Как устроен моторчик: Как работает электродвигатель, устройство «сердца» электрической машины

Содержание

Как работает электродвигатель, устройство «сердца» электрической машины

Ни одна сфера жизнедеятельности человека сегодня не обходится без электродвигателей. Эти устройства настолько прочно вошли в нашу повседневность, что выход из строя одного из них может как минимум испортить нам настроение на день, а как максимум остановить работу целого предприятия. Электродвигатели поднимают большие грузы на стройках, приводят в движение различные станки на заводах, передвигают общественный транспорт по городу, циркулируют воздух по вентиляционным каналам, помогают готовить еду на кухне и охлаждают детали наших компьютеров. Да что там говорить, если они присутствуют даже в детских игрушках.

Несмотря на такую ​​распространенность, автомобилей с электрическим приводом выпускается значительно меньше, чем их «собратьев» с двигателем внутреннего сгорания. На это есть технические и коммерческие причины, обзор которых мы оставили для отдельной статьи. А в этом тексте рассмотрим преимущества и недостатки электродвигателя и самое главное — его принцип действия.

Электрическая машина

Для начала нужно ввести понятие электрической машины, которой называют электромеханическое устройство для преобразования электрической энергии в механическую или механической в ​​электрическую, а также электрической энергии с одними свойствами в электрическую энергию с другими свойствами. Электродвигатель, в свою очередь, является разновидностью электрической машины. Если в механизме электрическая энергия преобразуется в механическую с выделением тепла — это электродвигатель.

В основе принципа действия электродвигателя лежит электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Преобразование электрической энергии в механическую электромагнитным полем впервые продемонстрировал британский ученый Майкл Фарадей в 1821 году. Он подвесил провод и погрузил его в ртуть, в центре ванны установил постоянный магнит, через провод начал пропускать ток.

В результате провод начал оборачиваться вокруг магнита, тем самым показывая, что ток вызывает циклическое магнитное поле. Это был простейший электродвигатель, непригодный для практического использования.

Первым в мире электродвигателем, который можно было эффективно использовать в различных системах, считают изобретение россиянина Бориса Якоби. В отличие от других ученых, которые работали над тем, чтобы заставить железный сердечник двигаться в магнитном поле подобно тому, как движется поршень в паровой машине, он предложил механизм с якорем, который вращается, объяснив, что такое строение значительно проще и непосредственно вращательные движения превращать в другие виды легче. Вращение в двигателе Якоби происходило вследствие попеременного притяжения и отталкивания электромагнитов, которые периодически меняли полярность.

Устройство электродвигателя

С развитием науки и техники электродвигатели менялись, разрабатывались новые модели, совершенствовались старые. Но основных составляющих всегда было две: статор и ротор.

  • Статор — неподвижная часть, на которой размещены все вспомогательные детали, также используемый для закрепления на корпусе, установки на поверхности и т.д.
  • Ротор — подвижная часть двигателя, которая может вращаться внутри статора.

На обеих частях конструкции предусмотрены обмотки, которые работают как электромагниты. Также возможна комбинация из электромагнита на роторе и постоянного магнита на статоре, или наоборот. При подаче электрического тока на обмотки в них возникает магнитное поле с соответствующими полюсами. Вследствие этого происходит силовое взаимодействие между полями статора и ротора. Таким образом стороны обмоток с одинаковыми полюсами начинают отталкиваться друг от друга, а с противоположными — притягиваться. Подвижная часть сразу же пытается стать в такое положение, чтобы противоположные полюса совпадали.

Так происходит максимум пол-оборота, или 180 °. Для того, чтобы ротор двигался дальше и сделал полный оборот на угол 360 °, нужно изменить направление тока в одной из обмоток, в результате чего ее полярность изменится на противоположную и стороны с соответствующими полюсами снова начнут притягиваться.

Если через определенный период переключать полярность подаваемого на обмотку тока, то вал ротора будет непрерывно вращаться.

В разных видах электродвигателей такая разница между векторами магнитных полей достигается различными путями. Например, длительное время широко применялись коллекторы, а двигатели, соответственно, назывались коллекторными. Типичный коллектор представляет собой барабан на валу ротора, на который выведены контакты всех обмоток в определенном порядке. Ток на контакты подается с помощью угольных щеточек, которые прижимаются к барабану пружинами. Недостатками такого механизма является необходимость периодической замены щеток, стирание контактов и шум, поэтому со временем более популярными стали бесколлекторные двигатели, в которых используются датчики положения ротора.

Количество обмоток на подвижной и неподвижной частях может отличаться. Чем их больше, тем больше плавность хода и более равномерно распределяется мощность.

Читайте также: «Неубиваемый» солнечный двигатель создан французским стартапом (видео)

Классификация электродвигателей

Различать типы электромоторов можно по нескольким признакам, но две самые распространенные группы отличаются по типу электропитания.

По типу тока, который подается на обмотки, электродвигатели бывают постоянного и переменного тока.

В свою очередь, первую группу в зависимости от наличия щеточно-коллекторного узла можно разделить на две: коллекторные и бесколлекторные. Возбуждение в коллекторных двигателях может происходить независимо с помощью постоянных и электрических магнитов, либо самовозбуждаться, при этом обмотка якоря может включаться параллельно, последовательно, частично-параллельно и частично-последовательно.

Среди двигателей, которые питаются от переменного тока, различают синхронные и асинхронные электродвигатели.

Синхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения. Существуют синхронные двигатели с дискретным углом перемещения ротора, заданное положение которого фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Такой вид называют шаговыми. Также можно выделить вентильные реактивные электродвигатели, питания обмоток которых формируется с помощью полупроводниковых элементов.

Асинхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается напряжением питания. Моторы такого типа могут иметь разное количество фаз переменного тока. Так, однофазные запускаются вручную или пусковой. Также различают двухфазные, трехфазные и многофазные. Именно асинхронные трехфазные электродвигатели в настоящее время являются наиболее распространенными в промышленности. При отсутствии питания током с тремя фазами, могут работать от однофазной электросети, однако с меньшей мощностью и большим нагрузкам на обмотки, которые могут выйти из строя из-за перегрева.

Следует отметить, что впервые модель асинхронного двигателя предложил знаменитый изобретатель Никола Тесла в Будапеште в 1882 году.

Также существует универсальный коллекторный электродвигатель, который может работать как от постоянного, так и от переменного тока. Конструкция предусматривает только последовательное подключение обмоток, поэтому его ротор вращается только в одном направлении независимо от полярности.

Генератор

Электродвигатель может не только потреблять электроэнергию, но и производить ее. В таком случае он называется генератором электрического тока. Если на вал ротора подать обороты, то в обмотках статора возникнет электродвижущая сила. Таким образом, например, в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания во время движения заряжается аккумулятор и снабжаются энергией другие приборы. В

электромобилях и гибридах часто используется система рекуперации: когда водитель не давит на педаль газа (или тормозит), электроэнергия возвращается обратно в аккумулятор. В этом режиме не двигатель приводит в движение трансмиссию, а колеса буквально крутят ротор.

В общем, электродвигатели получили большую популярность в технике из-за таких преимуществ, как высокий коэффициент полезного действия и простота механизма. Диапазон мощности и габаритов чрезвычайно велик, что позволяет успешно использовать их как в мелких электронных приборах, так и в масштабной промышленной технике.

Читайте также: Новый дешевый двигатель Volabo увеличит запас хода электромобилей на 25%

Источник: shooter.ua

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

Как работает бесколлекторный мотор — HPI Racing

HPI предлагает для всех типов радиоуправляемых электроавтомоделей великолепную бесколлекторную систему  Flux Brushless System! Бесколлекторная система Flux идеально подходит для шоссейных автомоделей, моделей багги и внедорожников в масштабе 1/10 и позволяет разогнать эти машины до скорости почти 100 километров в час!

 

Flux Brushless System состоит из электронного регулятора скорости и бесколлекторного двигателя. 

Бесколлекторный двигатель — это лучший выбор почти для всех электроавтомоделей в масштабе 1/10. С таким мотором ваша модель станет сверхбыстрой на трассе и сможет развивать бешенную скорость! Со стандартным никель-металлогидридным аккумулятором, состоящим из 6-и элементов, или с 2S LiPo (7,4 вольт) аккумулятором вы можете получить до 60 км/ч даже со стандартным редуктором! Мощность бесколлекторного мотора Flux эквивалентна высокофорсированным коллекторным  9 – 10 витковым  двигателям, работающих от шести элементных NiMH батарей, а это огромная мощность!

Особенности бесколлекторных двигателей Flux:

  1. Мощный, высокоскоростной бесколлекторныый мотор – эквивалент  коллекторного  9,5 виткового двигателя.
  2. Отлично сочетание огромной мощности и необычайной эффективности.
  3. Такой же размер, как у стандартного мотора  540-го типа.
  4. Необслуживаемая конструкция.
  5. Внешние контакты для легкой перепайки проводов.
  6. Крупногабаритные шарикоподшипники.
  7. Высокий крутящий момент, термостойкий неодимовый ротор.
  8. Специальная конструкция статора обеспечивает плавное линейное увеличение крутящего момента.
  9. Простой и удобный монтаж через 4 точки.
  10.  Ресурс в разы больше, чем в сопоставимых коллекторных моторах.
  11. Легко заменяемые подшипники и ротор.
  12. Совместим с любым бездатчиковым регулятором скорости для бесколлекторных двигателей.

 

Электронный регулятор скорости — «мозг» системы Flux. Регулятор скорости серии Fluxимеет разъемы для подключения мотора, разъем типа Dean для подключения и трехжильный кабель с разъемом для соединения с приемником, так что вы сможете легко установить регулятор в любом удобном месте на вашей модели. Регулятор способен работать с бесколлекторными двигателями разных размеров и мощности, а так же совместим как с NiMH аккумуляторами, так и LiPo батареями, что позволяет получить максимальную мощность от вашей системы Flux Brushless System! Регулятор Flux — небольшой по размеру, но огромный по допустимой мощности! На сайте HPI вы можете получить рекомендации по программированию регулятора скорости с помощью компьютера!

Особенности регулятора скорости Flux:

  1. Программируемый электронный регулятор скорости с функцией заднего хода для бесколлекторных  / коллекторных электродвигателей.
  2. Отсечка при низком напряжении для LiPo аккумуляторов**
  3. Эффективный алюминиевый радиатор.
  4. Пропорциональный тормоз с контролем усилия.
  5. Огромная рабочая мощность (70A * непрерывно / 380A в пике).
  6. Плавный старт бездатчиковых двигателей (патенты находятся на рассмотрении)
  7. Dean’s разъем для подключения батареи.
  8. Надежный выключатель.
  9. Просто программируется.
  10. Возможность легко настроить параметры с помощью кабеля HPI link (в комплект не входит).
  11. Работает с бесколлекторными и стандартными коллекторными двигателями.

 Система Flux Brushless System, разработанная HPI, предназначена для любителей и спортсменов, которые хотят иметь мощную, универсальную и доступную бесколлекторную систему. Двигатели Flux чрезвычайно мощные, очень надежные и эффективные, а это самой легкий путь к победе! У бездатчиковых двигателей HPI гораздо меньше проводов, которые можно повредить во время гонки, и это избавляет вас от лишних забот. Вы можете приобрести двигатель в комплекте с регулятором скорости или купить их по отдельности!

Перспективы модернизации

 Владельцы Flux Motiv могут обновлять параметры регулятора с помощью компьютера и бесплатного программного обеспечения! Программисты постоянно делают обновления программного обеспечения Flux Motive и вы можете загружать их, используя набор HPI PC USB programming kit. Этот комплект позволяет подключить регулятор скорости прямо к компьютеру, работающему под Windows, и сохранить настройки профиля, внести изменения в настройки, обновить прошивку и многое другое!

 

Давайте сначала узнаем, как работает коллекторный двигатель.

Чтобы узнать, почему бесколлекторные двигатели настолько эффективны и имеют высокую мощность, необходимо знать, как работает стандартный коллекторный мотор.

Обычные коллекторные  электродвигатели, которые вы можете найти в машинахSprint 2 или E-Firestorm  имеют всего два провода  (положительный и отрицательный), которыми двигатель подключается к регулятору скорости. Внутри корпуса двигателя можно увидеть два изогнутых постоянных магнита, а по центру установлен вал с якорем, на котором намотаны обмотки из медной проволоки. С одной стороны вала якоря устанавливается моторная шестерня, с другой стороны вала расположен так называемый коллектор из медных пластин, через который с помощью угольных щеток ток подается к обмоткам якоря.

Две угольные щетки постоянно скользят по вращающемуся медному коллектору. Как вы можете видеть на рисунке выше, напряжение по проводам через щетки и коллектор поступает к обмоткам якоря, возникает электромагнитное поле, которое взаимодействует с постоянными магнитами статора и заставляет якорь вращаться.

 

Как начинает вращаться стандартный коллекторный двигатель.
Когда на обмотки якоря поочередно поступает постоянный электрический ток, в  них возникает электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет «северный» а с другой «южный» полюс. Поскольку «северный» полюс любого магнита автоматически отталкиваются от «северного»  полюса другого магнита, электромагнитное поле одной из обмоток якоря, взаимодействуя с полюсами постоянных магнитов статора, заставляет якорь вращаться. Через коллектор и щетки ток поступает на следующую обмотку якоря, что заставляет якорь вместе с валом мотора продолжать вращение, и так до тех пор, пока  к мотору подается напряжение. Как правило, якорь коллекторного мотора имеет три обмотки (три полюса) — это не позволяет двигателю застревать в одном положении.

 

Недостатки стандартных коллекторных двигателей
Недостатки коллекторных двигателей выявляются, когда нужно получить огромное количество оборотов от них. Поскольку щетки должны постоянно находиться в контакте с коллектором, в месте их соприкосновения возникает трение, которое значительно увеличивается, особенно на высоких оборотах. Любой дефект коллектора приводит к значительному износу щеток и нарушению контакта, что в свою очередь снижает эффективность мотора.  Именно поэтому серьезные гонщики протачивают и полируют коллектор двигателя и меняют щетки почти после каждого заезда. Коллекторный узел  стандартного мотора так же является источником радиопомех и требует особого внимания и обслуживания.

 

Теперь посмотрим, как работает бесколлекторный двигатель.
Основной особенностью конструкции бесколлекторного двигателя является то, что он по принципу работы похож на коллекторный мотор, но все устроено как бы  «наизнанку», и в нем отсутствуют коллектор и щетки. Постоянные магниты, которые в коллекторном моторе установлены на неподвижном статоре, у бесколлекторного мотора расположены вокруг вала, и этот узел называется ротор. Проволочные обмотки бесколлекторного мотора размещены вокруг ротора и имеют несколько различных магнитных полюсов. Датчиковые бесколлекторные моторы имеют на роторе сенсор, который посылает сигналы о положении ротора в процессор электронного регулятора скорости.

Почему бесколлекторный двигатель эффективней, чем коллекторный мотор
Из-за отсутствия коллектора и щеток в бесколлекторном моторе нет изнашивающихся деталей, кроме шарикоподшипников ротора, а это автоматически делает его более эффективным и надежным. Наличие сенсора контроля вращения ротора также значительно повышает эффективность. У коллекторных двигателей не возникает искрения щеток, что резко снижает возникновение помех, а отсутствие узлов с повышенным трением благоприятно сказывается на температуре работающего мотора, что так же повышает его эффективность.

Существуют ли недостатки у бесколлекторных двигателей?
Единственный возможный недостаток бесколлекторной системы – это несколько более высокая стоимость, однако каждый, кто испытал высокую мощность бесколлекторной системы, почувствовал прелесть отсутствия необходимости периодической замены щеток, пружин, коллекторов и якорей, тот быстро оценит общую экономию и не вернется к коллекторным моторам … никогда!

Действительно ли бесколлекторный двигатель не требует «никакого обслуживания?
Да! Они таковы, экономят время, поэтому гонщики всего мира теперь с удовольствием могут передохнуть между заездами. Вам больше не придется после каждой гонки демонтировать двигатель, разбирать его, шлифовать коллектор, менять щетки, вновь собирать и заново устанавливать … отсутствие этих забот — это огромное удовольствие!

Единственное, что вам возможно потребуется делать, это содержать двигатель в чистоте, и при необходимости менять подшипники. Эти процедуры выполняются редко, так что их нельзя классифицировать как регулярное техническое обслуживание.

Почему без датчика?
Помимо базовых размеров и различных параметров, бесколлекторные двигатели могут подразделяться по типу: с датчиком и без датчика. Двигатель с датчиком используют очень маленький сенсор на роторе и кроме трех толстых кабелей, по которому мотор получает питание, имеют дополнительный шлейф из тонких проводов, которые соединяют двигатель с регулятором скорости. Дополнительные провода передают информацию с датчика о положении ротора сотни раз в секунду. Эта информация обрабатывается электронным регулятором скорости, что позволяет мотору работать плавно и эффективно, насколько это возможно. Такие моторы используют профессиональные гонщики, однако такие двигатели намного дороже и сложнее в использовании.

Бездатчиковая бесколлекторная система, как можно догадаться, не имеет датчиков и дополнительных проводов, а ротор таких двигателей вращается без точной регистрации его положения и оборотов регулятором скорости. Это позволяет сделать двигатель и регулятор скорости проще в изготовлении, проще в установке и в целом дешевле. Бездатчиковые системы способны обеспечить такую же мощность, как датчиковые, просто с чуть-чуть меньшей точностью, а это идеальное решение для любителей и начинающих спортсменов.

В HPI пришли к выводу, что нашим клиентам не нужна точность, которая доступна для датчиковых систем, для них важнее надежность, и мы решили использовать популярную бездатчиковую систему для комплектов серии Flux.

Мы надеемся, что данная статья объяснит все, что вам нужно знать о системе HPI Flux Brushless.

Принцип работы электровелосипеда: что необходимо знать!

Планируя покупку индивидуального средства передвижения для поездок за город или на работу, многие потенциальные владельцы этой техники задаются вопросом, как устроен электровелосипед. Чаще всего в магазинах и шоу-румах электротранспорта они видят самые обычные байки, разве что немного навороченнее, имеющие дополнительные кнопки и мини-дисплей на руле. Догадаться, чем подобные приспособления по сути отличаются от того двухколесного транспорта, на котором ездили, например, 30 или 40 лет тому

назад, проблематично. Раскрыть этот секрет поможет изучение устройства электрического велосипеда.

Конструкция изделия подразумевает наличие:

  • рамы, на которую монтируется руль, педали и сиденья;
  • контроллера, который ответственен за управление работой устройства;
  • бортового компьютера;
  • пары колес, с помощью которых электровелосипед движется по дороге;
  • электродвигателя с соответствующим ему приводом;
  • АКБ, питающей мотор;
  • вспомогательных приспособлений: фар, предохранителей, багажника, переключателя передач, проводов.

Чтобы понять, из чего состоит электровелосипед, достаточно представить себе любой обычный электротранспорт: устройство, запитываемое от портативного аккумулятора и имеющее электродвигатель достаточной мощности.

Принцип работы электровелосипеда↑

Если райдер, передвигающийся на обычном велосипеде, вращает педали, создавая, тем самым, крутящий момент, который передается по цепи на колесо, то в электробайке функцию механизма, инициирующего движение техники, выполняет электродвигатель. Будучи установленным в колесе или педальном узле он получает энергию для работы от аккумуляторов. Приводится в действие система при помощи контроллера. Управляется байк за счет руля, тормозных дисков и переключателя скоростей.

Принцип работы ручки газа электровелосипеда следующий: велосипедист рукой нажимает на ручку, что приводит к изменению числа импульсов напряжения в одну единицу времени (секунду), подающихся на обмотки мотор-колеса. Этот эффект позволяет управлять скоростью вращения данного типа двигателя, а значит, и скоростью передвижения байка.

Устройство аккумулятора электровелосипеда может быть разным в зависимости от его основного активного элемента. Выделяют такие типы батарей:

  • свинцовые;
  • литий-магниевые;
  • литий-ионные;
  • литий-полимерные;
  • никель-металл-гибридные;
  • литий-железо-фосфатные.

Свинцовые считаются самыми примитивными и быстро выходящими из строя, в то время как LiFePO4, напротив, считается самым долгоиграющим вариантом. При покупке байка стоит, в первую очередь, проверить тип батареи и правильно выполнить ее первую зарядку соответствующим зарядным устройством. Это важно, так как от данной процедуры может зависеть качество последующей эксплуатации изделия.

Как работает контроллер электровелосипеда↑

Под термином «контроллер» понимается электронное приспособление, выполняющее посредническую роль между рулевым управлением и двигателем. По сути он осуществляет преобразование постоянных батарейных токов в трехфазные, актуальные для мотор-колеса. Обычно этот механизм помещается в герметичный металлический корпус, который защищает его от нежелательных внешних воздействий.

Именно с помощью контроллера становится возможной передача электротоков к элементам системы и, собственно, активация мотор-колеса с последующим контролем работы данного элемента.

  • Сначала контроллер принимает сигнал, поступающий с ручки акселератора.
  • Затем он активирует двигатель, раскручивая его.
  • При изменении сигнала устройство регулирует скорость вращения электромотора, главным образом посредством изменения длины импульсов.
  • Параллельно контроллер фиксирует уровень напряжения в батареях и может отключать двигатель от питания для его защиты и продления срока службы.
  • Дополнительно изделие способно преобразовывать переменный ток в постоянный для обеспечения торможения.

Режимов работы у изделия может быть два: работа от двигателя «power-on-demand» и «pedal-assist» или поддержка педалирования. Во втором режиме устройство все время контролирует силу и скорость вращения педалей, чтобы соответствующим образом регулировать работу электромотора. Обычно штатные контроллеры, которыми комплектуются электробайки, демонстрирую напряжение либо 36 Вольт, либо 48 Вольт.

Виды электроприводов↑

Чтобы обеспечить передачу крутящего момента от электромотора непосредственно на колеса, в байках современного образца могут использоваться различные механизмы:

  • мотор-колесо предполагает монтаж двигателя прямо внутрь колеса на место ступицы, что крайне удобно, так как не требует сложных систем передачи вращения;
  • ременной или цепной привод, при котором двигатель ставят в педальный узел, а трансляция движения осуществляется при помощи классической схемы из педалей и цепи;
  • фрикционный принцип передачи вращения (резиновый ролик, подсоединенный к двигателю и расположенный над колесом, раскручивает последнее за счет трения об покрышку).

Чаще всего потребителей интересует, как работает мотор-колесо электровелосипеда, так как эта разновидность электропривода считается наиболее надежной и практичной. Ее предпочитает выбирать подавляющее большинство велосипедистов. Данная деталь может быть безредукторной или иметь планетарный встроенный редуктор. Функционирует она следующим образом: внутри статора благодаря токам, подающимся с аккумулятора, формируется вращающееся магнитное поле. Оно вступает во взаимодействие с магнитами ротора, инициируя процесс его активации. А поскольку в этой модели двигатель, колесо и трансмиссия объединены в один элемент, колесо с легкостью приходит в движение.

В комплект трансмиссии, помимо собственно привода, входят также тормоза, переключатели, цепь, система тросиков, кассета или трещотка электровелосипеда.

Перейти в раздел мотор-колес и веломоторов

Про подключение контроллеров электровелосипеда можно посмотреть видео тут: