Что такое электродвигатель?
Слово «двигатель» относится к любому силовому агрегату, создающему движение, то есть к «первичному двигателю», а «электродвигатель» — к «первичному двигателю, использующему электричество».
Электродвигатель – это устройство, используемое для преобразования электрической энергии в механическую.
Говоря научным языком, электродвигатель – это устройство, используемое для преобразования электрической энергии в движущую энергию или электрической энергии в механическую энергию. На Рис. 1.1 представлена диаграмма потока энергии. Левый конец стрелки представляет собой электрический вход, а правый конец — механический выход соответственно. Электрический вход можно сокращенно называть входом, а механический выход (движущая энергия) — выходом.
В процессе преобразования энергии часть поступающей энергии превращается в тепло, а не в движущую силу.
Это называется потерями. В Японии более 60 % всей вырабатываемой энергии используется с помощью электродвигателей.
С точки зрения сохранения окружающей среды, разработка и использование электродвигателей с меньшими потерями является важной задачей.
Между вышеупомянутыми потребляемой мощностью, выходной мощностью (также называемой движущей энергией) и потерями существует следующая взаимосвязь:
Потребляемая мощность = механическая мощность + потери
Единицей измерения этих величин является ватт [Вт].
Потребляемая мощность и механическая мощность определяются следующими уравнениями:
Потребляемая мощность [Вт] = Напряжение [В] x Ток [A].
Механическая мощность [Вт] = Скорость вращения [рад/с] x Вращающая сила [Нм]
(рад называется радианом, а Нм — ньютон-метром).
КПД электродвигателя – это отношение механической мощности к потребляемой мощности в процентах (%).
Потери включают (например), потери, вызванные механическими явлениями, такими как трение. Но обычно они состоят из потерь в медном проводе и жиле. Первые называются потерями меди, а вторые – потерями железа (см. Рис. 1.1 выше).
Компоненты электродвигателя
Компоненты электродвигателя делятся на пять основных частей (1) — (5), как показано на Рис. 1.2.
(1) Ротор
Вращающаяся часть
Роторы можно разделить на 10 различных типов.
(1) Ротор с беличьей клеткой
(2) Ротор с беличьей клеткой с салиентными порами
(3) Ротор из полутвердой стали
(4) Ротор из мягкой стали
(5) Ламинированный ротор с салиентными порами
(6) Ротор из мягкой стали с мелкими зубьями
(7) Ротор с постоянным магнитом
(8) Ротор индуктора
(9) Ротор с обмоткой
(10) Ротор коммутатора
Мы рассмотрим, как классифицируются различные типы электродвигателей по сочетанию статора и ротора из перечисленных выше статора A-D и ротора (1)-(10).
(2) Подшипник
Опорная часть вращающегося ротора
(3) Статор
Элемент, создающий силу, используемую для вращения ротора
Из этих компонентов наиболее близкими к основному методу классификации электродвигателей являются статор и ротор. Ниже перечислены четыре типа типичной структуры статора:
A: Статор с распределенной обмоткой
B: Статор с сосредоточенной обмоткой
C: Статор с индуктором
D: Статор с постоянными магнитами
(4) Кронштейн или торцевая пластина
Опорная часть подшипника, встроенная в статор
(5) Провод
Провод, подключенный к цепи привода, подающей питание на двигатель, или провод, подключенный к источнику питания
Провод – это материал, по которому проходит ток. Провод также называют проводником. Провода обычно изготавливаются из меди, однако иногда используется алюминий.
Провод используется для подачи питания на электродвигатель от источника питания и для обмотки, которая наматывается и подключается внутри электродвигателя. В английском языке обмотка называется магнитопроводом, то есть проводом, используемым для создания магнитного поля. В Японии обмотку также называют эмалированным проводом по названию эмалевой смолы, которая используется в качестве изоляционного материала (будет описано далее).
В настоящее время для изоляции используются высокополимерные материалы, но привычные критерии наименования эмалированного провода все еще используются.
В качестве компонента обмотки электродвигателя в японском языке используется термин «эмалированный провод». На английском языке эмалированный провод называют магнитопроводом.
(6) Сердечник
(Железный) сердечник – это путь для потока, и он изготовлен из железа, как следует из названия (железный) сердечник. Кроме того, сердечник, используемый для объединения двух магнитов с потоком, называется ярмом.
Железо для механических конструкций и железо для сердечников содержат разные типы вспомогательных компонентов. Железо для механических конструкций содержит углерод (C), а железо для сердечников смешивается с кремнием (Si) и называется кремниевой сталью. В случае с двигателем сердечник делится на сердечник статора и сердечник ротора, а магнитная цепь проходит через воздушный зазор между ними. Поскольку магнитный полюс сердечника статора, формирующий магнитную цепь двигателей постоянного тока с электромагнитным полем, возбуждается постоянным током, сердечник не нужно ламинировать; вместо него используется мягкая сталь.
С другой стороны, ламинированный сердечник используется для сердечника ротора, конфигурирующего цепь якоря, поскольку поток изменяется при вращении. Кроме того, постоянные магниты часто используются для магнитных полюсов небольших электродвигателей постоянного тока. Сердечники статора синхронных электродвигателей, статора и ротора асинхронных электродвигателей возбуждаются переменным током, поэтому для каждого из них используется ламинированный сердечник.
(7) Изолятор (изоляционный материал)
Изоляторы препятствуют протеканию электрического тока в любые места, кроме желаемого, а материалы, обладающие такими свойствами, называются изоляционными.
В качестве изоляторов используются резина, эмаль и другие высокомолекулярные соединения или смолы, бумага, слюда, стекловолокно и т. д.
(8) Постоянный магнит
Среди материалов, входящих в состав электродвигателя, постоянный магнит играет важную роль, поскольку он создает магнитное поле. Можно сказать, что постоянные магниты – это тип сплава или оксида на основе железа.
Статор и ротор в разных языках
Ниже приведены условные обозначения статора и ротора на разных языках.
| Статор | Ротор | |
| Японский | Koteishi | Kaitenshi |
| Китайский | Dingzi | Zhuanzi |
| Английский | stator | rotor |
| Немецкий | Ständer, Stator | Läufer, Rotor |
| Испанский/Португальский | estator | rotor |
Классификация электродвигателей
<1> Классификация по принципу преобразования (электромагнитный двигатель, электростатический электродвигатель или ультразвуковой электродвигатель)
<2> Классификация по источнику питания (источник постоянного тока, однофазный источник переменного тока или трехфазный источник переменного тока)
<3> Классификация по режиму вращения (элемент, определяющий скорость вращения или реверсивное вращение)
<4> Классификация по структуре (сочетание вращающихся и статических элементов).
Выбор подходящего метода классификации зависит от представлений различных людей о электродвигателях. Приведенные выше методы классификации основаны на точке зрения производителя и не обязательно отражают удобство использования или простоту понимания для пользователей.
Поэтому для простоты понимания в этой книге мы классифицировали электродвигатели, ссылаясь на вышеупомянутые классификации (Рис. 1.3 Электродвигатели постоянного тока). Мы опишем характеристики различных электродвигателей в соответствии с этой новой классификацией.
Цифры, заключенные в [ ], ( ) или <> на рисунке, относятся к номерам параграфов, используемых в пояснениях, приведенных далее в этой книге.
Если вы запутались в описании различных электродвигателей, поскольку существует множество их типов, рекомендуем вернуться к Рис. 1.3 на странице «Электродвигатели постоянного тока», чтобы уточнить, как классифицируется тот или иной электродвигатель. Или же вы можете пропустить эту часть и перейти к Главе 2, а затем прочитать эту часть после прочтения всех остальных частей этой книги.