Технології серця: як працює електродвигун?

Життя у XXI столітті неймовірно складно уявити без використання електродвигунів. Ці пристрої настільки сильно призвичаїлись у нашому повсякденні, що вихід з ладу одного з них може як мінімум зіпсувати нам настрій на день, а як максимум зупинити роботу цілого підприємства. Електродвигуни піднімають великі вантажі на будівництві, приводять в рух різноманітні верстати на заводах, пересувають громадський транспорт по місту, циркулюють повітря по вентиляційних каналах, допомагають готувати їжу на кухні та охолоджують деталі наших комп’ютерів. Та що там говорити, якщо вони є навіть в дитячих іграшках!

Незважаючи на таку розповсюдженість, автомобілів з електричним приводом випускається значно менше, ніж їх «побратимів» з двигуном внутрішнього згоряння. На це є технічні та комерційні причини, огляд яких ми залишили для окремої статті. А в цьому тексті розглянемо переваги й недоліки електродвигуна та найголовніше — його принцип дії.

Електрична машина

Для початку потрібно ввести поняття електричної машини, якою називають електромеханічний пристрій для перетворення електричної енергії на механічну чи механічної на електричну, а також електричної енергії з одними властивостями на електричну енергію з іншими властивостями. Електродвигун в свою чергу є різновидом електричної машини. Якщо в механізмі електрична енергія перетворюється на механічну з виділенням тепла — це електродвигун.

В основі принципу дії лежить електромагнітна індукція — явище виникнення електричного струму в замкнутому контурі при зміні магнітного потоку, що проходить крізь нього. Перетворення електричної енергії в механічну електромагнітним полем вперше продемонстрував британський вчений Майкл Фарадей в 1821 році. Він підвісив провід і занурив його в ртуть, на центрі ванни встановив постійний магніт, через провід почав пропускати струм. В результаті провід почав здійснювати оберти навколо магніту, цим самим показуючи, що струм викликає циклічне магнітне поле. Це був найпростіший електродвигун, непридатний для практичного використання.

Першим в світі електродвигуном, який можна ефективно використовувати в системах, вважають винахід росіянина Бориса Якобі. На відміну від інших вчених, які працювали над тим, щоб змусити залізне осердя рухатись в магнітному полі подібно тому, як рухається поршень в паровій машині, він описав механізм з якорем, який обертається, пояснивши, що така будова значно простіша і безпосередньо обертальні рухи перетворювати в інші види легше. Обертання в двигуні Якобі відбувалось внаслідок поперемінного притягання та відштовхування електромагнітів, які періодично змінювали полярність.

Будова

З розвитком науки й техніки електродвигуни змінювались, розроблялись нові моделі, вдосконалювались старі. Але основних складових завжди було дві: статор і ротор.

Статор — нерухома чистина, на якій розміщені всі допоміжні деталі, а також використовується для закріплення на корпусі, встановлення на поверхні тощо.

Ротор — рухома частина двигуна, яка може обертатись всередині статора.

На обох частинах конструкцією передбачено обмотки, які працюють як електромагніти. Також можлива комбінація з електромагніту на роторі та постійного магніту на статорі, або навпаки. При подачі електричного струму на обмотки в них виникає магнітне поле з відповідними полюсами. Внаслідок цього відбувається силова взаємодія між полями статора і ротора. Таким чином сторони обмоток з однаковими полюсами починають відштовхуватись один від одного, а з протилежними – притягуватись. Рухома частина одразу ж намагається стати в таке положення, щоб протилежні полюси співпадали.

Так відбувається максимум півоберта, або ж 180°. Для того, щоб ротор рухався далі і зробив повний оберт на кут 360°, потрібно змінити напрям струму на одній із обмоток, в результаті чого її полярність зміниться на протилежну і сторони з відповідними полюсами знову почнуть притягуватись. Якщо через визначений період перемикати полярність струму, що подається на обмотку, то вал ротора буде безперервно обертатись.

У різних видах електродвигунів така різниця між векторами магнітних полів досягається по-різному. Наприклад, тривалий час широко застосовувались колектори, а двигуни, відповідно, називались колекторними. Типовий колектор являє собою барабан на валу ротора, на який виведені контакти всіх обмоток в певному порядку. Струм на контакти подається за допомогою вугільних щіточок, які притискаються до барабану пружинами. Недоліками такого механізму є необхідність в періодичній заміні щіточок, стирання контактів та шум, тому з часом більш популярними стали безколекторні двигуни, в яких використовуються датчики положення ротора.

Кількість обмоток на рухомій та нерухомій частинах може різнитись. Чим їх більше, тим більша плавність ходу і більш рівномірно розподіляється потужність.

Класифікація

Розрізняти типи електромоторів можна за кількома ознаками, але найбільші дві групи відмінні за типом енергії живлення.

За типом струму, який подається на обмотки, електродвигуни бувають постійного та змінного струму.

В свою чергу, першу групу в залежності від наявності щіточково-колекторного вузла можна поділити на дві: колекторні та безколекторні. Збудження в колекторних двигунах може відбуватись незалежно за допомогою постійних та електромагнітів, або ж самозбуджуватись, при цьому обмотка якоря може вмикатись паралельно, послідовно та частково паралельно і частково послідовно.

Серед двигунів, які живляться від змінного струму, розрізняють синхронні та асинхронні електродвигуни.

Синхронний електродвигун — електродвигун змінного струму, ротор якого обертається синхронно з магнітним полем напруги живлення. Існують синхронні двигуни з дискретним кутом переміщення ротора, задане положення якого фіксується подачею живлення на відповідні обмотки. Такий вид називають кроковими. Також можна виділити вентильні реактивні електродвигуни, живлення обмоток яких формується за допомогою напівпровідникових елементів.

Асинхронний електродвигун — електродвигун змінного струму, в якому частота обертання ротора відрізняється від частоти обертання магнітного поля, яке створюється напругою живлення. Мотори такого типу можуть мати різну кількість фаз змінного струму. Так, однофазні запускаються вручну, пусковою обмоткою або мають фазо-зсувне коло. Також розрізняють двофазні, трифазні й багатофазні. Саме асинхронні трифазні електродвигуни на даний час є найбільш розповсюдженими в промисловості. За відсутності живлення струмом з трьома фазами, можуть працювати від однофазної електромережі, проте з меншою потужністю та більшим навантаженням на обмотки, які можуть вийти з ладу через перегрівання.

Слід зазначити, що вперше модель асинхронного двигуна запропонував знаменитий винахідник Нікола Тесла в Будапешті у 1882 році.

Також існує універсальний колекторний електродвигун, який може працювати як від постійного, так і від змінного струму. Конструкція передбачає лише послідовне підключення обмоток, тому його ротор обертається лише в одному напрямку незалежно від полярності.

Генератор

Електродвигун може не тільки споживати електроенергію, а й виробляти її. В такому випадку він називається генератором електричного струму. Якщо на вал ротора подати оберти, то в обмотках статора виникне електрорушійна сила. В такий спосіб, наприклад, у автомобілях з двигуном внутрішнього згоряння під час руху підзаряджається акумуляторна батарея та живляться інші прилади. В електромобілях часто використовується система рекуперації: коли водій не тисне на педаль газу, електроенергія повертається назад в акумулятор. В цьому режимі не двигун приводить в рух трансмісію, а колеса буквально крутять ротор.

Загалом, електродвигуни здобули велику популярність в техніці через їх переваги, зокрема високий коефіцієнт корисної дії та простоту механізму. Діапазон потужності і габаритів надзвичайно великий, що дозволяє успішно використовувати їх як в дрібних електронних приладах, так і в масштабній промисловій техніці.