Электрические двигатели: определение, разновидности, применение

Электрические двигатели: определение, разновидности, применение

Электрический двигатель – специальная машина (ее еще называют электромеханическим преобразователем), с помощью которой электроэнергия преобразовывается в механическое движение.

Побочный эффект такой конвертации – выделение тепла.

При-этом современные двигатели обладают очень высоким КПД, который достигает 98%, в результате чего их использование экономически более выгодно по сравнению с двигателями внутренного сгорания. Электрические двигатели используются во всех сферах народного хозяйства, начиная от бытового применения, заканчивая военной техникой.

1. Электрические двигатели и их разновидности
2. По принципу работы электродвигатели переменного тока бывают
3. Преимущества и недостатки асинхронных двигателей
4. Особенности работы синхронных двигателей

Электрические двигатели и их разновидности

Как известно с базового школьного курса физики, ток бывает переменным и постоянным. В бытовой электросети – переменный ток. Батарейки, аккумуляторы и другие мобильные источники питания предоставляют постоянный ток.

Электродвигатели постоянного тока характеризуются хорошими эксплуатационными и динамическими характеристиками.

Такие изделия широко используются в подъемных машинах, буровых станках, полимерном оборудовании, в некоторых агрегатах экскаваторов.

По принципу работы электродвигатели переменного тока бывают

• асинхронными;
• синхронными.

Подробное сравнение этих видов машин можно почитать тут.

Синхронные двигатели – электрические машины, где скорость вращения ротора полностью идентична частоте магнитного поля. Учитывая эту особенность, такие устройства актуальны там, где необходима стабильная высокая скорость вращения: насосы, крупные вентиляторы, генераторы, компрессоры, стиральные машины, пылесосы, практически все электроинструменты.

Особое внимание среди синхронных устройств, заслуживают шаговые двигатели. Они обладают несколькими обмотками. Такой подход позволяет с высокой точностью изменять скорость вращения таких электродвигателей.

Асинхронными двигателями называют такие машины, в которых скорость ротора отличается от частоты движения магнитного поля.

Нашли свое применение в подавляющем большинстве отраслей народного хозяйства: в приводах дымососов, транспортерах, шаровых мельницах, наждачных, сверлильных станках, в холодильном оборудовании, вентиляторах, кондиционерах, микроприводах.

Максимальная скорость вращения асинхронных установок – 3000 об/мин.

Интересное видео о двигателях смотрите ниже:

Преимущества и недостатки асинхронных двигателей

Асинхронные электродвигатели могут обладать фазным и короткозамкнутым ротором.

Короткозамкнутый ротор более распространен.

Такие двигатели обладают следующими преимуществами:

• относительно одинаковая скорость вращения при разных уровнях нагрузки;
• не боятся непродолжительных механических перегрузок;
• простая конструкция;
• несложная автоматизация и пуск;
• высокий КПД (коэффициент полезного действия).

Электродвигатели с короткозамкнутым контуром требуют большой пусковой ток.

Если невозможно реализовать выполнение этого условия, то используют устройства с фазным ротором. Они обладают такими достоинствами:

• хороший начальный вращающий момент;
• нечувствительны к кратковременным перегрузкам механической природы;
• постоянная скорость работы при наличии нагрузок;
• малый пусковой ток;
• с такими двигателями применяют автоматические пусковые устройства;
• могут в небольших пределах изменять скорость вращения.

К основным недостаткам асинхронных двигателей относят то, что изменять их скорость работы можно только посредством изменения частоты электрического тока.

Кроме того, частота вращения – относительна. Она колеблется в небольших пределах. Иногда это недопустимо.

Интересное видео об асинхронных электродвигателях смотрите ниже:

Особенности работы синхронных двигателей

Все синхронные двигатели обладают такими преимуществами:

1. Они не отдают и не потребляют реактивную энергию в сеть. Это позволяет уменьшить их габариты при сохранении мощности. Типичный синхронный электродвигатель меньше асинхронного.
2. В сравнении с асинхронными устройствами, менее чувствительны к скачкам напряжения.
3. Хорошая сопротивляемость перегрузкам.
4. Такие электрические машины способны поддерживать постоянную скорость вращения, если уровень нагрузок не превышает допустимые пределы.

В любой бочке, есть ложка с дегтем. Синхронным электродвигателям присущи такие недостатки:

• сложная конструкция;
• затрудненный пуск в ход;
• довольно сложно изменять скорость вращения (посредством изменения значения частоты тока).

Сочетание всех этих особенностей делает синхронные двигатели невыгодными при мощностях до 100 Вт. А вот на более высоких уровнях производительности, синхронные машины показывают себя во всей красе.

Устройство двухтактного двигателя – характеристики, особенности, где применяется

Двухтактный двигатель с технической точки зрения проще четырехтактного: поршень выступает одновременно в роли движущегося элемента и распределительного органа. Во время перемещения внутри цилиндра он в нужном порядке открывает впускное и выпускное отверстие, создавая необходимое давление газов и регулируя вывод и топливоподачу.

История и область применения двухтактного ДВС

Суть ДВС в том, что поршень движется вниз, передавая импульс на маховик и придавая ему вращение, которое и движет привод устройства. Для того, чтобы толкнуть деталь, необходим взрыв, а он может произойти только под воздействием трех компонентов, которые соединяются одновременно: горючего, кислорода и искры (или тепла). Поэтому все работы над созданием двигателя внутреннего сгорания сводятся к тому, чтобы максимально эффективно объединить эти элементы в одной системе.

Мотор 139 QMB для скутера и мопеда в разрезе.

Кто и когда создал первый двухтактный двигатель

Несколько изобретателей в различных странах одновременно поняли, как работает двухтактный двигатель внутреннего сгорания, поэтому установить первооткрывателя невозможно:

• Первый патент на 2 тактный двигатель был получен в 1881 году Дугладом Клерком из Шотландии.
• Через 10 лет его английский коллега Джозеф Дей представил модель с камерной продувкой.
• Немец Карл Бенц независимо от них в 1880 году получил патент на свой газовый 2-тактный ДВС.
• В 1907 году был запатентован мотор русского инженера Корейво, с двумя коленчатыми валами.
• В 1908 году еще один англичанин — Альфред Скотт построил мотоцикл на базе силового агрегата с водной рубашкой охлаждения.

Двухтактный двигатель системы Корейво, построенный на Коломенском машиностроительном заводе.

С 1907 года на базе дизелей Корейво производились теплоходы.

Где используется двухтактный ДВС

Поскольку устройство двухтактного двигателя достаточно простое, и сам агрегат отличается небольшими размерами, его устанавливают на бензопилы, триммеры и другие садовые и строительные бензоинструменты, а также на небольшие транспортные средства: моторные лодки, скутеры, маломощные мотоциклы и квадроциклы.

Yamaha YFS 200 BLASTER с 2-тактным ДВС.

Одна из проблем 2-тактного автомобильного мотора — вывод отработки. Поскольку выхлопные газы содержали большое количество масляных паров, глушители быстро выходили из строя, тем не менее на заправках Европы топливо для подобных авто продавалось до конца 80-х.

Как работает двухтактный ДВС

Рабочий цикл двухтактного двигателя состоит из двух движений поршня внутри цилиндра: вверх и вниз, которые и называются тактами. В отличие от четырехтактного агрегата, впуск топливной смеси и вывод отработки совмещены с рабочими процессами сжатия и расширения рабочих газов.

Мотор Honda AF18E для скутеров и мопедов.

Устройство двухтактного двигателя

Перед тем, как подробно разобрать принцип работы 2х тактного двигателя, остановимся на его строении. Агрегат состоит из:

• картера и кривошипной камеры, внутри которой находится цилиндр и коленвал с подшипниками;
• поршня, установленного на коленчатый вал и двигающегося внутри цилиндра;
• свечи зажигания (в моторах, работающих на бензине);
• впускного и выпускного коллекторов.

Силовые агрегаты обычно конструируют так, чтобы они получали максимальное воздушное охлаждение, но модели, установленные на сложной технике, могут иметь дополнительный водный контур.

Определить тип мотора легко: если агрегат имеет одно заливное отверстие для масла и бензина — значит, он двухтактный, а если раздельные — четырехтактный. Но есть и исключения: например, на некоторых скутерах устанавливается отдельный бачок.

Принцип работы 2-тактного ДВС

Первый такт (подъем поршня) вызывает сжатие газов:

• Поршень движется к верхней мертвой точке (ВМТ), выталкивая выхлопные газы.
• Когда элемент перекроет выпускное отверстие, начинается сжатие топливовоздушной смеси. Одновременно с этим открывается впускное окно и в кривошипную камеру поступает новая порция горючего.
• По достижении поршнем ВМТ (когда смесь в камере сгорания сжата до максимально возможной степени) свеча зажигания подает искру, воспламеняя горючее.
• За счет давления расширяющихся газов, деталь отбрасывается вниз, к нижней мертвой точке (НМТ).

Второй такт (опускание и вывод отработки), который также называется рабочим ходом:

• Поршень движется по направлению к нижней мертвой точке придавая вращение кривошипу, по ходу следования он открывает выпускное отверстие и освобождает кривошипную камеру от отработанных газов.
• Впускное окно закрывается, предотвращая попадание отработки в систему подачи топлива.
• Когда откроется продувочное окно, из кривошипной камеры в надпоршневую область поднимается топливовоздушная смесь. Цилиндр заполняется, и одновременно продувается от ненужных более газов.
• Такт заканчивается, когда поршень достигает НМТ. Далее деталь по инерции снова поднимается и цикл повторяется.

Анимированная схема работы двухтактного двигателя:

Отличия в работе дизельного силового агрегата

Входное окно, подающее кислород, необходимый для сгорания топлива расположено в нижней части камеры дизельного ДВС. Поднимаясь от НМТ, поршень сначала закрывает впускное окно, останавливая забор воздуха, а потом и выпускное — прекращая процесс выхлопа.

Далее деталь продолжает двигаться вверх, сжимая и нагревая находящийся в камере кислород, когда поршень доходит до ВМТ, форсунки впрыскивают в камеру сгорания раскаленное и распыленное на мельчайшие капли дизтопливо. Происходит взрыв, и поршень отбрасывается вниз, по пути открывая входное и выходное окна, аналогично бензиновому ДВС, далее цикл повторяется.

Двухтактный двигатель на дизтопливе.

Правильная эксплуатация и тюнинг мотора

Во время эксплуатации важно понимать, как работает двухтактный двигатель, чтобы не сократить его ресурс в долгосрочной перспективе. В данных ДВС использование обычного автомобильного масла недопустимо — оно содержит другие присадки, которые могут нанести вред силовому агрегату.

Масло необходимо для эффективной смазки движущихся узлов, но нагар, который из-за, него образуется может способствовать закоксовыванию поршневых колец, приводя к потере мощности. При нормальной работе ДВС нагар убирается сам, но из-за некачественного масла или проблем с зажиганием, карбюратором, либо поршневой группой, а также долгой работы на небольших оборотах этого не происходит, в таком случае необходимо убирать нагар самостоятельно.

Чтобы мотор прослужил дольше, необходимо правильно составлять для него смесь из бензина и масла.

Зная принцип работы двухтактного двигателя и имея необходимые навыки, можно значительно улучшить потенциал силового агрегата:

• Увеличение выходного отверстия позволяет выпустить максимальное количество газов, повышая мощность устройства.
• Расширение входного окна поможет обеспечить дополнительную продувку камеры сгорания, чтобы смесь быстрее перемещалась в картере.
• Добавление инжекторных систем впрыска дает возможность точнее дозировать топливо и избежать излишних потерь.
• Установка лепестковых клапанов во входной тракт также позволяет повысить мощность и экономичность.
• Компрессорные (или турбокомпрессорные — на дизелях) системы наддува увеличивают подачу воздуха и горючего.

Двухтактный двигатель с клапанами.

Чем двухтактный двигатель отличается от четырехтактного и какой тип ДВС лучше

Благодаря тому, что двухтактный двигатель совершает только один полный ход поршня за цикл, уменьшается потеря кинетической энергии, и мотор способен выдавать в 1,5 раза большую мощность, чем четырехтактный (при аналогичных оборотах). К тому же, он отличается меньшим весом и более простой конструкцией. Но, помимо достоинств, 2-тактные силовые установки обладают и недостатками:

• Металлические элементы работают более интенсивно и быстрее изнашиваются, к тому же агрегат при работе производит больше шума и вибрации.
• Типовая конструкция ДВС не предусматривает отдельного масляного контура, поэтому приходится вручную заливать смазку в бензин.
• Многие модели не имеют рубашки охлаждения, понижая рабочую температуру только за счет окружающего воздуха.
• Все механизмы работают в одном пространстве, поэтому требуется тщательная герметизация.
• Перепад давления в моторе не очень большой — для увеличения мощности нужна дополнительная продувка.

Принцип работы двухтактного двигателя проще, чем четырехтактного — последнему для полного цикла необходимо два хода поршня вверх-вниз (четыре движения). Но 4-тактные более стабильны, долговечны, экономичны и выделяют в атмосферу меньше вредных веществ.

Сравнительная схема двухтактного двигателя и четырехтактного.

Применять двухтактный двигатель целесообразно на устройствах, для которых важнее небольшие габариты и меньший вес. Но этот силовой агрегат нельзя назвать экономичным — часть горючего выходит вместе с выхлопными газами, не производя полезной работы.

Устройство и принцип работы трехфазных электродвигателей

В данной статье рассмотрены следующие вопросы:

1. Устройство трехфазного электродвигателя.
2. Принцип работы трехфазного электродвигателя.

1. Устройство электродвигателя 380 В

   Наибольшее распространение в промышленности, сельском хозяйстве и быту среди трехфазных электродвигателей получили асинхронные электродвигателя с короткозамкнутым ротором благодаря их простоте устройства, надежности и дешевизне. Поэтому на примере именно такого электродвигателя мы и будем рассматривать их устройство и принцип работы.

   

   Асинхронный электродвигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора.

   Статор — неподвижная часть электродвигателя. Он состоит из следующих элементов:

   • станина (корпус) которая, как правило, выполняется ребристой для лучшего охлаждения, т.к. в процессе работы сердечник статора с обмотками нагреваются. Так же станина имеет лапы для крепления электродвигателя.
   • сердечник статора — набирается из отдельных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи (токи Фуко) и имеет зубчатую форму (пазы) и имеет следующий вид:

   

   • обмотки статора — выполняются медными проводами которые укладываются в пазы сердечника, концы обмоток для подключения к электрической сети выводятся в клемную коробку.

   Ротор — вращающаяся часть электродвигателя. Ротор состоит из следующих элементов:

   • вал — выполняется из стали служит для передачи механической энергии на рабочий механизм.
   • сердечник ротора — насаживается на вал, так же как и сердечник статора выполняется из отдельных листов электротехнической стали
   • обмотка ротора — как правило имеет короткозамкнутое исполнение, часто короткозамкнутую обмотку ротора называют «беличьим колесом» из-за внешнего сходства. Короткозамкнутая обмотка ротора имеет следующий вид:

   

   Ротор удерживается в центре статора подшипниковыми щитами.

   Принцип работы трехфазного электродвигателя

   Принцип работы электродвигателя довольно прост и основан на принципе вращающегося электромагнитного поля.

   

   На рисунке выше представлен медный диск прикрепленный к валу на подшипнике напротив которого расположен постоянный магнит. Если начать вращать постоянный магнит то его магнитное поле пересекающее медный диск начнет так же вращаться, т.е. создастся вращающееся магнитное поле которое согласно закону электромагнитной индукции создают в медном диске токи индукции. Данные токи, протекая по диску, создают собственное электромагнитное поле, которое, в свою очередь, вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем постоянных магнитов, что приводит к вращению диска.

   Таким же образом работает и трехфазный электродвигатель, однако в нем вращающееся магнитное поле создается с помощью специального расположения обмоток статора, которые смещены в пространстве относительно друг друга на 120 о , такое расположение при протекании по ним трехфазного тока приводит к возникновению вращающегося электромагнитного поля.

   Видео воздействия вращающегося электромагнитного поля статора на металлический контур (в качестве контура в данном случае выступает обычное лезвие):

   Вращающееся магнитное поле статора воздействуя на обмотку ротора приводит к возникновению в ней индукционных токов, которые протекая через обмотку ротора создают собственное электромагнитное поле, взаимодействие этих полейприводит ротор во вращение.

   Так же как и магнит статор электродвигателя имеет полюса, однако в отличие от постоянного магнита полюсов в электродвигателе может быть больше двух, при этом их всегда четное количество. Количество полюсов в статоре напрямую влияет на скорость вращения магнитного поля и соответственно на скорость вращения ротора. Частота вращения магнитного поля (синхронная частота) определяется по формуле:

   n=60*f/p

   где: f — частота тока в станах СНГ частота тока составляет 50 Гц (Герц); p — количество пар полюсов.

   Чем больше полюсов у двигателя тем меньше частота его вращения. Например, расчитаем частоту вращения электродвигателя с четырьмя полюсами:

   Четыре полюса — это 2 пары полюсов, соответственно:

   Т.е. синхронная частота вращения магнитного поля статора 1500 об/мин, при этом частота вращения ротора при этом будет немного меньше может составлять 1400-1450 об/мин.

   Относительная величина отставания вращения ротора от частоты вращения магнитного поля статора называется скольжением, она выражается в процентах и определяется по формуле:

   S=(n1-n2)/n1*100%

   где: n1 — синхронная частота вращения, об/мин; n2 — частота вращения ротора (асинхронная частота вращения), об/мин.

   Видео с описанием устройства и принципа действия трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором:

   Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

   Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.

   0 0 голоса

   Рейтинг статьи