Для преобразования электроэнергии в механическое движение используют специальное оборудование — электрический двигатель. В его конструкции имеются статор (неподвижный элемент) и ротор (вращающаяся часть). При подаче тока статор создает магнитное поле, заставляющее ротор вращаться. Электродвигатели применяются практически во всех сферах деятельности человека, начиная с производства и заканчивая промышленностью. В сегодняшней статье поговорим о том, как классифицируются устройства, какие есть основные виды электродвигателей.
Классификация электродвигателей
Как такового разделения электрических двигателей нет. Обычно их классифицируют по типу питания (постоянный ток, переменный ток) и отсутствию/наличию скользящего контакта. Если учитывать эти критерии, то выделяют следующие виды электродвигателей: постоянного или переменного тока, синхронные, асинхронные, вентильные. При этом каждый тип имеет множество вариаций, которые влияют на характеристики, и их необходимо изучать индивидуально.
Постоянного тока
Электродвигатель постоянного тока представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию вращения. Он работает по принципу взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора, и магнитного поля, создаваемого обмотками ротора. Питание идет от химических источников питания, генераторов постоянного тока или от обычной электросети, но с использованием преобразователя.
Делятся такие двигатели на два основных вида:
- коллекторные;
- вентильные.
Каждый из них имеет свои особенности.
Коллекторные
В коллекторных двигателях имеются все те же элементы, что и в любых электродвигателях, то есть ротор и статор, и что самое важное, коллектор. Основное отличие лишь в том, что у коллекторных моторов хотя бы одна обмотка ротора обязательно соединена со щетками и коллектором.
Коллектор — деталь в форме цилиндра, которая состоит из медных пластинок, изолированных друг от друга прокладками из специального изолирующего материала. Металлическая часть коллектора не контактирует и с самим валом.
К пластинкам коллектора подведены концы обмотки ротора, а щеточный аппарат, который выступает второй частью коллекторного узла, находится в непосредственном контакте с ними. При подаче напряжения ток через щеточный аппарат поступает на обмотку, приводя в движение ротор.
Что интересно, существует универсальный тип таких двигателей, который работает и от постоянного, и от переменного тока. Конструктивно он особо не отличается от обычного коллекторного электромотора. Здесь происходит взаимодействие магнитных полей полюсов и обмоток ротора. Обмотки и ротор соединены последовательно, из-за чего смена полярности питания происходит во всех частях одномоментно. Для стабилизации взаимодействия используется шихтованный роторный сердечник.
Основные плюсы коллекторных электродвигателей:
- высокоскоростная работа — скорость вращения доходит до 10 000 оборотов в минуту;
- легкость управления — достаточно менять напряжение и ток, чтобы регулировать скорость;
- доступность — коллекторные двигатели дешевле многих аналогов;
- простота конструкции — запуск, использование, обслуживание и ремонт проводятся относительно легко и просто.
Однако из-за наличия коллектора в конструкции, устройства требовательны к техобслуживанию и нуждаются в замене щеточного аппарата. Кроме того, работа оборудования сопровождается высоким уровнем шума.
Вентильные
За счет использования современных технологий, в частности, полупроводниковых приборов, удалось заменить классические щетки на p-n переходы, которые и позволили создать вентильные электродвигатели.
В конструкции таких моторов предусмотрены все те же ротор и статор с обмотками, а вот роль щеточного механизма здесь уже выполняет полупроводниковая схема, причем якорь оснащается постоянными магнитами. Такие особенности конструкции позволяют значительно повысить коэффициент полезного действия устройства, уменьшить размеры, обеспечить более широкий диапазон скоростей, предотвратить искрообразование и наделить оборудование оптимальными динамическими характеристиками. Правда, двигатели сложны в управлении и намного дороже других видов электромоторов.
Выделяют две основные разновидности устройств:
- Вентильно-индукторный двигатель. Устройство, в котором магнитное сопротивление меняется, благодаря чему ротор вращается. Он работает за счет изменения индуктивности обмоток статора, когда зубчатый ротор движется. Питание двигателя происходит от преобразователя, который переключает обмотки в соответствии с положением ротора.
- С независимым возбуждением. Главная особенность агрегатов в том, что питание обмоток осуществляется через отдельный источник, за счет чего значение тока возбуждения не зависит от питающего напряжения и нагрузки. Конструктивная особенность — якорь, состоящий из двух разнесенных в стороны магнитных пакетов. Такие модели отличаются легкостью управления, отсутствием магнитов, коллектора и щеток. Для работы требуется преобразователь.
Вентильные двигатели — сложные системы, состоящие из разных компонентов, работающих вместе.
Устройства переменного тока
Есть только две модификации устройств переменного тока:
- асинхронные;
- синхронные.
Объясним особые черты каждой из них, расскажем о плюсах и минусах.
Асинхронные
Движки асинхронного типа — электротехнические устройства, где частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля, создаваемого переменным током статорной обмотки. Виды электродвигателей по типу якоря:
- с короткозамкнутым ротором;
- с фазным ротором.
Короткозамкнутый ротор обычно изготавливают в цельнометаллическом формате. Его вставляют в статор, оставляя небольшой зазор, чтобы не допустить электроконтакта со статором. Под действием магнитного поля якорь начинает вращаться. В конструкции отсутствует щеточный аппарат и дополнительная обмотка.
Асинхронный электродвигатель с фазным ротором имеет три обмотки с контактными кольцами. Также есть коллекторный узел со щетками. Снятие переменного тока происходит именно за счет них.
Плюсы и минусы, где применяются
Среди основных достоинств асинхронных движков переменного тока:
- простота конструкции;
- возможность подключения устройств напрямую к электросети;
- дешевизна;
- простое и редкое техобслуживание.
Что касается недостатков, то у асинхронных агрегатов малый пусковой момент, нет возможности регулировать скорость, плюс низкий коэффициент мощности. Кроме того, для их запуска требуется значительный пусковой ток, а электромагнитный момент зависит от напряжения электросети.
Применяются в компрессорах, водоснабжении, в автомобильной промышленности, в различных отраслях производства, бытовой технике. В основном используют там, где не требуются высокие скорости и точность их регулировки.
Синхронные электромоторы
Ключевым отличием синхронного двигателя от асинхронного является то, что ротор здесь имеет постоянные магниты. Именно они «фиксируют» вектор магнитного поля якоря в статоре. Магнитные элементы встраиваются внутрь или находятся на поверхности. Благодаря этому скорость вращения ротора синхронизуется с частотой вращения магнитного поля статора.
Среди преимуществ синхронных электродвигателей можно выделить:
- повышенный КПД по сравнению с асинхронными моделями;
- экономичность;
- стабильность работы;
- сохранение частоты вращения даже при воздействии механической нагрузки на валу;
- эксплуатация при высоком коэффициенте мощности.
К минусам в основном относят необходимость использовать частотный преобразователь. Но его наличие позволяет облегчить запуск оборудования и обеспечить регулировку скорости.
Применяются они в машино- и приборостроении, автомобильной и авиационной промышленности, дерево- и металлообработке. Выступают основным элементом компрессорных установок, станочного оборудования, поршневых насосов и прочей техники с похожим назначением.
