного тока.

Строение синхронного электродвигателя

Свойства

Эти двигатели не являются механизмами самозапускающимися, а требуют внешнего воздействия для того, чтобы набрать скорость. Применение они нашли в компрессорах, насосах, прокатных станках и подобном оборудовании, рабочая скорость которого не превышает отметки пятьсот оборотов в минуту, но требуется увеличение мощности. Они достаточно большие по габаритам, имеют «приличный» вес и высокую цену.

Запустить синхронный электродвигатель можно несколькими способами:

Используя внешний источник тока.
Пуск асинхронный.

В первом случае, с помощью мотора вспомогательного, в качестве которого выступать может электродвигатель постоянного тока или индукционный трехфазный мотор. Изначально ток постоянный на мотор не подается. Он начинает вращаться, достигая близкой к синхронной скорости. В этот момент подается постоянный ток. После замыкания магнитного поля, разрывается связь с вспомогательным двигателем.

Во втором варианте необходима установка в полюсные наконечники ротора дополнительной короткозамкнутой обмотки, пересекая которую магнитное вращающееся поле индуцирует токи в ней. Они, взаимодействуя с полем статора, вращают ротор. Пока он не достигнет синхронной скорости. С этого момента крутящий момент и ЭДС уменьшаются, магнитное поле замыкается, сводя к нулю крутящий момент.

Эти электродвигатели менее чувствительны, чем асинхронные, к колебаниям напряжения, отличаются высокой перегрузочной способностью, сохраняют неизменной скорость при любых нагрузках на валу.

Однофазный электродвигатель: устройство и принцип работы

Использующий после пуска только одну обмотку статора (фазу) и не нуждающийся в частном преобразователе электродвигатель, работающий от электросети однофазного переменного тока, является асинхронным или однофазовым.

Однофазовый электродвигатель имеет вращающуюся часть – ротор и неподвижную – статор, который и создает магнитное поле, необходимое для вращения ротора.

Из двух, расположенных в сердечнике статора друг к другу под углом 90 градусов обмоток, рабочая занимает 2/3 пазов. Другая обмотка, на долю которой приходится 1/3 пазов, называется пусковой (вспомогательной).

Ротор – это тоже короткозамкнутая обмотка. Его стержни из алюминия или меди замкнуты с торцов кольцом, а пространство между ними залито алюминиевым сплавом. Может быть выполнен ротор в виде полого ферромагнитного или немагнитного цилиндра.

Однофазный электродвигатель, мощность которого может быть от десятков ватт до десятка киловатт, применяются в бытовых приборах, устанавливаются в деревообрабатывающих станках, на транспортерах, в компрессорах и насосах. Преимущество их – возможность использования в помещениях, где нет трехфазной сети. По конструкции они не сильно отличаются от электродвигателей асинхронных трехфазного тока.

Явление электромагнитной индукции стало основой возникновения и развития всех электрических машин. Первооткрывателем этого явления в конце 19 века был Майкл Фарадей, английский учёный — экспериментатор. Он провёл опыты с первыми электрическими машинами. Сейчас без них невозможно представить нашу жизнь. Электродвигатели стали одними из самых распространённых электрических машин.

Для работы электромотора необходимо напряжение, свойства которого определяют его конструкцию. На переменном напряжении и токе работают такие электродвигатели:

на постоянном напряжении и токе работают:

коллекторные;
униполярные;
шаговые.

Синхронные и асинхронные электродвигатели

Синхронные и асинхронные электромоторы имеют общие условия для своей работы. Для этого необходимо магнитное поле, максимальная величина которого перемещается в пространстве. Такое поле может быть создано двумя или большим числом обмоток. Обычные конструкции синхронных и асинхронных электромоторов содержат две или три обмотки.

Они размещаются на массивных ферримагнитных сердечниках, усиливающих магнитное поле. Для трёх обмоток применяется трёхфазное напряжение, для двух обмоток – двухфазное или одна фаза с фазосдвигающим конденсатором. Но с таким конденсатором к однофазной сети можно подключить и трёхфазные двигатели.

Если ротор электромотора создаёт постоянное магнитное поле, либо от постоянных магнитов, либо от встроенного в ротор источника питания постоянного тока, либо от внешнего источника питания постоянного тока через кольца со щётками такой двигатель является синхронным. В нём частота оборотов и частота напряжения источника питания одинаковы. В асинхронных двигателях используется немагнитный ротор без явно выраженных полюсов, колец со щётками, встроенных выпрямителей и комбинированных деталей из различных материалов. Исключением является синхронный гистерезисный двигатель.

Ротор асинхронного двигателя работает как вторичная обмотка трансформатора, которая замкнута накоротко. Но ток в его роторе может возникнуть только при более медленном вращении в сравнении с магнитным полем статора. Такое различие скоростей называется скольжением. Простота конструкции и соответствующая надёжность делают асинхронный электромотор наиболее широко используемым.

Коллекторные машины

Однако у синхронных и асинхронных электромоторов есть один непреодолимый недостаток – частота питающего напряжения. Она определяет скорость вращения магнитного поля и вала в этих двигателях. Никакими конструктивными изменениями в них при заданной частоте питающего напряжения невозможно получить частоту вращения вала большую, чем частота питающего напряжения. При необходимости большего числа оборотов используются коллекторные электромоторы.

В этих двигателях происходит постоянное переключение обмоток ротора коллектором. Каждая обмотка по сути это рамка с током, которая, как известно из опытов Фарадея, поворачивается в магнитном поле. Но одна рамка повернётся и остановится. Поэтому рамок — обмоток сделано несколько и каждой из них соответствует пара пластин в коллекторе. Ток подаётся через щётки, скользящие по коллектору.

Конструкция такого электромотора позволяет работать от источника либо постоянного, либо переменного напряжения, который обеспечивает ток и в статоре и в роторе. При переменном напряжении направление тока в статоре и роторе изменяется одновременно и поэтому направление действия силы вращающей ротор сохраняется. Частота питающего напряжения никак не влияет на частоту вращения ротора. Она зависит только от величины напряжения, питающего электромотор. Скользящий контакт щётки с коллектором ограничивает возможности этих электродвигателей по сроку службы и месту применения, поскольку искрение в щётках довольно быстро разрушает скользящий контакт и недопустимо в условиях повышенной взрывоопасности.

Униполярные и шаговые варианты

Однако есть такие конструкции электромоторов постоянного тока, в которых коллектора нет. Это униполярные электромоторы.

В этих электродвигателях ротор выполнен в виде диска, расположенного между полюсами постоянных магнитов. Щётки расположенные диаметрально противоположно питают током диск – ротор. Под воздействием силы Лоренца диск вращается. Несмотря на привлекательную простоту конструкции, такой электромотор не имеет широкого практического использования, поскольку требует слишком больших значений тока и магнитного поля. Тем не менее, существуют уникальные лабораторные разработки униполярных электромоторов со щётками из жидкого металла, которые развивают обороты немыслимые для иных конструкций двигателей.

Шаговый двигатель это ещё одна конструкция, работающая на постоянном токе.

В целом этот двигатель подобен синхронному электромотору с ротором из постоянных магнитов. Отличие в том, что число обмоток здесь больше, и они управляются ключами, которые подают на каждую обмотку питающее напряжение. В результате ротор меняет своё положение, притягиваясь к подключенной обмотке. Число обмоток определяет минимальный угол поворота ротора, а коммутаторы – скорость вращения ротора. В шаговом двигателе ротор может вращаться почти как угодно, поскольку ключи связаны с электронной схемой управления.

Рассмотренные конструкции электромоторов являются базовыми. На их основе для решения определённых задач создано много специальных разновидностей электромоторов. Но это уже совсем другая история…

Содержание:

Выполнение механической работы - это главный процесс в нашем материальном мире. По этой причине появление электродвигателей стало важнейшим событием в развитии человеческой цивилизации. Именно эти устройства понесли на себе весь груз промышленного производства. Это и обеспечило, в конце концов, так называемую научно-техническую революцию. В любых электрических движках в основу конструкции положено открытие взаимодействия проводов с проходящим по ним электрическим током.

О том, какие результаты были достигнуты за время, прошедшее с этого открытия, и будет рассказано нашим читателям. Напомним, что взаимодействие запитанных электротоком проводов обнаружил Андре Ампер в 1820 году. После этого события была создана конструкция, способная усилить это взаимодействие - соленоид. Катушка с ферромагнитным сердечником при сближении с постоянным магнитом или другой аналогичной катушкой воздействовала на них со значительным усилием. Поэтому оставалось только придумать такое конструктивное решение, которое позволит максимально увеличить взаимодействие соленоидов и придаст ему необходимое направление.

Превращение электроэнергии в механическую работу

Два соленоида могут либо притягиваться, либо отталкиваться. Их взаимодействие определяется полюсами. Одноименные - отталкиваются, разноименные - притягиваются. Поэтому не составляет особого труда догадаться о конструктивном решении, позволяющем получить вращение вала:

Вал и соленоид объединяются в жесткую конструкцию. Соленоид располагается так, чтобы создаваемые силовые линии магнитного поля были перпендикулярны оси вращения вала. Полученный элемент двигателя называется ротором, а также индуктором.
Вокруг ротора располагаются несколько других соленоидов для его притяжения. Чтобы направление было явно задано, а вращение равномерно, их должно быть как минимум три. Полученный элемент движка называется статором.
Статор или ротор в разных конструкциях моторов могут также иметь название якорь. Суть якоря электрического двигателя заключена в его сходстве со своим корабельным тезкой. Для корабельного якоря характерна прикрепленная цепь, соединяющая его с кораблем. А строение якоря электрического движка включает в себя либо ротор, либо статор, а также присоединенный к нему электрический шнур. Он используется для подключения к источнику питания. То есть вместо якоря с цепью получается ротор или статор со шнуром питания - в этом и заключено их сходство и происхождение названия элемента движка.
Статор состоит из стальных пластин, которые уменьшают потери электроэнергии, создаваемые вихревыми токами. В результате получается конструкция из обмоток с сердечниками, охватывающая ротор. Они образуют отверстие цилиндрической формы. В него входит цилиндрический ротор с некоторым зазором относительно статора. Такая конструкция электрических двигателей самая распространенная.

Однако для решения некоторых задач необходимо применение иных конструкций. Это может быть, например, расположение ротора снаружи статора или отсутствие вала по причине линейного перемещения элементов двигателя относительно друг друга.

Простейшим линейным двигателем является электромагнит с втягивающимся сердечником. Для того чтобы более точно управлять перемещением подвижной части линейного движка, в нем используется необходимое число взаимодействующих магнитных элементов. Электромагнитами могут быть либо все, либо их часть - это постоянные магниты.

Как видно из рассмотренных примеров, принцип работы электродвигателя использует магнитные поля. Они - следствие как постоянного тока, так и переменного. Но в любом случае принцип действия электродвигателя - это переход электроэнергии в энергию движения.

Электропитание источником переменного напряжения

Двигатель переменного тока наиболее широко используется. Это обусловлено переменным напряжением в большинстве электросетей. Электродвигатели переменного тока подключаются к ним с использованием минимального количества дополнительных устройств. Для любого из приборов надежность и долговечность являются главными качествами. Для этого конструкция должна иметь минимум потенциально уязвимых элементов. Наиболее значимыми из них являются контакты. Меньше контактов - больше надежности.

Устройство и принцип работы электродвигателя с максимальной надежностью основаны на явлении электромагнитной индукции. Это явление используется в трансформаторах. Создание гальванически развязанных электрических цепей - это их важнейшее назначение. Аналогично создаются гальванически развязанные статорные и роторные цепи. Под напряжением пребывают только обмотки статора. Возникающая в роторе электромагнитная индукция приводит к взаимодействию магнитных полей. Но принцип работы электродвигателя переменного тока - это не только индукция. Кроме нее должно существовать условие, обеспечивающее возникновение однонаправленной силы, без которой вращение невозможно. Для этого необходимо пространственное перемещение электромагнитного поля.

С этой целью устройство электродвигателя переменного тока предусматривает одно из следующих конструктивных решений:

использование однофазного источника переменного напряжения с фазосдвигающим элементом с двумя парами полюсов;
подключение к трехфазному источнику питания обмоток статора с тремя парами полюсов;
применение коммутатора, переключающего взаимодействующие обмотки.

Движимые перемещающимся магнитным полем

Электродвигатель, принцип работы которого определяет электромагнитная индукция, работает следующим образом. В его роторе отсутствуют контакты. Переменное магнитное поле с максимумом, перемещающимся вокруг ротора, вызывает в нем токи, создающие собственное электромагнитное поле. Существование этих токов возможно только при отставании ротора от движущегося максимума электромагнитного поля статора.

Иначе не получится электромагнитной индукции, условием которой является пересечение силовых линий и проводника. Движки, в которых скорости перемещения поля статора и ротора отличаются друг от друга, называются асинхронными. Асинхронный электродвигатель , устройство которого показано далее, в основном имеет одинаковую конструкцию статора, но разные варианты исполнения ротора.

Самыми распространенными являются короткозамкнутый ротор и другая его конструкция, именуемая «беличьей клеткой». В последнем варианте ротора получается более эффективная индукция. Однако и конструкция при этом менее технологичная. Но в этих двух разновидностях асинхронного двигателя лишь один недостаток - большой пусковой ток.

Чтобы регулировать процесс пуска, потребовалась третья конструкция ротора, называемая «фазной». Но если где-то прибыло, значит, где-то и убыло. У фазного ротора появились контакты - кольца и щетки. А контакты - главная проблема электротехники. Выигрывая в экономичности, проигрываем в долговечности и эксплуатационных расходах. За щетками и кольцами необходим уход и периодическая замена, в результате чего фазный ротор применяется намного реже. Появление мощных полупроводниковых приборов делает возможным регулировку любого асинхронного двигателя в пределах коммутационных возможностей этих приборов. Поэтому сегодня фазный ротор - это архаичная конструкция.

Но если ротор изготовить из специального материала, который обладает некоторой остаточной намагниченностью, скорости поля статора и вращения ротора станут одинаковыми. Под воздействием статора в роторе такого движка из-за свойств его материала не могут возникать токи с величиной, достаточной для движения. Но это и не нужно. Материал способен многократно усиливать внешнее электромагнитное поле и становиться постоянным магнитом. И такой магнитный ротор будет тянуться за электромагнитным полем статора. Такой двигатель называется синхронно-гистерезисным.

К сожалению, гистерезисный ротор имеет высокую себестоимость материала. А поскольку мощность движка напрямую связана с его размерами, большие и мощные синхронные двигатели с гистерезисным ротором из-за его высокой цены не производятся. Вместо этого делается постоянный электромагнит с питанием через кольца. Так менее надежно, но гораздо дешевле.

Скорость вращения синхронных и асинхронных движков определяет частота напряжения питания и число пар полюсов. Эта особенность - их большой недостаток. Ведь частота электросети составляет 50–60 Гц, и без применения дополнительного оборудования, через которое придется подключать двигатель, изменить ее невозможно. А это значительно усложняет и удорожает установку. По этой причине в управляемом электроприводе для возможности широкого диапазона регулирования оборотов применяется другой двигатель, о котором будет рассказано далее.

Чтобы разобраться в том, как работает электромотор с коллектором, надо обратиться к опытам с рамкой, расположенной между полюсами магнитов. Это классический опыт для демонстрации взаимодействия проводника с током и магнитного поля. На изображениях далее наглядно показан результат этого взаимодействия.

Но сила, вращающая рамку, зависит от ее положения относительно полюсов. По мере вращения она постепенно уменьшается. И по этой причине рамка останавливается. Чтобы вращение продолжалось, для конкретной конструкции рамки с магнитами потребуется больше рамок. При этом каждая из них подключается к своей паре скользящих контактов. Они образуются парой щеток и парой пластин - ламелей.

Движок, в котором реализован принцип вращения рамки в магнитном поле, содержит ротор с большим числом обмоток - рамок. Ламели собраны в специальном конструктивном элементе - коллекторе. Если магнитное поле создается постоянными магнитами, вращение возможно только при постоянном напряжении на щетках коллектора. Это и есть двигатель постоянного тока (сокращенно ДПТ).

Скорость вращения ротора этого движка зависит только от напряжения на щетках коллектора. Если вместо постоянного магнита применить электромагнит, получится универсальный мотор, способный работать как при постоянном, так и при переменном напряжении. Полярность статора и ротора будет изменяться одновременно, сохраняя направление действия силы, вращающей ротор. Универсальный мотор - это тот самый движок, который широко применяется в регулируемых приводах.

Разновидностью ДПТ и универсального двигателя можно считать униполярный движок. У его конструкции нет коллектора, но есть щетки. Появление мощных полупроводниковых приборов позволило создавать роторы без колец и коллекторов. Но при этом принцип работы электродвигателя не изменился.