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».
Понравилось видео? Подписывайтесь на наш канал!
Электродвигатель является специальной машиной, которая электрическую энергию преобразует в механическую. Учитывая род тока электроустановки, в которой работает электрическая машина, используются основные типы электродвигателей — постоянного и переменного тока.
Электромоторы переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. Асинхронные, в свою очередь, делятся на общепромышленные, взрывозащищенные и крановые.
Электромашины переменного тока бывают однофазными и трехфазными. На современном этапе довольно широкое применение находят трехфазные синхронные и асинхронные электромоторы.
Сегодня асинхронные электромоторы являются наиболее востребованными электрическими двигателями. Такую широкую популярность асинхронные устройства получили из-за своей простоты конструкции и довольно высокой эксплуатационной надежности. Асинхронный электродвигатель довольно часто применяют в бытовой технике и на промышленных предприятиях.
В тех случаях, когда в приводах не нужны большие пусковые моменты, применяютэлектродвигатель с короткозамкнутым ротором. А когда не требуется плавной регулировки скорости и мощность электродвигателя большая, используется асинхронный электродвигатель с фазным ротором. Электромоторы асинхронные с фазным ротором используются в тех случаях, когда нужно снизить пусковой ток и увеличить пусковой момент.
Асинхронные однофазные агрегаты применяются в сети переменного тока 220 вольт. Такие электромоторы нашли широкое применение в бытовых стиральных машинах, бетономешалках, строительном электроинструменте, кухонных многофункциональных комбайнах, в деревообрабатывающих и сверлильных станках и другом бытовом оборудовании.
Асинхронные электрические двигатели также применяются для приводов различных крановых установок промышленного назначения, всевозможных грузовых лебедок и прочих устройств, которые применяются в производстве. Электромоторы переменного тока имеют огромное значение для многих отраслей промышленности. Асинхронные агрегаты могут быть с преобразовательным устройством в виде коллектора (коллекторные электродвигатели) или не иметь его (бесколлекторные электромоторы).
Коллекторные и бесколлекторные электродвигатели переменного тока применяются в различных промышленных и бытовых электроустройствах (холодильниках, пылесосах, мясорубках, электрическом инструменте, вентиляторах, соковыжималках) и в медицинской технике. Они рассчитаны на работу как от сети постоянного тока, так и от сети переменного тока. Для коллекторных электродвигателей характерен большой пусковой момент и относительно малые размеры.
Бесколлекторные электромоторы имеют малый уровень электромагнитных излучений и низкий уровень шума. Для них характерен высокий ресурс эксплуатации. В большинстве случаев бесколлекторные электродвигатели эксплуатируются в местах со взрывоопасной средой, например в нефтегазовой промышленности.
Довольно широкое распространение среди электромоторов переменного тока получили асинхронные электромоторы с трехфазной симметричной обмоткой на сердечнике статора, которые запитываются от сети переменного тока
Примечательно, что асинхронные электродвигатели, как правило, используются как двигатели, а синхронные электромоторы чаще всего используются как генераторы.
Синхронные электродвигатели являются двухобмоточными электрическими машинами, в которых одна из обмоток подсоединена к электрической сети с определенной постоянной частотой вращения, при этом вторая регулярно возбуждается постоянным током с частотой вращения ротора, которая не зависит от нагрузки. Такие машины применяются в качестве электродвигателей в крупных установках, таких как приводы поршневых компрессоров и воздухопроводов и, как правило, используются в качестве генераторов.
Скорость вращения синхронных моторов находится в постоянном соотношении к определенной частоте электрической сети.
Рольганговые электромоторы применяются для приводов, которые эксплуатируются в условиях высоких температур различного металлургического производства. Взрывозащищенные электромоторы предназначены для привода разных механизмов в газовой, химической, нефтеперерабатывающей промышленности, где могут появляться различные взрывоопасные соединения газов и паров с воздухом. Различные крановые электромоторы в основном предназначены для всевозможных крановых механизмов всех типов. Они могут быть применены для привода других механизмов, которые работают в кратковременных режимах эксплуатации.
Общепромышленные электромоторы широко используются в деревообрабатывающей промышленности, станкостроении, всевозможных системах промышленной вентиляции, различных транспортерах, подъемниках, всевозможном насосном оборудовании.
Электрические двигатели – это силовые машины, применяющиеся для превращения электрической энергии в механическую. Общая классификация разделяет их по типу питающего тока на двигатели постоянного и переменного тока. В статье ниже рассматриваются электрические двигатели со спецификацией под переменный ток, их виды, отличительные характеристики и преимущества.
Электродвигатель переменного тока промышленного типа
Принцип преобразования энергии
Среди электрических двигателей, применяемых во всех отраслях промышленности и бытовых электроприборах, наибольшее распространение имеют двигатели переменного тока. Они встречаются практически в каждой сфере жизнедеятельности – от детских игрушек и стиральных машин до автомобилей и мощных производственных станков.
Принцип работы всех электрических двигателей основывается на законе электромагнитной индукции Фарадея и законе Ампера. Первый из них описывает ситуацию, когда на замкнутом проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном поле, генерируется электродвижущая сила. В двигателях это поле создается через обмотки статора, по которым протекает переменный ток. Внутри статора (представляющего собой корпус устройства) находится подвижный элемент двигателя – ротор. На нем и возникает ток.
Вращение ротора объясняется законом Ампера, который утверждает, что на электрические заряды, протекающие по проводнику, находящемуся внутри магнитного поля, действует сила, движущая их в плоскости, перпендикулярной силовым линиям этого поля. Проще говоря, проводник, которым в конструкции двигателя является ротор, начинает вращаться вокруг своей оси, а закрепляется он на валу, к которому подключаются рабочие механизмы оборудования.
Виды двигателей и их устройство
Электрические двигатели переменного тока имеют различное устройство, благодаря которому можно создавать машины с одинаковой частотой вращения ротора относительно магнитного поля статора, и такие машины, где ротор «отстает» от вращающегося поля. По данному принципу эти двигатели разделяют на соответствующие типы: синхронные и асинхронные.
Асинхронные
Основу конструкции асинхронного электродвигателя составляет пара важнейших функциональных частей:
- Статор – блок цилиндрической формы, сделанный из листов стали с пазанми для укладки токопроводящих обмоток, оси которых располагаются под углом 120˚ относительно друг друга. Полюса обмоток уходят на клеммную коробку, где подключаются разными способами, в зависимости от необходимых параметров работы электродвигателя.
- Ротор. В конструкции асинхронных электродвигателей используются роторы двух видов:
- Короткозамкнутый. Называется так, потому что изготавливается из нескольких алюминиевых или медных стержней, накоротко замкнутых с помощью торцевых колец. Эта конструкция, представляющая собой токоповодящую обмотку ротора, называется в электромеханике «беличьей клеткой».
- Фазный. На роторах данного типа устанавливается трехфазная обмотка, похожая на обмотку статора. Чаще всего концы её проводников идут в клеммную площадку, где соединяются «звездой», а свободные концы подключаются к контактным кольцам. Фазный ротор позволяет с помощью щеток добавить в цепь обмотки добавочный резистор, позволяющий изменять сопротивление для уменьшения пусковых токов.
Помимо описанных ключевых элементов асинхронного электродвигателя, в его конструкцию также входит вентилятор для охлаждения обмоток, клеммная коробка и вал, передающий генерируемое вращение на рабочие механизмы оборудования, работа которого обеспечивается данным двигателем.
Работа асинхронных электрических двигателей основывается на законе электромагнитной индукции, утверждающем, что электродвижущая сила может возникнуть лишь в условиях разности скоростей вращения ротора и магнитного поля статора. Таким образом, если бы эти скорости были равны, ЭДС не могла бы появиться, но воздействие на вал таких «тормозящих» факторов, как нагрузка и трение подшипников, всегда создает достаточные для работы условия.
Синхронные
Конструкция синхронных электродвигателей переменного тока несколько отлична от устройства асинхронных аналогов. В этих машинах ротор крутится вокруг своей оси со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля статора. Ротор или якорь этих устройств тоже оснащается обмотками, которые одними концами подключены друг к другу, а другими – к вращающемуся коллектору. Контактные площадки на коллекторе смонтированы так, что в определенный момент времени возможна подача питания через графитовые щетки лишь на два противоположных контакта.
Принцип работы синхронных электродвигателей:
- При взаимодействии магнитного потока в обмотке статора с током ротора возникает вращающий момент.
- Направление движения магнитного потока изменяется одновременно с направлением переменного тока, благодаря чему сохраняется вращение выходного вала в одну сторону.
- Настройка нужной частоты вращения осуществляется регулировкой входящего напряжения. Чаще всего, в быстроходном оборудовании, например, перфораторах и пылесосах, эту функцию выполняет реостат.
Чаще всего причинами выхода синхронных электродвигателей из строя является:
- износ графитовых щеток или ослабление прижимной пружины;
- износ подшипников вала;
- загрязнение коллектора (чистится наждачной бумагой или спиртом).
Трехфазный генератор переменного тока
История изобретения
Изобретение простейшего способа преобразования энергии из электрической в механическую принадлежит Майклу Фарадею. В 1821 году этот великий английский ученый провел эксперимент с проводником, опущенным в сосуд с ртутью, на дне которого лежал постоянный магнит. После подачи электричества на проводник он приходил в движение, вращаясь соответственно силовым линиями магнитного поля. В наши дни этот опыт часто проводят на уроках физики, заменяя ртуть рассолом.
Дальнейшее изучение вопроса привело к созданию Питером Барлоу в 1824 году униполярного двигателя, названного колесом Барлоу. В его конструкцию входят два зубчатых колеса из меди, расположенных на одной оси между постоянными магнитами. После подачи тока на колеса, в результате его взаимодействия с магнитными полями, колеса начинают вращаться. Во время опытов ученый установил, что направление вращения можно изменить, поменяв полярность (перестановкой магнитов или контактов). Практического применения «колесо Барлоу», но сыграло важную роль в изучении взаимодействия магнитных полей и заряженных проводников.
Первый рабочий образец устройства, ставшего прародителем современных двигателей, был создан русским физиком Борисом Семеновичем Якоби в 1834 году. Принцип использования вращающегося ротора в магнитном поле, продемонстрированный в этом изобретении, практически в неизменном виде применяется современных двигателях постоянного тока.
А вот создание первого двигателя с асинхронным принципом работы принадлежит сразу двум ученым – Николе Тесла и Галилео Феррарис, по удачному стечению обстоятельств продемонстрировавшим свои изобретения в один год (1888). Через несколько лет двухфазный бесколлекторный двигатель переменного тока, созданный Николой Тесла уже использовался на нескольких электростанциях. В 1889 году русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский усовершенствовал изобретение Теслы для работы в трехфазной сети, благодаря чему смог создать первый асинхронный двигатель переменного тока мощностью более 100 Вт. Ему же принадлежит изобретение используемых сегодня способов подключения фаз в трехфазных электродвигателях: «звезда» и «треугольник», пусковых реостатов и трехфазных трансформаторов.
Система переменного тока, предложенная Вестингаузом
Подключение к однофазным и трехфазным источникам питания
По типу питающей сети электродвигатели переменного тока классифицируют на одно- и трехфазные.
Подключение асинхронных однофазных двигателей осуществляет очень легко – для этого достаточно подвести к двум выходам на корпусе фазный и нулевой провод однофазной 220В сети. Синхронные двигатели тоже можно запитывать от сети данного типа, однако подключение немного сложнее – необходимо соединить обмотки ротора и статора так, чтобы их контакты однополюсного намагничивания были расположены напротив друг друга.
Подключение к трехфазной сети представляется несколько более сложным. В первую очередь, следует обратить внимание, что клеммная коробка содержит 6 выводов – по паре на каждую из трех обмоток. Во-вторых, это дает возможность использовать один из двух способов подключения («звезда» и «треугольник»). Неправильное подключение может привести в поломке двигатель от расплавления обмоток статора.
Главное функциональное отличие «звезды» и «треугольника» заключается в различном потреблении мощности, что сделано для возможности включения машины в трехфазные сети с различным линейным напряжением — 380В или 660В. В первом случае следует соединять обмотки по схеме «треугольник», а во втором – «звездой». Такое правило включения позволяет в обоих случаях иметь напряжение 380В на обмотках каждой фазы.
На панели подключения выводы обмоток располагаются таким образом, чтобы перемычки, используемых для включения, не перекрещивались между собой. Если коробка выводов двигателя содержит только три зажима, значит, он рассчитан для работы от одного напряжения, которое указано в технической документации, а обмотки соединены между собой внутри устройства.
Преимущества и недостатки электрических двигателей переменного тока
В наши дни среди всех электродвигателей устройства для переменного тока занимают лидирующую позицию по объему использования в силовых установках. Они обладают низкой себестоимостью, простой в обслуживании конструкцией и КПД не менее 90%. Кроме того, их устройство позволяет плавно изменять скорость вращения, не прибегая к помощи дополнительного оборудования вроде коробок передач.
Главным недостатком двигателей переменного тока с асинхронным принципом работы является тот факт, что регулировать их частоту вращения вала можно только изменяя входную частоту тока. Это не позволяет добиться постоянной скорости вращения, а также снижает мощность. Для асинхронных электродвигателей характерны высокие пусковые токи, но низкий пусковой момент. Для исправления этих недостатков применяется частотный привод, однако его цена противоречит одному из главных достоинств этих двигателей – низкой себестоимости.
Слабым местом синхронного двигателя является его сложная конструкция. Графитовые щетки довольно быстро выходят из строя под нагрузкой, а также теряют плотный контакт с коллектором из-за ослабления прижимной пружины. Кроме того, эти двигатели, как и асинхронные аналоги, не защищены от износа подшипников вала. К недостаткам также относится более сложный пуск, необходимость наличия источника постоянного тока и исключительно частотная регулировка частоты вращения.
Применение
На сегодняшний день электродвигатели со спецификацией на переменный ток распространены во всех сферах промышленности и жизнедеятельности. На электростанциях они устанавливаются в качестве генераторов, используются в производственном оборудовании, автомобилестроении и даже бытовой технике. Сегодня в каждом доме можно встретить как минимум одно устройство с электрическим двигателем переменного тока, например, стиральную машину. Причины столь большой популярности заключаются в универсальности, долговечности и легкости обслуживания.
Среди асинхронных электрических машин наибольшее распространение получили устройства с трехфазной спецификацией. Они являются наилучшим вариантом для использования во многих силовых агрегатах, генераторах и высокомощных установках, работа которых связана с необходимостью контроля скорости вращения вала.
Электрический двигатель – специальная машина (ее еще называют электромеханическим преобразователем), с помощью которой электроэнергия преобразовывается в механическое движение.
Побочный эффект такой конвертации – выделение тепла.
При-этом современные двигатели обладают очень высоким КПД, который достигает 98%, в результате чего их использование экономически более выгодно по сравнению с двигателями внутренного сгорания. Электрические двигатели используются во всех сферах народного хозяйства, начиная от бытового применения, заканчивая военной техникой.
Электрические двигатели и их разновидности
Как известно с базового школьного курса физики, бывает переменным и постоянным. В бытовой – переменный ток. Батарейки, аккумуляторы и другие мобильные источники питания предоставляют постоянный ток.
Короткозамкнутый ротор более распространен.
Такие двигатели обладают следующими преимуществами:
- относительно одинаковая скорость вращения при разных уровнях нагрузки;
- не боятся непродолжительных механических перегрузок;
- простая конструкция;
- несложная автоматизация и пуск;
- высокий КПД (коэффициент полезного действия).
Электродвигатели с короткозамкнутым контуром требуют большой пусковой ток.
Если невозможно реализовать выполнение этого условия, то используют устройства с фазным ротором. Они обладают такими достоинствами:
- хороший начальный вращающий момент;
- нечувствительны к кратковременным перегрузкам механической природы;
- постоянная скорость работы при наличии нагрузок;
- малый пусковой ток;
- с такими двигателями применяют автоматические пусковые устройства;
- могут в небольших пределах изменять скорость вращения.
К основным недостаткам асинхронных двигателей относят то, что изменять их скорость работы можно только посредством изменения частоты электрического тока.
Кроме того, вращения – относительна. Она колеблется в небольших пределах. Иногда это недопустимо.
Интересное видео об асинхронных электродвигателях смотрите ниже:
Особенности работы синхронных двигателей
Все синхронные двигатели обладают такими преимуществами:
- Они не отдают и не потребляют в сеть. Это позволяет уменьшить их габариты при сохранении мощности. Типичный синхронный электродвигатель меньше асинхронного.
- В сравнении с асинхронными устройствами, менее чувствительны к скачкам напряжения.
- Хорошая сопротивляемость перегрузкам.
- Такие электрические машины способны поддерживать постоянную скорость вращения, если уровень нагрузок не превышает допустимые пределы.
В любой бочке, есть ложка с дегтем. Синхронным электродвигателям присущи такие недостатки:
- сложная конструкция;
- затрудненный пуск в ход;
- довольно сложно изменять скорость вращения (посредством изменения значения частоты тока).
Сочетание всех этих особенностей делает синхронные двигатели невыгодными при мощностях до 100 Вт. А вот на более высоких уровнях производительности, синхронные машины показывают себя во всей красе.
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.