Двигатели постоянного и переменного тока

Электронный коммутатор мостового типа

Самая простая конструкция электронного коммутатора выполняется на четырех силовых ключах. В каждом плече мостовой схемы присутствует по два мощных транзистора, столько же электронных ключей с односторонней проводимостью. Напротив ротора магнитного двигателя размещается два датчика, которые контролируют положение постоянного магнита на нем. Располагаются они как можно ближе от ротора. Функции этого датчика выполняет простейший прибор, который способен работать под воздействием магнитного поля — геркон.

Датчики, считывающие положение постоянного магнита на роторе, размещаются следующим образом:

1. Первый находится у торца соленоида.
2. Второй расположен со сдвигом в 90 градусов.

Выходы датчиков подключаются к логическому устройству, которое усиливает сигнал, а затем подает его на входы управления полупроводниковых транзисторов. С помощью подобных цепей работает и электромагнитный клапан остановки двигателя внутреннего сгорания.

На обмотках электрического генератора установлена нагрузка. В цепях питания катушки и коммутатора есть элементы, предназначенные для управления и защиты. При помощи автоматического переключателя можно произвести отключение аккумуляторной батареи, чтобы вся машина перешла на питание от электрического генератора (автономный режим).

Как работает электродвигатель

Двигатель работает на основе эффекта, обнаруженного Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращение.

Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться.

В результате рамка повернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент.

На рисунке это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.

В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.

В быту же постоянные магниты используются в детских игрушках на батарейках.

В других же более мощных двигателях используются только электромагниты или обмотки. Вращающаяся часть с ними называется ротор, а неподвижная- статор.

Устройство и принцип действия электродвигателя постоянного тока

Машины, осуществляющие свою работу при присоединении к ним тока, не меняющего свою полярность, называют машинами постоянного тока. Они превращают электричество в механическую энергию.

Принцип работы электродвигателя всякой конструкции опирается на использование закона электромагнитной индукции и явления самоиндукции.

Информация. В замкнутом контуре или рамке, помещённой в магнитное поле (МП) постоянных магнитов, возникает электродвижущая сила (ЭДС). Это происходит в результате пронизывания рамки электромагнитными линиями МП, если крутить магниты или саму рамку.

В основе работы электродвигателя лежит образование крутящего момента при подаче напряжения на катушки якоря. Его ещё называют синхронным двигателем постоянного тока (ДПТ). Устройство простейшей машины вмещает в себя:

• статор, с расположенными на нём постоянными магнитами;
• двухзубцовый якорь, имеющий одну обмотку;
• коллектор;
• щёточный узел, в который входят две щётки и два ламеля (пластины).

Внимание! У такого двигателя две «мёртвые точки» (крайние положения). В этих точках невозможно самозапускание, а крутящий момент такого ДПТ неравномерен. Статор, он же – индуктор, располагает в основном двумя парами основных полюсов

В случае необходимости на нём устанавливают добавочные. Это улучшает переключение на коллекторе якоря

Статор, он же – индуктор, располагает в основном двумя парами основных полюсов. В случае необходимости на нём устанавливают добавочные. Это улучшает переключение на коллекторе якоря.

Ротор, он же – якорь, должен иметь как минимум три зубца, чтобы двигатель мог сам запускаться из каждой точки. При этом в зону подключения стабильно попадает один из зубцов.

Схема простого коллекторного ДПТ

На щёточно-коллекторный узел выведены все катушки якоря, какие есть. Коллектор является кольцом из изолированных ламелей (пластин), размещённых по длине оси ротора. По ним скользят щётки и подают или снимают напряжение.

Устройство коллектора

Важно! Двигатель вращается благодаря силе Ампера, которая действует на проводник, находящийся в МП, когда в нём протекает электрический ток. При этом источник тока должен поддерживать его неизменное значение. Все ДПТ обладают свойствами саморегулирования, поддерживая вращающий момент равным моменту сопротивления на валу

Это происходит автоматически, и частота вращения постоянна

Все ДПТ обладают свойствами саморегулирования, поддерживая вращающий момент равным моменту сопротивления на валу. Это происходит автоматически, и частота вращения постоянна.

Строение и принцип работы

Работает электродвигатель автомобиля по принципу электромагнитной индукции. Именно он взят сегодня за основу. Современные электромобили, по своей сути, мало чем отличаются от их, которые мы каждый день можем наблюдать на дорогах страны. Вообще говоря, основными частями такой техники являются:

• Электродвигатель;
• Контроллер;
• Аккумуляторные батареи.

Мы поговорим подробнее именно о сердце авто. Итак, оно работает на основе законов электромагнитной индукции. Для тех, кто не знаком с таком понятием физики, можно сказать, что данное явление связано с возникновением ЭДС в замкнутом контуре, когда в нем начинает меняться магнитный поток. Здесь все достаточно просто. Электродвигатель просто преобразует электрическую энергию в механическую, которая и позволяет двигаться автомобилю. В настоящее время коэффициент полезного действия таких агрегатов равен приблизительно 90 процентов. Это весьма внушительная цифра.

Как и любой другой электродвигатель, агрегат, устанавливаемый в электромобилях, имеет свои собственные характеристики. К таковым можно отнести:

• Мощность агрегата;
• Максимальный крутящий момент, создаваемый им;
• Ток;
• Частота вращения.

По сути, все стандартно. Единственное отличие от тех моделей, которые используются в промышленности, заключается в изменении этих параметров применительно к автомобилю.

Все электродвигатели могут питаться от источника постоянного напряжения или источника переменного напряжения. В данном случае речь идет чаще всего именно о первом варианте. Батареи, которые используются в таких машинах, создают на выходе значение в 96-192 Вольта. Этого вполне достаточно для создания ЭДС. для подключения электродвигателя переменного тока используется трехфазная схема. Современные модели электромобилей отличаются тем, что в них сам электродвигатель соединен напрямую с колесом. Такая конструкция позволяет в значительной степени улучшить управляемость машины.

Схема работы электродвигателя

Стоит отметить, что некоторые самые прогрессивные модели, которые оснащены агрегатом, работающем на переменном токе, способны в процессе торможения подзаряжать батареи. Это приводит к увеличению их срока эксплуатации в несколько раз. Это некое решение проблемы ограниченности хода. Такие устройства способны увеличивать пробег авто без подзарядки на целый 10-20 процентов. Для электромобиля это вполне внушительная цифра.

В остальном работает электродвигатель автомобиля точно так же, как и любой другой агрегат такого типа. Здесь имеется рабочий орган, который и соединяется с колесом. При подаче электрической энергии обмотка возбуждения начинает действовать на ротор мотора, который начинает вращаться вследствие ЭДС. Это движение передается на рабочие органы. Электродвигатель сегодня можно запитывать самыми разнообразными методами. В бытовых условиях используются трехфазные розетки или обычные однофазные их варианты. Все зависит от конкретной конструкции устройства, которое требуется запустить.

История

Электродвигатель для автомобиля изобрел английский конструктор и изобретатель Старлей. Это произошло еще в далеком 1888 году. Он впервые применил эту технологию для легкового автомобиля. В 19 веке, кстати, именно электропривода использовались в основном для создания тягового усилия различных автомобилей. Люди сразу поняли, в чем кроется их главное преимущество. дело в том, что уже тогда коэффициент полезного действия электродвигателя составлял 90 процентов. Если сравнивать этот агрегат с мотором, построенном на базе внутреннего сгорания, то по этому параметру он опережал его аж в 3,5 раза. Тогда в основном в качестве тягового агрегата использовались батареи, емкость которых зависела от массы машины.

Изначально люди пытались просто найти альтернативу двигателям железнодорожных локомотивов, которые в процессе своей работы издавали страшные звуки и выделяли в атмосферу огромное количество вредных веществ. Однако постепенно ученые перекинули свои взоры на автомобили. Именно тогда Старлей и сконструировал первый электродвигатель для небольшого авто. Однако этот эксперимент не был удачным. Лишь в 1893 году в свет вышел действительно качественный электродвигатель. Он представлял собой две батареи, которые имели весьма внушительные мощностные характеристики и массу. При этом запас хода для машины был достаточно большим.

Шло время, прогресс не стоял на месте. Однако уже в 1910 году было принято решение об отказе от такого рода моторов. Дело в том, что решить проблему ограниченного запаса хода тогда не представлялось возможным. В это время стали прогрессировать двигатели внутреннего сгорания, которые практически полностью вытеснили электрические агрегаты с рынка. Возможность совершать более затяжные переезды встала на первое место. Тогда-то производство такого рода агрегатов практически прекратилось. Электродвигатель не исчез, про него просто на время забыли. Однако, в нашу эпоху научно-технического прогресса все возвращается на свои места. Сегодня электродвигатель становится все популярнее. Многие производители автомобилей начинают вкладывать в его развитие и прогресс, огромные средства. Это и не странно, ведь сейчас появилась возможность увеличения рабочего хода таких устройств. Ввиду того, что экология больших городов оставляет желать лучшего, электродвигатель становится все актуальнее.

Электродвигатель

Электрический двигатель

Используя мощность от тягового аккумулятора, двигатель приводит в движение колеса автомобиля. В некоторых транспортных средствах используются мотор-генераторы, которые выполняют функции привода и регенерации.

Классический электродвигатель состоит из токопроводящей обмотки статора и вращающегося ротора, который приводится в движение магнитным полем статора и передаёт крутящий колёсам. Существует два типа электродвигателей: синхронный, в котором магнитное поле вращается одновременно с ротором и асинхронный, в котором магнитное поле вращается быстрее ротора.

Асинхронный мотор изменяет скорость вращения в зависимости от частоты переменного тока простым нажатием на педаль акселератора. Это позволяет получить при желании максимальный крутящий момент для разгона с места.

Современные электрокары в зависимости от мощности батареи и двигателей способны разгоняться с места до 100 км/ч за 5-7 секунд, что сопоставимо с разгоном автомобиля с мотором мощностью 250-350 л.с. Но самый быстрый в мире серийный электрокар Rimac C_Two способен преодолевать «сотню» за 1,85 секунды, быстрее некоторых 12-цилиндровых 6-литровых суперкаров!

Неоспоримым преимуществом электрокаров является также то, что крутящий момент вращения электромотора линейно передаётся напрямую колёсам.  В то время, как двигатель внутреннего сгорания преобразует поступательные движения поршней во вращение коленчатого вала и далее через систему шестерен и фрикционов трансмиссии ведущим колёсам. Для преодоления такой «полосы препятствий» автомобилю требуется больше мощности, а значит – больше топлива и объёма двигателя.

Бортовое зарядное устройство принимает входящую электроэнергию переменного тока, подаваемую через порт зарядки, и преобразует ее в мощность постоянного тока для зарядки тягового аккумулятора. Он также обменивается данными с зарядным оборудованием и отслеживает характеристики аккумулятора, такие как напряжение, ток, температуру и состояние заряда, во время зарядки аккумулятора.

Контроллер силовой электроники: этот блок управляет потоком электроэнергии, подаваемой тяговым аккумулятором, регулируя скорость электрического тягового двигателя и создаваемый им крутящий момент.

Система охлаждения поддерживает надлежащий диапазон рабочих температур двигателя, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов. В холодное время года избыточное тепло батареи может отводиться в салон электромобиля. По этой причине в современных электрокарах отсутствует традиционная печка.

Трансмиссия электромобиля

В традиционном понимании в электрокарах отсутствует коробка передач и карданный привод колёс, поскольку электромотор работает эффективно в любом диапазоне скоростей. Поэтому у большинства электромобилей установлена односкоростная коробка, расположенная рядом с инвертором. Это позволяет включать режим заднего хода, меняя всего лишь фазы, а также направлять энергию торможения в заряд батареи.

Значительным преимуществом электродвигателя и одноступенчатой коробки является то, что можно использовать «свободный» дифференциал. И в случае пробуксовки одного из ведущих колёс, мгновенно отбирать мощность в одной из полуосей привода, уменьшая его проскальзывание.

Ходовая часть

Система подвесок в электрокарах традиционна и часто может быть заимствована у обычных автомобилей. Главное отличие подвески электрокаров в том, что эластокинематика вынуждена справляться с большим весом, в то время, как лучшая развесовка по осям позволяет инженерам точнее настраивать управляемость, чтобы справиться с инерционностью тяжёлого кузова.

Тормозная система электромобиля устроена хитрее обычной. Традиционные автомобили могут эффективно замедляться при нажатии на педаль тормоза, а энергия торможения направляется на нагрев тормозных колодок и дисков. В электромобилях электромотор может использоваться в качестве генератора для зарядки батареи. При сбросе педали акселератора электроника распознает замедление вращения магнитного поля относительно ротора и замедляет автомобиль. При этом педаль тормоза может использоваться лишь для полной остановки электрокара. Благодаря этому срок службы тормозных механизмов увеличивается в среднем в три раза.  

Устройство асинхронного двигателя

Назначение асинхронного двигателя, это преобразование энергии электричества в механическую работу. Выполнить эту задачу установке помогают две детали: статор и ротор.

Устройство статора представлено в виде неподвижной части мотора, которая взаимодействует с подвижной частью, ротором. Между ротором и статором воздушный зазор, разделяющий механизмы. Активной частью механизмов является обмотка и детали сердечника, проводящие магнитный поток, возбуждаемый электрическим током, проходящим по обмотке. С целью минимизировать магнитные потери, при перемагничивании сердечника, деталь набирают из пластин, изготовленных из электротехнической стали. Обмотка статора конструктивно равномерно укладывается проводниками в пазы сердечника, угловое расстояние 120°. Схема соединения фаз обмотки статора «треугольник» или «звезда». В целом, статор представляет собой большой электрический магнит, цель которого, создать магнитное поле.

Статор и ротор асинхронного двигателя:

Схема подключения «звезда» или «треугольник» выбирается в зависимости от напряжения питания сети. Существенную роль играют такие понятия:

Фазное напряжение, соответствует разности потенциалов между началом и концом одной фазы, или разница потенциалов между линейным и нейтральным проводом.
Линейное напряжение, разность потенциалов между двумя линейными проводами (фазами)

Значение символов	Схема «звезда»	Схема «треугольник»
Uл, Uф – напряжения (линейные и фазовые), В; Iл, Iф – ток (линейный и фазовый), А; S – мощность, Вт; P – мощность активная, Вт.	; ; ; .	; ; ; .

Схемы подключений:

Поскольку асинхронный двигатель широко распространён повсеместно, на его долю приходится потребление от 45% до 50% вырабатываемой электроэнергии. Что бы снизить расход электроэнергии (почти на 50%) и не потерять в мощности и цене двигателя, в конструкции механизма используют применение совмещённых обмоток. Принцип заключается в схеме подключения нагрузки к сети. Совмещение обмоток «звезда» «треугольник» при последующем подключении к трёхфазной сети даёт в итоге систему из шести фаз, угол между магнитными потоками в которой равен 30°. Метод сглаживает кривую магнитного поля между ротором и статором, это положительно сказывается на показателях электродвигателя.

В зависимости от конструкции ротора, асинхронный двигатель условно делят на виды: короткозамкнутый ротор, фазный ротор. Статор обоих механизмов одинаков, отличительная черта, обмотка. Сердечник ротора так же выполнен из электротехнической стали, методом комбинирования прямых и косых стыков пластин.

Составные детали двигателя размещаются в корпусе. Для небольших моторов корпус делают цельнолитым, материал изделия, чугун. Кроме того, применяют сплав алюминия, либо сталь. Некоторые корпуса в маленьких двигателях совмещают функцию сердечника, в мощных двигателях корпус выполняется из составных частей.

Поскольку асинхронный мотор относится к электрической машине, изделие применяется как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Однако, как генератор, асинхронный механизм имеет ряд недостатков, которые не позволили машине использоваться массово в этом качестве.

Чем своеобразен прямой привод?

Отличительные особенности прямого привода:

• Тихо работающий механизм. В стиральных машинах-автоматах стандартного типа барабан вращается при помощи вала, который соединен с барабаном через ремень. Сам ремень не является износостойким, что не делает данную конструкцию долговечной: время от времени ремень перетирается и требуется его замена. Работа такого механизма производит большое количество шума и высокий уровень вибраций. Прямо приводная стиральная машина работает с минимальным уровнем вибраций и шумов. Как правило, во время процесса стирки слышен лишь шум воды и стирающихся в ней вещей.
• Высокая надежность. В моторе прямо приводной стиральной машины нет соприкасающихся между собой элементов. Такой механизм гарантирует высокую надежность электродвигателя. Именно эта особенность является основной различительной чертой прямо приводной стиральной машины от других моделей.

Для того чтобы определить, снабжена ли ваша стиральная машина прямым приводом, нужно осмотреть ее корпус. Как правило, во фронтальной части корпуса таких машинок находится наклейка с пометкой «Direct Drive».

• Возможность большой загрузки. Максимальная загрузка барабана прямо приводной стиральной машины значительно выше, чем у стиральных машин других типов. Это обосновано увеличением свободного места в корпусе за счет меньшего количества деталей в движущем механизме и мощным двигателем.
• Равномерная стирка вещей. Еще одной отличительной особенностью прямо приводной стиральной машины является то, что очищение вещей производится благодаря возможности барабана вращаться в разные стороны (в моделях с вертикальной загрузкой стирка вещей сосредотачивается внизу барабана).

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

• где M – вращающий момент, Нм,
• F – сила, Н,
• r – радиус-вектор, м

Справка: Номинальный вращающий момент М_ном, Нм, определяют по формуле

,

• где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• n_ном — номинальная частота вращения, мин-1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Мощность электродвигателя постоянного тока

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

• где P – мощность, Вт,
• A – работа, Дж,
• t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы .

,

где s – расстояние, м

Для вращательного движения

,

где – угол, рад,

,

где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение — значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

• где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
• P₁ — подведенная мощность (электрическая), Вт,
• P₂ — полезная мощность (), Вт

• При этом

потери в электродвигатели обусловлены:
электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

• где J – момент инерции, кг∙м2,
• m — масса, кг

Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)

1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

где – угловое ускорение, с-2

,

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики .

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

где – постоянная времени, с

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.