Согласно закону природы, энергия не исчезает и ниоткуда не берётся, она просто передаётся от одного вещества к другому, изменяя форму. На этом явлении и построена работа электрического двигателя. Его КПД, в зависимости от вида устройства, может изменяться от 75 до 96 процентов. При этом величина полезной работы зависит не только от конструкции электродвигателя, но также и от его характеристик, например, мощности.
Общие сведения
Для того чтобы механизм привести в действие, нужно затратить работу. Если при этом нет трения деталей, то он считается идеальным. В этом случае его полезная работа, выполненная самим двигателем, будет равняется затраченной. Под последней же понимают ту, что совершается для приведения механизма в действие при приложении внешней силы. О такой работе говорят, что она полная.
В реальных же устройствах детали не являются невесомыми, они имеют вес из-за чего существует трение. Поэтому полезная работа (Ап) будет меньше затраченной (Аз). При этом если одну увеличить в несколько раз, то вторая возрастёт на то же значение. Другими словами, отношение Ап / Аз является постоянной величиной для конкретно рассматриваемого устройства. Но так как механизм неидеальный, то это отношение всегда будет меньше единицы.
Значение выражения Ап / Аз, по сути, описывает качество устройства, являясь важной для него характеристикой. Поэтому ему присвоили отдельное имя — коэффициент полезного действия (КПД). Для его обозначения решили использовать букву греческого алфавита «эта» (η). Часто формулу записывают так: η = (Ап / Аз) * 100%, считая его в процентах. Для электродвигателя коэффициент находят как отношение работы, выполненной самим устройством к действию по его запуску.
КПД электрического прибора, впрочем, как и любого другого, всегда будет меньше единицы. Если представить, что это не так, то в этом случае получался бы источник новой энергии. А согласно законам природы, она не может взяться ниоткуда. То есть такого устройства не существует. Ещё в XIX веке французская академия наук отказалась принимать проекты так называемых вечных двигателей из-за противоречия фундаментальному явлению природы — закону сохранения энергии.
Работа электродвигателя основана на преобразовании механической энергии в электрическую.
Изобретателем устройства считается физик-экспериментатор из Англии Майкл Фарадей. Именно он придумал способ, как заставить намагниченную стрелку оборачиваться вокруг магнита. Это послужило основой для открытия Ампером соленоида и Барлоу электрического колеса, ставшего родоначальником униполярного электродвигателя.
Принцип работы
Пусть есть рамка, которая помещена в магнитное поле. Её можно подключить к источнику тока. При этом принять, что перемещаются носители зарядов против часовой стрелки. Для этого положительный полюс генератора нужно подключить справа, а отрицательный слева. Эта рамка может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. Помещена она в магнитное поле линии которого направлены перпендикулярно оси вращения.
Магнетизм будет влиять на каждую сторону рамки по-разному. Чтобы определить, как будут действовать силы нужно воспользоваться правилом буравчика: если ладонь расположить таким образом, чтобы в неё входили линии магнитного потока, а пальцы совпадали с направлением тока, то отогнутый большой палец укажет направление воздействия. Таким образом, получается:
- северная сторона — сила направлена вверх (F1);
- южная сторона — вниз (F2);
- западный и восточный участок — сила не действует.
В результате рамка с током начинает поворачиваться. Но как только она изменит своё положение на 90 градусов, то сразу же замрёт. Действующие силы изменят своё положение. Это приведёт к тому, что они будут растягивать рамку. Получается, что в магнитном поле проводник стремится повернуться так, чтобы её плоскость стала перпендикулярно направлению действия поля.
Этот эффект и используется в работе электродвигателя. Изменяя направление тока, можно добиться постоянного вращения рамки. Делается это с помощью цилиндра, разрезанного на две части. Один провод рамки подключается изнутри к правому полукольцу, а другой к левому. С внешних же сторон с помощью скользящих контактов подаётся напряжение от источника тока.
При такой схеме в тот момент, когда рамка повернётся на 90 градусов, разрезы цилиндра изменят своё положение. Разогнавшись, конструкция проскочит это положение по инерции, то есть выполнит половину оборота. На её стороны опять будут действовать две противоположно направленные силы Ампера. Рамка снова начнёт разворачиваться, стремясь вращаться по часовой стрелке. Это явление будет происходить в такой системе непрерывно.
В итоге получится устройство, всегда вращающее рамку в одну сторону. По сути, это и есть примитивный электромотор или как его называют в физике — вращающая электрическая машина. Принципиальная её разница от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) заключается в том, что для вращения используется не тепловая, а электрическая энергия.
Устройство электромотора
КПД двигателя внутреннего сгорания располагается в пределах от 40 до 60%. В то время как у электрического он достигает 96%. Это довольно высокий показатель которого добиваются с помощью усовершенствования конструкции и использования сверхпроводниковых материалов. Существует несколько типов двигателей, работающих от электричества. Но в их конструкции используются одинаковые основные части.
Так, в состав устройства электрического двигателя входит:
- Вал — элемент на который устанавливаются остальные детали.
- Якорь — часть, состоящая из сердечника, набираемого из набора пластин из специальной электротехнической стали.
- Якорная обмотка — состоит из катушек индуктивности, в которых наводится электродвижущая сила.
- Коллектор — система изолированных проводящих пластин, к которым припаяны якорные обмотки.
- Главный полюс — изготавливается из постоянных магнитов.
- Обмотка возбуждения — располагается на роторе и подключена к контактным кольцам, через которые подаётся на устройство ток.
- Втулки — подшипники, с помощью которых осуществляется скольжение ротора по валу. Их качество во многом определяет КПД эл. двигателя.
- Роторные полюсы — используются четыре отделённых друг от друга полоски.
Неподвижная часть двигателя называется стартером, а вращающаяся — ротором. В пазы сердечника укладывают согнутые в форме рамки провода. Их концы соединяют с коллектором. К его пластинам поджимают через пружины две положительные щётки, подключённые через обмотки возбуждения и две отрицательные, соединённые с массой стартера. В задней крышке последнего устанавливаются щёткодержатели и втулка якоря.
От плюсовой клеммы источника питания провод идёт на входной контакт стартера. Ток проходит по нему, поступает на обмотку возбуждения и попадает на положительную щётку. С коллектора заряды переходят на рамки якоря, а после — на отрицательную щётку и на минус источника тока. В результате взаимодействия магнитного поля с обмотками возбуждения и рамками с током якорь начинает вращаться.
Это классическое устройство электродвигателя. Но техника не стоит на месте.
Поэтому в современных электрических моторах не используют обмотки возбуждения. А ток сразу подаётся на отрицательные щётки якоря. Это позволяет избежать дополнительного нагрева, что приводит в целом к увеличению качества системы.
Способы повышения КПД
Нахождение путей решения задачи по повышению энергоэффективности электродвигателей в промышленности и быту сегодня актуально как никогда. Например, новое поколение автомобилей — электромобили, становятся популярными из-за их экологичности по сравнению с дизельными моторами. Так, для сравнения, КПД машины с двигателем «Тесла», согласно презентации General Motors, составляет 95%, а с классическим топливным — 36%.
Основными причинами потерь в любом электродвигателе являются:
- перемагничивание ротора и статора;
- возникновение вихревых токов;
- нагрев обмоток;
- механическое трение.
Для электродвигателей с короткозамкнутым ротором мощностью до 17 кВт КПД, как правило, не превышает 88 процентов. Основные потери энергии происходят из-за нагревания. Охлаждение электрического мотора позволяет поднять наибольшее значение на 3%. При этом как показывает практика наилучший КПД может быть получен при работе двигателя на ¾ нагрузки. Так, для сравнения, в режиме холостого хода η = 0%, а при полной — η = 87%.
Получается, что суммарность потерь зависит от мощности и величины нагрузки. В начале 2000 годов популярным способом повышения КПД стало введение контроля коэффициента мощности (ККМ). С его помощью выполняется поддержание оптимального угла между вращающимися магнитными полями в электрическом двигателе. Достигается это пространственно-векторным управлением.
По определению оптимальный угол между полями ротора и статора должен быть равен 90 0С. Поэтому для поддержания его при различных режимах работы используют следующую последовательность включения: выпрямитель с активной ККМ, инвертор управления, трёхфазный двигатель. Эффективность такой схемы приближает работу электродвигателя к 96%. По прогнозам инженеров, это не предел. Использование энергоэффективных блоков ККМ на микроконтроллерах нового поколения и усовершенствования алгоритмов позволит повысить КПД электродвигателя ещё на два процента.
