Электродвигатель — устройство, которое трансформирует электрическую энергию во вращательное движение вращающегося элемента какой-либо машины или техники. Это возможно благодаря контактированию магнитных полей статора и ротора. Подобные устройства нашли свое применение не только в промышленных масштабах, например, на производствах. Их устанавливают в автомобилях, на различных насосах и даже в бытовую технику. Рассмотрим подробнее, как устроены электродвигатели и как с ними работать.

Конструкция электродвигателя

В устройстве любого электродвигателя есть 3 основные части: ротор, статор, коллектор. Ротор представляет собой движущийся элемент, движение которого начинается под воздействием магнитного поля. Статор — неподвижная деталь. Иногда его называют индуктором. Это несколько обмоток, которые при прохождении по ним переменного тока меняют полярность. Благодаря этому и образуется магнитное поле.

Коллектор — элемент, отвечающий за автоматическое переключение ротора. Это 2 ламели, закрепленные на валу ротора, и 2 щетки, задача которых — подавать на ламели постоянный ток.

Принцип работы

Работа электродвигателей основана на явлении, которое еще в 19 веке обнаружил Майкл Фарадей. Он описал его примерно так: при взаимодействии электроэнергии и магнита всегда будет наблюдаться непрерывное вращение.

Итак, между полюсами ротора или движущегося электромагнита и полюсами внешнего магнитного поля от неподвижного электромагнита возникает притяжение и отталкивание, которые, в свою очередь, приводят к движению ротора.

Проблема в том, что двигатель должен вращаться непрерывно. Но для этого нужно, чтобы полюса ротора после притягивания к полюсам статора в автоматическом режиме менялись на противоположные. Только в таком случае ротор по инерции сделает еще один оборот, а не остановится. Ответственность за этот процесс возложена на коллектор.

Система классификации

Все электродвигатели делятся на 3 большие группы:

• постоянного тока;
• переменного тока;
• универсальные.

Каждая из них делится на подвиды, отличающиеся между собой по ряду параметров.

Устройства постоянного тока

Бывают бесщеточными и со щетками. Вторые делятся на двигатели с последовательным, с параллельным, со смешанным возбуждением и на изделия с постоянными магнитами.

Электродвигатели постоянного тока чаще всего устанавливают в приводы электрического транспорта или оборудования, задействованного в промышленности. Их главными характеристиками и преимуществами принято считать:

1. В обмотке возбуждения меняется напряжение, благодаря чему всегда можно регулировать скорость вращения. Крутящий момент у таких электродвигателей остается постоянным.
2. Высокий КПД. Этот показатель заметно выше, чем у востребованных асинхронных моделей с переменным током. Даже если на вал оказывается неполная нагрузка, он выше на 10-15%.
3. Двигатели постоянного тока могут быть небольших размеров. Раньше, такие даже устанавливали в детские игрушки.
4. У таких изделий предельно простая схема управления. Для того, чтобы запустить/остановить их или, например, изменить скорость, не понадобится дополнительное электронное оборудование.
5. Двигатели постоянного тока могут брать на себя функции генераторов. Они сами будут источниками постоянного тока.
6. Конструкции такого типа имеют высокий пусковой момент. Это значит, что они подходят для установки на подъемные краны, тяговые и подъемные механизмы и другое оборудование, которое требует запуска перед началом работы.

Наибольшее распространение получили изделия со щетками или с электромагнитным возбуждением. По тому, как происходит подключение обмотки статора, их разделили на подвиды:

1. С параллельным возбуждением. Обмотка якоря подключена параллельно к обмотке статора. В таких устройствах обмотка статора не нуждается в дополнительном источнике электроэнергии. К тому же, ротор почти всегда вращается с неизменной скоростью, которая не зависит от оказываемой нагрузки. Чаще всего такие двигатели являются частью станков, которые выполняют резку металлов.
2. С последовательным возбуждением. Обмотка статора подключается последовательно, из-за чего эти двигатели имеют немалый пусковой момент. В большинстве случаев их устанавливают в том оборудовании, которое нужно включать под нагрузкой.
3. С независимым возбуждением. Обмотка статора требует независимый источник питания с постоянным током. Эта особенность позволяет регулировать скорость вращения в большую и меньшую сторону.

Также существуют электродвигатели с комбинированным возбуждением. Установленный в них электромагнит имеет 2 части. Первая подключается параллельно, а вторая — последовательно в отношении обмотки якоря. Эти изделия нужны в тех механизмах, которые требуют, во-первых, высокий пусковой момент, а, во-вторых, разные виды скорости при переменном моменте.

Устройства переменного тока

Электродвигатели такого типа устанавливают практически на все технологическое оборудование, в электроинструменты, автоматические регуляторы и т. д. Они бывают двух видов: синхронные и асинхронные.

Асинхронные

Отличаются низкой ценой и простой конструкцией, благодаря которым стали наиболее востребованными среди электродвигателей. Также не стоит забывать о скольжении. Это разница между скоростью вращения магнитного поля статора и скоростью вращения ротора. Напряжение на роторе при этом — результат возбуждения переменного магнитного поля на обмотку статора. Вращение провоцирует взаимодействие магнитных полей обоих деталей.

Асинхронные электродвигатели делятся на 3 подвида. Параметр для разделения — особенности обмотки статора:

1. Однофазные. Для того, чтобы такой двигатель начал работать, нужен внешний фазосдвигающий элемент. Его роль могут взять на себя пусковые конденсаторы или индуктивные устройства. Устанавливают однофазные устройства в приводах небольшой мощности.
2. Двухфазные. У двигателей такого типа 2 обмотки, у которых фазы смещены относительно друг друга. Они подходят для бытовой техники и других маломощных устройств.
3. Трех- и многофазные. Встречаются чаще других подвидов. У них 3 и больше обмоток, фазы которых сдвинуты под определенным углом.

Еще один параметр для классификации — конструкция ротора. По нему электродвигатели делят на те, у которых короткозамкнутый ротор или фазный. У первых обмотка представляет собой медные или алюминиевые стержни, замкнутые кольцами с обеих сторон. Стержни не изолированы. Такой тип устройства называют «беличьей клеткой».

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют ряд преимуществ:

1. Простая схема запуска. Их подключают в сеть, используя специальные аппараты.
2. Кратковременные перегрузки не принесут никакого вреда.
3. Подходят для производства высокомощного оборудования. Электродвигатели такого типа не имеют элементов скольжения, поэтому никак не препятствуют увеличению показателей мощности.
4. Благодаря простой конструкции, их несложно ремонтировать и проводить технический осмотр.
5. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором стоят на порядок дешевле, чем синхронные устройства или двигатели постоянного тока.

Из минусов или особенностей подобных изделий можно выделить потребность в высоких пусковых токах при запуске и некоторые трудности при попытках реализовать идею регулирования частоты вращения.

Асинхронные двигатели с фазным ротором отличается обмоткой, элементы которой соединены по схеме «звезда». Напряжение на нее попадает через 3 кольца, которые находятся на роторе, но изолированы от него.

Преимущества изделий с фазным ротором:

1. В конструкции есть резистор, благодаря которому можно уменьшать пусковые токи.
2. Пусковой момент больше, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором.
3. Можно регулировать скорость вращения.

Минусов устройства с фазным ротором практически не имеют. Единственное, что можно упомянуть, — более высокая цена.

Синхронные

Вращение ротора, как и в случае с асинхронными изделиями, возможно благодаря взаимодействию магнитных полей ротора и статора. При этом ротор вращается со скоростью, равной частоте магнитного поля, которое создано обмотками на статоре. Обмотка статора нуждается в напряжении от трехфазной сети.

Интересно, что синхронные электродвигатели запускаются и разгоняются в асинхронном режиме. Это возможно благодаря тому, что на роторе есть обмотка типа «беличья клетка». Электромагниты получают напряжение только после того, как произойдет разгон до номинальной частоты, характерной для асинхронного режима.

Из особенностей и преимуществ синхронных электродвигателей можно выделить:

1. Скорость вращения остается неизменной при разной пол силе нагрузке.
2. Высокий КПД и коэффициент мощности.
3. Наличие реактивной составляющей (небольшая).
4. Не выходит из строя при перегрузках (их допустимый уровень указан в инструкции).

Недостатками считаются сложность конструкции и высокая цена, а также необходимость в наличии постоянного напряжения. Справиться с ними поможет частотный преобразователь или устройство плавного пуска.

Универсальные электродвигатели

Изделия такого типа могут работать и от сети переменного тока, и от любых источников питания с постоянным напряжением. Чаще всего их устанавливают в маломощные устройства, например, электрические инструменты, бытовая техника и т.д.

По внутреннему устройству они напоминают электродвигатели постоянного тока. Но есть и отличия, например, в конструкции магнитной системы и обмотки неподвижной части. Магнитная система — секции, отделенные друг от друга и призванные снижать магнитные потери. Обмотка же состоит из двух частей. Если электродвигатель работает от сети с переменным током, напряжение пойдет только на половину обмотки. Благодаря этому, во-первых, снижается количество радиопомех, а, во-вторых, улучшаются условия коммутации.

Преимущества универсальных электродвигателей:

1. Выше, чем у других, скорость вращения. Порой она достигает 10 000 оборотов в минуту и даже больше.
2. Может работать от сети с переменным током и от источника с постоянным. Именно поэтому такие электродвигатели часто устанавливают на инструменты, которые работают от сети и от аккумуляторной батареи.
3. Для регулирования скорости вращения не нужны дополнительные приспособления.

Недостатком таких изделий считаются ограниченные показатели мощности и необходимость в обслуживании коллекторного узла.

Сферы применения электродвигателей

Эти устройства нашли свое применение практически во всех сферах человеческой жизни, начиная от игрушек и заканчивая крупными промышленными механизмами. Рассмотрим подробнее:

• системы централизованного водоснабжения и водоотведения;
• отопительные системы;
• перекачка нефтепродуктов;
• вентиляционные системы;
• прокатные станы, оборудование для обработки металлов, камня, пластика;
• механизмы для обработки текстильных изделий;
• лифты, эскалаторы, различного назначения конвейеры;
• подъемные краны, лебедки;
• поезда, городской электрический транспорт, мотоциклы, канатные дороги и другие виды транспорта.

Такие электродвигатели устанавливают в пневматических системах, а также системах, предназначенных для перекачки природного газа.

Общие преимущества электродвигателей

У каждого отдельного вида есть свои плюсы и минусы. Но есть и ряд общих:

1. КПД достигает 90-05%, благодаря чему электродвигатели активно используют в промышленности.
2. При работе нет потерь на трение трансмиссии.
3. Нет необходимости в использовании коробки передач, поскольку максимальная скорость вращения достигается уже в самом начале запуска.
4. Эксплуатация и ремонт стоят недорого. Благодаря этому можно без проблем заменить вышедшую из строя деталь или устройство в целом.
5. Электродвигатели, независимо от вида, считаются экологически чистым оборудованием, поскольку во время их работы в атмосферу не выбрасываются вредные вещества.
6. С простой конструкцией разберется даже новичок в этом деле.

Недостатков у электродвигателей практически нет. Те же, что есть, являются особенностями их работы. Так, например, из-за нагревания катушек происходит потеря энергии. А если есть необходимость в приобретении автономно работающих устройств, придется дополнительно покупать аккумуляторы.

Особенности эксплуатации электродвигателей

Чтобы продлить срок службы электродвигателей и обеспечить безопасность во время работы, нужно соблюдать ряд простых правил. Вот некоторые из них:

1. Напряжение и частота питания не должны отклоняться от нормы больше, чем на 10%. В противном случае изделие не сможет работать на номинальной мощности.
2. Важно контролировать качество работы устройств пуска и защиты.
3. На каждом электродвигателе, а также всех, работающих в связке с ними механизмах, стрелкой должно быть показано направление вращения.
4. Стоит соблюдать указанные в инструкции рабочие условия, например, при необходимости обеспечивать дополнительную защиту от пыли.
5. Если на электродвигателе установлена жидкостная система охлаждения, на нем должна размещаться и сигнализация, сообщающая о попадании жидкости внутрь конструкции.

И еще один важный момент. Если в питании электродвигателя произошел сбой, его можно запустить снова от основного источника или от резервного. Но при условии, что перерыв в питании длился не больше 2,5 секунд. Если двигатель и оборудование были отключены защитными устройствами, запускать их нельзя. Нужно дождаться, пока пройдет его осмотр и будет измерен уровень сопротивления изоляции. Необходимо определить причину, по которой сработало защитное отключение.

Также важно своевременно проводить техническое обслуживание. Оно бывает плановым и неплановым. Первое включает в себя такие мероприятия:

1. Удаление со всех поверхностей пыли, мусора и загрязнений.
2. Внимательный осмотр питающего кабеля. Важно, чтобы его изоляция была неповрежденной.
3. Подтяжка болтовых соединения, осмотр заземления.
4. Проверка состояния уплотнений.
5. Диагностика состояния подшипников.
6. Проверка прочности соединения вала электродвигателя и рабочего оборудования.
7. Измерение рабочего тока, сопротивления изоляции обмоток.

Полученные данные следует обязательно записывать в специальный журнал.

Неплановое техническое обслуживание проводится в тех случаях, когда какая-то часть электродвигателя вышла из строя или была повреждена. Также она показана при аварийном отключении питания и, если в плановом обслуживании были обнаружены неисправности.

Техника безопасности при работе с электродвигателем

Для того, чтобы работы с электродвигателем были максимально безопасными, нужно соблюдать меры по охране труда. Их несколько:

1. Если в процессе установки двигателя или эксплуатации есть необходимость в прикосновении к токоведущим элементам и движущимся частям, его нужно отключить от сети. Если он двухскоростной, нужно не только отключить, но и разобрать 2 цепи питания обмоток статора. Если прикасаться к токоведущим и вращающимся частям не нужно, можно двигатель не останавливать.
2. В процессе работ на электродвигателях обязательно должно быть установлено заземление, причем, неважно, на каком участке кабельной линии. Если работы длятся уже какой-то промежуток времени, остановлены или просто не производятся, кабельную линию стоит заземлить и со стороны двигателя. Если по каким-то причинам сделать переносное заземление невозможно, например, не подходит сечение кабельных жил, можно воспользоваться медным проводником.

Также есть указания относительно обслуживания электродвигателей и их частей. Так, например, ТО щеточного аппарата на включенном и работающем устройстве может проводить только тот сотрудник, который имеет допуск к подобного рода работам. Он должен работать со средствами индивидуальной защиты, в диэлектрической обуви, в полностью застегнутой спецодежде. Также у него должны быть надежно защищены глаза. Недопустимо прикасаться сразу к токоведущим элементам двух полюсов или к токоведущим и к заземлению.

Итак, электродвигатели — незаменимая часть практически всех видов транспорта, бытовой техники, инструментов и промышленного оборудования. Их эксплуатация имеет массу особенностей и связана с некоторыми трудностями. Но без них просто невозможно осуществление многих важных процессов ни в быту, ни на рабочем месте.