Что такое двигатель и как он работает? Типы и принципы

Что такое двигатель: основное определение

Двигатель — это устройство, которое преобразует одну форму энергии в механическое движение — в частности, вращательное или линейное движение. В самом широком смысле этот термин охватывает двигатели внутреннего сгорания, гидравлические двигатели и пневматические приводы, но в современной технике и повседневном использовании термин «двигатель» почти всегда относится к электродвигатель : машина, преобразующая электрическую энергию в механическую работу посредством взаимодействия магнитных полей.

Электродвигатели являются доминирующим механическим первичным двигателем в мире. Они приводят в движение насосы, компрессоры, вентиляторы, конвейерные ленты, станки, электромобили, бытовую технику и практически все автоматизированное промышленное оборудование. По оценкам, на электродвигатели приходится примерно 45–50% всего мирового потребления электроэнергии. — цифра, которая отражает, насколько полно двигатели лежат в основе современной промышленной и бытовой жизни. Понимание того, что такое двигатель и как он работает, является фундаментальным знанием для любого, кто работает в сфере проектирования, производства или строительства.

Физический принцип, лежащий в основе каждого электродвигателя

Все электродвигатели — независимо от типа, размера или номинальной мощности — работают на одном физическом принципе: на проводник, по которому течет электрический ток, помещенный в магнитное поле, действует механическая сила . Это описывается законом силы Лоренца, который гласит, что сила, действующая на проводник с током, пропорциональна величине тока, напряженности магнитного поля и длине проводника внутри поля.

В практическом двигателе этот принцип применяется непрерывно и с контролируемой геометрией для обеспечения устойчивого вращения. Проводники расположены в виде катушки на вращающемся компоненте (роторе), окруженном магнитным полем, создаваемым либо постоянными магнитами, либо электромагнитами в неподвижном компоненте (статоре). Когда ток протекает через проводники ротора, сила Лоренца толкает их по касательной, то есть под прямым углом как к направлению тока, так и к направлению магнитного поля, создавая крутящий момент вокруг оси вращения двигателя.

Задача проектирования двигателей заключается в постоянном поддержании этого крутящего момента при вращении ротора. Если бы направление тока в проводниках оставалось неизменным во время вращения ротора, направление силы изменилось бы после половины оборота, и ротор замедлился бы обратно в исходное положение. Все конструкции двигателей решают эту проблему по-разному — и эти разные решения определяют отдельные типы двигателей, используемые в отрасли.

Основные части электродвигателя

Несмотря на большое разнообразие конструкций двигателей, практически все электродвигатели имеют одни и те же фундаментальные конструктивные компоненты:

• Статор: Стационарная внешняя конструкция двигателя. Содержит обмотки возбуждения или постоянные магниты, которые создают магнитное поле, в котором работает ротор. В асинхронных двигателях переменного тока обмотки статора также генерируют вращающееся магнитное поле, которое приводит в движение ротор.
• Ротор (якорь): Вращающийся внутренний компонент. Содержит проводники или постоянные магниты, которые взаимодействуют с полем статора для создания крутящего момента. Ротор установлен на центральном валу, который передает механическую мощность на приводимую нагрузку.
• Вал: Стальной стержень, проходящий через центр ротора, передает вращательную механическую энергию на ведомую машину — крыльчатку насоса, лопатку вентилятора, редуктор, колесо или любую другую нагрузку.
• Подшипники: Поддержите вал ротора и позвольте ему вращаться с минимальным трением внутри статора. Шариковые подшипники являются стандартными для большинства применений; подшипники скольжения используются в маломощных двигателях; роликовые и конические подшипники выдерживают высокие осевые нагрузки в тяжелых промышленных двигателях.
• Корпус (каркас, корпус): Внешний корпус, поддерживающий статор, защищает внутренние компоненты от окружающей среды, а в большинстве двигателей рассеивает тепло через ребра на внешней поверхности. Степень защиты корпуса (степень IP) определяет уровень защиты от проникновения пыли и воды.
• Коллектор и щетки (только двигатели постоянного тока): Механизм переключения меняет направление тока в обмотках ротора для поддержания постоянного крутящего момента. Отсутствует в конструкциях двигателей переменного тока и бесщеточных двигателей, где функция коммутации осуществляется электрически с помощью сигнала питания или электронного контроллера.

Как работает мотор: шаг за шагом

1. Электроэнергия подается к клеммам двигателя либо в виде постоянного тока (округ Колумбия), либо переменного тока (переменного тока) в зависимости от типа двигателя.
2. Ток течет через обмотки статора (или обмотки ротора в некоторых конструкциях), создающие магнитное поле. В двигателях с постоянными магнитами поле статора всегда присутствует без электрического возбуждения.
3. Проводники или магниты ротора взаимодействуют с магнитным полем статора. Сила Лоренца действует на токоведущие проводники ротора, или магнитное притяжение и отталкивание действуют между магнитами ротора и статора, создавая тангенциальную силу — крутящий момент — на роторе.
4. Ротор ускоряется и достигает рабочей скорости, в этот момент движущий момент равен моменту нагрузки (трение, инерция и механическое сопротивление ведомой машины). В этом равновесии двигатель работает со стабильной скоростью.
5. Механизм коммутации поддерживает постоянный крутящий момент. по мере вращения ротора. В щеточных двигателях постоянного тока коммутатор меняет направление тока в обмотках ротора точно в правильном положении вращения. В двигателях переменного тока переменный ток питания естественным образом меняет направление, создавая вращающееся магнитное поле, за которым следует ротор. В бесщеточных двигателях постоянного тока и синхронных двигателях электронный контроллер последовательно переключает ток через обмотки статора, чтобы поддерживать ориентацию поля, создающего крутящий момент.
6. Механическая мощность передается на выходной вал, определяется как произведение крутящего момента и скорости вращения (Мощность = Крутящий момент × Угловая скорость). КПД двигателя — соотношение механической выходной мощности к электрической входной мощности — определяет, какая часть электрической энергии преобразуется с пользой, а не теряется в виде тепла в обмотках и сердечнике.

Основные типы двигателей и принципы их работы

Ключевые параметры производительности двигателя

При выборе или оценке двигателя следующие параметры определяют диапазон его производительности:

• Номинальная мощность (кВт или л.с.): Непрерывная механическая мощность, которую двигатель может обеспечить без превышения его теплового номинала. Эксплуатация двигателя на мощности, превышающей его номинальную, приводит к ухудшению изоляции обмоток и сокращению срока службы.
• Номинальная скорость (об/мин): Скорость вращения, при которой двигатель развивает номинальную мощность. Асинхронные двигатели переменного тока имеют синхронную скорость, определяемую частотой питания и количеством полюсов — 4-полюсный двигатель с частотой питания 50 Гц работает со скоростью примерно 1450–1480 об/мин под нагрузкой (синхронная скорость 1500 об/мин минус скольжение).
• Крутящий момент (Нм): Сила вращения, которую производит двигатель. Пусковой крутящий момент (крутящий момент заблокированного ротора) — это крутящий момент, доступный при нулевой скорости, что критично для нагрузок, требующих большого усилия для начала движения. Крутящий момент при полной нагрузке — это крутящий момент при номинальной скорости и мощности.
• Эффективность (%): Отношение механической выходной мощности к электрической входной мощности. Современные асинхронные двигатели переменного тока премиум-класса (IE3 и IE4) достигают КПД 93–97% при полной нагрузке; старые стандартные двигатели могут работать на 85–90%. Эта разница существенно влияет на эксплуатационные расходы в течение 15–20-летнего срока службы двигателя.
• Рабочий цикл: Определяет, рассчитан ли двигатель на непрерывную работу (S1), кратковременный режим работы (S2) или повторно-кратковременный режим работы (S3–S9). Двигатель, рассчитанный на повторно-кратковременный режим работы, быстро перегреется, если будет работать непрерывно с полной нагрузкой.