Как электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Какие основные части входят в состав электродвигателя. Чем отличаются двигатели постоянного и переменного тока. Почему важна легкость конструкции современных электродвигателей.
Принцип работы электродвигателя: преобразование энергии
Электродвигатель — это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Но как именно происходит этот процесс? Ключевую роль здесь играет явление электромагнитной индукции.
При подаче электрического тока на обмотки статора создается магнитное поле. Это поле взаимодействует с магнитным полем ротора, вызывая его вращение. Таким образом, энергия электрического тока преобразуется в механическое движение вала двигателя.
Интересно, что этот процесс обратим — при вращении ротора в магнитном поле статора в его обмотках индуцируется электрический ток. На этом принципе работают электрогенераторы.
Основные компоненты электродвигателя
Какие ключевые части входят в состав любого электродвигателя? Рассмотрим основные компоненты:
- Статор — неподвижная часть двигателя, содержащая электромагниты или постоянные магниты
- Ротор — вращающаяся часть, взаимодействующая с магнитным полем статора
- Обмотки — провода, по которым протекает ток, создающий магнитное поле
- Вал — передает вращательное движение ротора на внешнюю нагрузку
- Подшипники — обеспечивают плавное вращение ротора
- Корпус — защищает внутренние компоненты двигателя
Взаимодействие этих компонентов обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую работу.
Типы электродвигателей: постоянного и переменного тока
Существует два основных типа электродвигателей — постоянного (DC) и переменного (AC) тока. В чем их ключевые отличия?
Двигатели постоянного тока
Двигатели постоянного тока работают от источников постоянного напряжения, таких как аккумуляторы. Их основные особенности:
- Простота управления скоростью вращения
- Высокий пусковой момент
- Компактные размеры
- Широкий диапазон мощностей
Благодаря этим качествам DC-двигатели часто применяются в портативной технике, электромобилях, роботах.
Двигатели переменного тока
AC-двигатели подключаются к сети переменного тока. Их преимущества:
- Высокая надежность
- Простота конструкции
- Низкая стоимость
- Возможность работы при высоких мощностях
Двигатели переменного тока широко используются в промышленном оборудовании, насосах, вентиляторах.
Современные тенденции: легкие и эффективные электродвигатели
Почему так важно создавать более легкие электродвигатели? Этому есть несколько причин:
- Снижение энергопотребления — легкий двигатель требует меньше энергии для работы
- Повышение эффективности — уменьшение массы позволяет увеличить КПД
- Улучшение динамических характеристик — легкий ротор быстрее реагирует на управляющие сигналы
- Расширение сферы применения — компактные двигатели можно использовать там, где размер критичен
Особенно актуально создание легких двигателей для электротранспорта, авиации и космической техники, где каждый грамм на счету.
Бесщеточные двигатели постоянного тока: передовая технология
Одной из наиболее перспективных разработок являются бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC). Какие преимущества они предлагают?
- Высокая эффективность — до 90% и выше
- Большой крутящий момент
- Точный контроль скорости
- Длительный срок службы
- Низкий уровень шума и вибраций
BLDC-двигатели находят применение в самых разных областях — от бытовой техники до электромобилей и дронов.
Электродвигатели с осевым магнитным потоком: инновационный подход
Что отличает электродвигатели с осевым магнитным потоком от традиционных конструкций? Ключевые особенности:- Плоская форма — двигатель имеет небольшую осевую длину
- Высокая удельная мощность — больше мощности при меньших размерах
- Эффективное охлаждение — хороший теплоотвод благодаря плоской конструкции
- Гибкость конструкции — возможность создания многополюсных систем
Такие двигатели особенно перспективны для применения в электротранспорте, где важны компактность и эффективность.
Роль постоянных магнитов в современных электродвигателях
Почему постоянные магниты так важны для создания эффективных электродвигателей? Рассмотрим их ключевые преимущества:
- Высокая энергоэффективность — не требуют затрат энергии на создание магнитного поля
- Компактность — позволяют уменьшить размеры двигателя
- Стабильность характеристик — магнитное поле не меняется со временем
- Возможность создания сильных магнитных полей
Особенно эффективно использование редкоземельных магнитов, таких как неодимовые. Они обеспечивают максимальную силу магнитного поля при минимальных размерах.
Перспективы развития электродвигателей
Какие тенденции определяют будущее электродвигателей? Основные направления развития:
- Повышение энергоэффективности
- Уменьшение размеров и веса
- Использование новых материалов (сверхпроводники, композиты)
- Интеграция с электронными системами управления
- Разработка специализированных двигателей для конкретных применений
Развитие технологий электродвигателей играет ключевую роль в таких областях, как электротранспорт, возобновляемая энергетика, робототехника. Создание более эффективных двигателей позволит снизить энергопотребление и уменьшить воздействие на окружающую среду.
Как работает электродвигатель в автомобиле
Трехфазный четырехполюсный асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статор состоит из трех частей: сердечника статора, токопроводящего провода и каркаса. Сердечник статора представляет собой группу стальных колец, изолированных друг от друга, а затем склеенных между собой.
Внутри этих колец есть прорези, вокруг которых наматывается токопроводящий провод, образуя катушки статора. Проще говоря, в трехфазном асинхронном двигателе есть три разных типа проводов. Вы можете назвать эти типы проводов Фаза 1, Фаза 2 и Фаза 3.
Провода каждого типа наматываются на пазы на противоположных сторонах внутренней части сердечника статора. Как только токопроводящий провод находится внутри сердечника статора, сердечник помещается в раму.
Из-за сложности темы ниже приводится упрощенное объяснение того, как четырехполюсный трехфазный асинхронный двигатель переменного тока работает в автомобиле. Он начинается с аккумулятора в автомобиле, который подключен к двигателю. Электроэнергия подается на статор через автомобильный аккумулятор. Катушки внутри статора (сделанные из проводящего провода) расположены на противоположных сторонах сердечника статора и действуют как магниты. Поэтому, когда электрическая энергия от автомобильного аккумулятора подается на двигатель, катушки создают вращающиеся магнитные поля, которые тянут за собой проводящие стержни снаружи ротора. Вращающийся ротор создает механическую энергию, необходимую для вращения шестерен автомобиля, которые, в свою очередь, приводят во вращение шины. Теперь в типичном автомобиле, т. е. неэлектрическом, есть и двигатель, и генератор. Аккумулятор питает двигатель, который питает шестерни и колеса. Вращение колес — это то, что затем приводит в действие генератор в автомобиле, а генератор заряжает аккумулятор. Вот почему вам советуют некоторое время ездить на машине после прыжка: аккумулятор необходимо перезарядить, чтобы он функционировал должным образом.
В электромобиле нет генератора.
Так как тогда заряжается батарея? Хотя отдельного генератора переменного тока нет, двигатель в электромобиле действует как двигатель и генератор переменного тока.
Это связано с переменным характером сигнала переменного тока, который позволяет легко повышать или понижать напряжение до различных значений. Это одна из причин, по которой электромобили настолько уникальны.
Как упоминалось выше, аккумулятор запускает двигатель, который подает энергию на шестерни, вращающие колеса. Этот процесс происходит, когда ваша нога находится на педали акселератора — ротор притягивается вращающимся магнитным полем, что требует большего крутящего момента. Но что происходит, когда вы отпускаете акселератор? Когда ваша нога отпускает педаль акселератора, вращающееся магнитное поле останавливается, и ротор начинает вращаться быстрее (в отличие от магнитного поля).
Когда ротор вращается быстрее, чем вращающееся магнитное поле в статоре, это действие перезаряжает батарею, действующую как генератор переменного тока.
Концептуальные различия между этими двумя типами тока должны быть очевидны; в то время как один ток (постоянный) постоянен, другой (переменный) более прерывистый. Однако все немного сложнее, чем простое объяснение, поэтому давайте разберем эти два термина более подробно.
Постоянный ток (DC) Непрерывный ток относится к постоянному и однонаправленному электрическому потоку. Кроме того, напряжение сохраняет полярность во времени. Фактически, на батареях четко обозначены положительные и отрицательные полюса. Они используют постоянную разность потенциалов для создания тока всегда в одном и том же направлении. В дополнение к батареям, топливным элементам и солнечным батареям, скольжение между конкретными материалами также может производить постоянный ток.
Термин «переменный ток» определяет тип электричества, характеризующийся напряжением (представьте себе давление воды в шланге) и током (представьте скорость потока воды через шланг), которые изменяются во времени ( рисунок 1). Когда напряжение и ток сигнала переменного тока изменяются, они чаще всего следуют синусоидальной форме. Из-за того, что форма волны представляет собой синусоидальную волну, напряжение и ток чередуются между положительной и отрицательной полярностью при просмотре с течением времени. Синусоидальная форма сигналов переменного тока обусловлена тем, как генерируется электричество.
Еще один термин, который вы можете услышать при обсуждении переменного тока, — это частота. Частота сигнала — это количество полных волновых циклов, совершенных за одну секунду времени. Частота измеряется в герцах (Гц), а в Соединенных Штатах стандартная частота электросети составляет 60 Гц. Это означает, что сигнал переменного тока колеблется со скоростью 60 полных возвратно-поступательных циклов каждую секунду.
Электричество переменного тока — лучший способ передачи полезной энергии от источника генерации (например, плотины или ветряной мельницы) на большие расстояния.
Рис. 2. Многофазная система использует несколько напряжений для сдвига фаз отдельно друг от друга, чтобы намеренно выйти из строя. Это связано с переменным характером сигнала переменного тока, который позволяет легко повышать или понижать напряжение до различных значений. распределительный трансформатор, который подает электроэнергию в район (эти цилиндрические серые коробки, которые вы видите на опорах линий электропередач), может иметь напряжение до 66 кВА (66 000 вольт переменного тока).
Энергия переменного тока позволяет нам создавать генераторы, двигатели и распределительные системы на электричестве, которые намного более эффективны, чем постоянный ток, поэтому переменный ток является наиболее популярным источником энергии для питания приложений.
Большинство крупных промышленных двигателей — это асинхронные двигатели, которые используются для питания дизельных поездов, посудомоечных машин, вентиляторов и многих других устройств.
Однако что именно означает «асинхронный двигатель»?
С технической точки зрения это означает, что обмотки статора индуцируют ток, протекающий по проводникам ротора.
Проще говоря, это означает, что двигатель запускается, потому что электричество индуцируется в ротор магнитными токами, а не прямым подключением к электричеству, как в других двигателях, таких как коллекторный двигатель постоянного тока.
Что означает полифаза? Всякий раз, когда у вас есть статор, содержащий несколько уникальных обмоток на полюс двигателя, вы имеете дело с многофазностью (рис. 2).
Чаще всего предполагается, что многофазный двигатель состоит из трех фаз, но есть двигатели, использующие две фазы. А многофазная система использует несколько напряжений для сдвига фаз отдельно от каждого, чтобы намеренно выйти из строя.
Что означает трехфазный ? Основываясь на основных принципах Николы Теслы, определенных в его многофазном асинхронном двигателе, представленном в 1883 году, «три фазы» относятся к токам электрической энергии, которые подаются на статор через аккумулятор автомобиля (рис.
3).
Эта энергия приводит к тому, что катушки проводящего провода начинают вести себя как электромагниты. Простой способ понять три фазы — рассмотреть три цилиндра в форме буквы Y, использующие энергию, направленную к центральной точке, для выработки энергии. По мере создания энергии ток течет в пары катушек внутри двигателя таким образом, что он естественным образом создает северный и южный полюс внутри катушек, позволяя им действовать как противоположные стороны магнита.
По мере того, как эта технология продолжает развиваться, производительность электромобилей начинает быстро догонять и даже превосходить их бензиновые аналоги. Хотя до электромобилей еще далеко, скачки, которые сделали такие компании, как Tesla и Toyota, вселили надежду на то, что будущее транспорта больше не будет зависеть от ископаемого топлива. На данный момент мы все знаем об успехе, который Tesla добилась в этой области, выпустив седан Tesla Model S, который способен проезжать до 288 миль, развивать скорость до 155 миль в час и имеет крутящий момент 687 фунт-футов.
Тем не менее, есть десятки других компаний, которые добились значительного прогресса в этой области, например, Ford Fusion Hybrid, Toyota Prius и Camry-Hybrid, Mitsubishi iMiEV, Ford Focus, BMW i3, Chevy Spark и Mercedes B-Class Electric. (рис. 4).
Электрические двигатели воздействуют на окружающую среду как напрямую , так и косвенно на микро- и макроуровне. Это зависит от того, как вы хотите воспринимать ситуацию и сколько энергии вы хотите. С индивидуальной точки зрения, электромобилям не требуется бензин для работы, что приводит к тому, что автомобили без выбросов заполняют наши дороги и города. Хотя это создает новую проблему, связанную с дополнительным бременем производства электроэнергии, это снижает нагрузку на миллионы автомобилей, густонаселяющих города и пригороды, и выбрасывающие в воздух токсины (рис. 5).
Примечание. Значения MPG (миль на галлон), указанные для каждого региона, представляют собой комбинированный рейтинг экономии топлива в городе/шоссе для бензинового транспортного средства, которое будет иметь глобальное потепление, эквивалентное вождению электромобиля.
Региональные рейтинги выбросов глобального потепления основаны на данных электростанций за 2012 год из базы данных EPA eGrid 2015. Сравнения включают выбросы при производстве бензина и электроэнергии. Средний показатель расхода топлива в 58 миль на галлон в США — это средневзвешенное значение продаж, основанное на том, где электромобили были проданы в 2014 году. С крупномасштабной точки зрения рост электромобилей дает несколько преимуществ.
Во-первых, снижается шумовое загрязнение, поскольку шум, издаваемый электрическим двигателем, намного тише, чем шум двигателя, работающего на газу. Кроме того, поскольку электрические двигатели не требуют такого же типа смазочных материалов и технического обслуживания, как газовый двигатель, количество химикатов и масел, используемых в автосервисах, будет сокращено из-за меньшего количества автомобилей, нуждающихся в проверках.
Электрический двигатель меняет ход истории так же, как паровой двигатель и печатный станок изменили прогресс. Хотя электрический двигатель не прокладывает новые пути в том же ключе, что и эти изобретения, он открывает совершенно новый сегмент транспортной отрасли, который ориентирован не только на стиль и производительность, но и на внешнее воздействие . Таким образом, хотя электрический двигатель может и не реформировать мир из-за внедрения какого-то совершенно нового изобретения или создания нового рынка, он переопределяет то, как мы, как общество, определяем прогресс. Если больше ничего не выйдет из достижений с электрическим двигателем, по крайней мере, мы можем сказать, что наше общество продвинулось вперед благодаря нашему осознанию нашего воздействия на окружающую среду. Это новое определение прогресса, определяемое электрическим двигателем.
(Джилл Скотт)
Зачем нужны более легкие электродвигатели
Что такое электродвигатель?
Электродвигатель, как преобразователь энергии, преобразует электрический ток в механическое движение, управляя переходом магнитного поля.
И наоборот, они могут преобразовывать механическое движение в электрическую энергию, поэтому их называют генераторами. Электродвигатели и генераторы имеют различную электрическую конструкцию; однако физическим принципом обоих процессов генерации является электромагнитная индукция. В генераторе изменения магнитного поля из-за механического движения индуцируют ток, и вырабатывается электрическая энергия, тогда как в электрическом двигателе электрический ток, протекающий через проводник, индуцирует магнитные поля, которые приводят к механическому движению. Переменное магнитное притяжение и отталкивание создают предпосылку для создания движения.Как работают электродвигатели?
Статор и ротор являются основными частями обычного электродвигателя. Термин «статор» описывает неподвижную, все еще стоящую часть электродвигателя. Ротор, находящийся на противоположной стороне, является подвижной (вращающейся) частью электродвигателя.
Статор обычно включает в себя сердечник, обернутый (обычно медными) проводами.
Эта катушка создает магнитное поле, когда электрический заряд течет по проводам. В результате ротор следует за переменным магнитным полем статора; и, таким образом, вращается.
Если плоскостное направление магнитного потока параллельно оси вращения электродвигателя, то он называется электродвигателем с радиальным потоком. Если плоскостное направление магнитного потока перпендикулярно оси вращения электродвигателя, то он называется электродвигателем с осевым потоком. В дополнение к типу двигателя, поскольку большинство электродвигателей изготовлены с радиальным потоком, термин «осевой поток» упоминается только в том случае, если двигатель является электродвигателем с осевым потоком. Например в нашем Бесщеточный электродвигатель постоянного тока с осевым магнитным потоком: AFPM-S.
Термин «блинчатый электродвигатель» очень часто объединяется с электродвигателями с осевым потоком из-за их тонкой, плоской в осевом направлении конструкции.
Какие типы электродвигателей существуют?
Доступны различные типы электродвигателей.
Источник питания — это один из способов различить различные типы.
Электродвигатели постоянного тока
К этому типу относятся электродвигатели, работающие на постоянном токе (DC), такие как батареи. Как и большинство электродвигателей, двигатели постоянного тока включают в себя неподвижную часть, статор, и подвижную часть, ротор. Статор состоит либо из постоянных магнитов, которые непрерывно создают магнитное поле, либо из электромагнита, который используется для создания магнитного потока. Катушки различных типов используются для создания электромагнитных полей. Если катушка питается от источника постоянного тока, она создает магнитный поток и превращается в электромагнит. Ротор подвижен, так что он может вращаться и совпадать с притягивающими полюсами магнитного потока.
Чтобы электродвигатель оставался в непрерывном движении, магнитное выравнивание необходимо менять на обратное снова и снова. Это непрерывное изменение направления электрического тока внутри катушки называется импульсом.
Если импульс достигается за счет щетки, которая разрезает и снова соединяет цепь в обоих направлениях, то речь идет о коллекторном двигателе постоянного тока. В настоящее время почти каждый двигатель постоянного тока является бесщеточным, где генерация импульсов регулируется электронным регулятором скорости (ESC).
Меняющиеся силы притяжения и отталкивания поддерживают вращение ротора.
Бесщеточные электродвигатели постоянного тока хорошо известны тем, что обеспечивают большой крутящий момент и могут хорошо контролироваться на переменной скорости. Поэтому они предпочтительнее для довольно небольших приложений, идеальный выбор для аэрокосмических приложений, дронов, БПЛА, электрических велосипедов, лифтов или электромобилей.
Асинхронные электродвигатели переменного тока
Вместо постоянного тока для электродвигателя переменного тока требуется переменный электрический ток. В асинхронных двигателях переменного тока вращение происходит за счет электромагнитной индукции ротора.
Статор содержит обмотки (катушки), смещенные на фиксированный угол для каждой фазы тока. При подключении к переменному току каждая катушка создает магнитное поле, которое вращается в ритме временно смещенной частоты линии. Ротор, индуцируемый электромагнитным полем, начинает вращаться, следуя по магнитному пути. По этой причине электродвигатели переменного тока также называют асинхронными двигателями, поскольку они работают только за счет электромагнитно индуцированного напряжения. Они работают асинхронно, потому что скорость вращения ротора, индуцируемого электромагнитным полем, никогда не поспевает за скоростью вращения магнитного потока. Из-за этого скольжения КПД асинхронных двигателей переменного тока уступает двигателям постоянного тока.
Синхронные электродвигатели переменного тока
В технологии синхронного электродвигателя переменного тока скорость прямо пропорциональна входной частоте переменного тока и изменяется при изменении частоты. Как правило, ротор оснащен постоянными магнитами, а не обмотками.
Таким образом, электромагнитная индукция ротора может быть исключена, а также ротор вращается синхронно без проскальзывания с той же скоростью вращения, что и поток статора. КПД и удельная мощность значительно выше, чем у асинхронных электродвигателей.
Что отличает Turncircles: наш сверхлегкий бесщеточный электродвигатель постоянного тока с осевым потоком постоянного магнита для любого применения из нашей масштабируемой и наращиваемой системы
Наша сверхлегкая технология бесщеточного электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами является опережающим осевым потоком и обеспечивает более высокий крутящий момент при меньшем весе. Вот где беспрепятственная эффективность достигается на уровне приложений.
Почему электродвигатели с постоянными магнитами?
Высококачественные магниты изготавливаются из редкоземельного неодимового металла, который является очень тяжелым и дорогим металлом. Однако при правильном использовании мы можем извлечь из них максимальную пользу, потому что постоянные магниты являются очень эффективными устройствами для хранения энергии.
Однажды намагничившись, они сохраняют свой заряд в течение сотен лет.
По оценкам, неодимовый магнит теряет около 5% своего магнетизма каждые 100 лет.
Постоянные магниты также обеспечивают гибкость конструкции электродвигателя, поскольку их можно размещать независимо от источника питания.
Поскольку мы хотим эффективно использовать всю магнитную силу постоянных магнитов, нам нужно направить эту силу туда, где она необходима: прямо рядом с катушкой. Увеличенная магнитная сила не только обеспечит высокий крутящий момент, но и повысит эффективность двигателя.
Для этого обычно за магнитами помещают подложку из ферромагнитного сплава. Эта железная опорная пластина делает электродвигатель тяжелым.
Необходимости в опорной пластине можно избежать за счет конфигурации массива Хальбаха, когда постоянные магниты расположены особым образом, магнитное поле будет сосредоточено на одной стороне массива.
