Что такое электрический двигатель?

Электродвигатели у нас сейчас повсюду. Как правило, там, куда мы даже и не заглядываем. Если автомобиль — это в большой степени для нас мотор на четырех колесах, который мы любим, знаем его характер и капризы, знаем, что ему нужно и как его содержать и с ним ладить, то электродвигатели обычно прячутся в самой разнообразной технике. Холодильник для нас — всего лишь холодильник. Лифт — пустая, чистая (в меру) комнатенка для подъема нас на наш родной этаж. Трамвай — эдакое место сборища и общения с громом, лязгом и плывущими панорамами за окном.

Во всех этих случаях мы, конечно, знаем, что там где-то внутри или далеко установлен электродвигатель, а то и не один, и он как раз и выполняет свою работу. Только когда что-то пошло не так, все остановилось и замерло, мы никогда не заподозрим именно его в отказе нас обслуживать. И, засучив рукава, не полезем внутрь снимать свечи, крутить жиклеры, интересоваться подачей топлива и прочее. Ответ обычно один — отключили электроэнергию. И как только она вернется, электродвижок сразу скромно и безотказно продолжит свою работу ровно с того места, где напасть его застала и остановила.

История

Электродвигатель изобрели очень давно — по меркам нынешнего технического прогресса — еще в начале XIX века. Майкл Фарадей, известный экспериментатор с магнитами и электрическим током в проводе, получил самое первое устройство преобразования тока в движение, случайно приладив рамочку с проводом на оси в поле постоянного магнита. Рамочка (или катушка с проводом) убегает в поле при включении тока, вот чтобы она «далеко не прыгала», ее заставили двигаться по кругу. Аналогичная система фиксации, только с помощью пружинки, привела к созданию электромагнитов и всего семейства устройств возвратно-поступательного движения: электромагнитных реле, электрозвонков и так далее.

Рамка проводника в поле проворачивалась на некоторый угол. Ну и придумали, как подать на нее электрическое напряжение так, чтобы после поворота ток в ней менял направление на обратное. Рамочка начала движение постоянное, хотя и «рывками», и это можно считать самым первым электродвигателем, а случилось это в 1821 году.

Называют такой двигатель электродвигателем постоянного тока. Это не совсем точно, потому что коллектор со щетками — контактная механическая прибамбаса, подающая ток на рамку — этот ток как раз прерывает, и уже в рамочке он всякий раз при вращении меняет направление. Хотя на сам двигатель напряжение подается именно постоянное, ну а другого тогда и не было. Для опытов брали постоянное напряжение от первых аккумуляторов — вольтова столба.

Потом заметили, что и сама рамка провода в электрическом поле, если ее «насильственно» вращать, начинает вырабатывать напряжение. Это назвали «электромагнитной индукцией».  Забавляясь теперь с новой «игрушкой», обнаружили, что по мере вращения рамочки напряжение на ее концах плавно меняется, и, таким образом, открыли возможность генерации переменного тока.

И вот уже потом сообразили, как переменным током вращать ту же самую рамочку, и даже без контактных искрящих прибамбасов. Вот так и получились двигатели переменного тока, и произошло  это уже в 80-е годы XIX века.

В настоящее время используются электродвигатели и постоянного, и переменного тока, разумеется, прошедшие уже порядочный путь совершенствования.

Электродвигатели постоянного тока

Машина, преобразующая электричество в механическую энергию, изобретенная первой, и понятна всем лучше. Хотя, при более подробном рассмотрении, оказывается, что двигатели переменного тока сделаны часто явно проще и остроумнее, хотя и не без своих, присущих именно им, недостатков.

В двигателях постоянного тока все пошло от постоянных магнитов, установленных на неподвижном основании двигателя и вращающейся в их поле рамки. Теперь неподвижная часть называется статор (магниты заменены электромагнитами), а подвижная часть — якорь. В якоре не одна обмотка, а несколько. По аналогии с двигателем внутреннего сгорания это как разные поршни, толкающие все по очереди один и тот же коленвал. Разные обмотки в якоре тоже сдвинуты относительно друг друга на некоторый угол, и совместное их действие делает движение вала более плавным и равномерным. Все закономерно и предсказуемо.

Но существуют и варианты:

• возбуждение от постоянных магнитов;
• с различными схемами соединения обмоток якоря и статора;
• бесколлекторный двигатель, в котором специальная схема отслеживает положение ротора и соответственно этому управляет магнитным полем статора.

Достоинства и недостатки

• Самое главное преимущество двигателя постоянного тока — это то, что в нем легко и естественно происходит управление скоростью. Собственно говоря, двигатель создает момент вращения, пропорциональный приложенному напряжению. Этот момент вращает якорь двигателя с некоторой скоростью холостого хода. При наличии нагрузки на валу двигателя скорость вращения уменьшается, и, увеличив напряжение реостатом, можно добиться нужной скорости вращения. Так это и делается, например, в трамвае или троллейбусе.
• Другой практический плюс у электродвигателя постоянного тока — это большой пусковой момент.
• Компактность и простота конструкции дают таким двигателям широкое распространение. Двигатели постоянного тока очень удобны при питании от батареек и в различных миниатюрных приборах — компьютерах, игрушках и т.д.
• Как обратимые машины, двигатели постоянного тока могут использоваться и в режиме генерации. то есть утилизации двигательной инерции, например, транспортных средств. 

Слабым местом электродвигателя постоянного тока является его коллектор. Это контактное устройство, подверженное постоянному трению и износу. Кроме того, прохождение тока вызывает искрение и дополнительный износ коллектора и щеток.

Такое свойство конструкторы постарались преодолеть, создав бесколлекторный двигатель постоянного тока. В этом случае получилось замещение одного минуса другим — бесколлеторный двигатель получил теперь большую сложность и дороговизну.

Электродвигатели переменного тока

Электродвигатели переменного тока никак не могли появиться раньше, чем научились генерировать переменный ток, от которого они и питаются.

Переменное напряжение

Генерация получилась, когда всяко-разно пытались скомбинировать все те же компоненты: рамку проводниковую и постоянный магнит. Наилучший и наиболее показательный вариант получился, когда рамку установили постоянно, а вращать принялись магнит в середине нее.

Полученный прибор порадовал, главным образом, отсутствием устройства, которое должно снимать напряжение с вращающихся проводников — коллектора. При вращении магнита на неподвижных контактах рамки действительно появилось напряжение, только поначалу непривычное — переменное, строго синусоидальное и с частотой, прямо зависящей от скорости вращения.

Ну и оказалось, что переменный синусоидальный ток можно преобразовывать обратно в движение, не заботясь совсем о его выпрямлении. А просто изготовив двигатель переменного тока.

С тех пор у нас и началась эпоха сетей переменного тока, постепенно охватившего всю страну и всю планету. В коей мы сейчас благополучно и существуем.

Разновидности двигателей переменного тока

Так как ток у нас переменный синусоидальный, то следует и ожидать, что ротор двигателя на нем будет вращаться с его частотой синхронно или не совсем. Поэтому и двигатели переменного тока бывают синхронные и асинхронные.

Кроме того, переменный ток бывает однофазный и многофазный. Соответственно, и двигатели переменного тока могут быть рассчитаны на определенное количество фаз.

Самый главный принцип двигателей переменного тока — это то, что ротор заставляет двигаться электромагнитное поле, «бегущее» по кругу по неподвижным катушкам статора. Это достигается благодаря тому, что напряжение, питающее двигатель, переменное, и если соответствующим образом и в соответствующем порядке подключить обмотки, то такое поле и заставит крутиться ротор вслед за своим (поля) движением. Весь вопрос в том, как хорошо ротор будет успевать крутиться.

Синхронный двигатель переменного тока

 У синхронного двигателя ротор вращается синхронно с изменением электромагнитного поля в статоре. То есть пропорционально частоте напряжения в сети. Пропорция зависит от количества полюсов обмоток на статоре. Если полюсных обмоток всего две — одна сверху и одна снизу — то движение ротора будет строго синхронно частоте напряжения питания. Если количество катушек (обмоток) увеличить вдвое, то и скорость вращения увеличится вдвое, так как магнитное поле в обмотках будет бежать по ним вдвое быстрее.

В роторе могут быть установлены постоянные магниты, но при этом большой мощности двигателя добиться трудно. Поэтому и в роторе используются электромагниты, на обмотки которых подается отдельное напряжение возбуждения. Для этого используют коллектор и щетки, почти такие же, как у двигателя постоянного тока. А для создания напряжения возбуждения может быть использован отдельный генератор постоянного тока, насаженный на ту же ось. В этом случае можно обойтись и без коллектора, а подавать напряжение возбуждения с одного вращающегося ротора (генератора) на другой (двигателя).

Как видим, система получается довольно замысловатой.

Самое главное преимущество таких двигателей — синхронность.

Недостаток — плохой запуск двигателя. Для этого может быть использован режим асинхронной работы, и тогда при достижении «подсинхронной» скорости» производится переключение в синхронный режим.

Асинхронный двигатель переменного тока

Асинхронный двигатель использует в роторе короткозамкнутые обмотки, в которых наводится напряжение возбуждения, и уже это напряжение и толкает ротор, заставляя его двигаться вслед за бегущим по обмоткам статора круговым «волнам» магнитного поля от переменного тока, приложенного к обмоткам. Обмотки в роторе часто называют «беличьей клеткой», и они действительно на нее похожи.

Ротор разгоняется «почти» до состояния синхронизации, но идеального совпадения быть не может, так как если скорость ротора равна скорости вращения поля, то в «беличьей клетке» наводка напряжения возбуждения станет невозможна. Поэтому асинхронные двигатели так и работают: сначала «почти» догоняют синхронную скорость, потом «проскальзывают»,  и скорость падает.

Постепенно ротор принимает некоторую скорость вращения, слегка отличающуюся от синхронной скорости. И так и работает дальше. При изменении нагрузки на валу меняется и это рассогласование — если нагрузка больше, оно увеличивается, если меньше — уменьшается.

Ну и используются асинхронные двигатели там, где точная скорость вращения не критична, например, в вентиляторах.

Несомненным плюсом является простота двигателя, отсутствие коллекторной системы, умение хорошо разгоняться.

Минусом, кроме неточности скорости, является свойство обмоток «беличьей клетки» сильно греться во время работы, и тем больше, чем больше нагрузка.

Поэтому беличью клетку и выполняют с радиаторными ребрами и крыльчатками для охлаждения.