Электрический двигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую.
И это же устройство способно работать в режиме электрогенератора: преобразовывать механическую энергию в электрическую.
Принцип действия электрической машины основан на взаимодействии электрического и магнитного полей:
- переменное магнитное поле порождает электрическое поле и способно индуцировать электрический ток в проводнике;
- проводник с электрическим током индуцирует магнитное поле. Если поместить его во внешнее магнитное поле, то поля взаимодействуют – возникает сила, получившая название «сила Лоренца». Она способна совершить работу, привести проводник в движение.
Магнит приводит проводник с током в движение
Первое знакомство с магнитным полем весьма эффектно: мы убеждаемся, что магнит притягивает гвозди, а ферромагнитная пластинка с сувенирной картинкой примагничивается к стальной дверце холодильника. Здесь магнитное поле выступает как самостоятельная сила, присущая определенным магнитным веществам.
На самом деле магнитное поле создается электрическим током или меняющимся электрическим полем. В том числе и в постоянном магните: «работают» микротоки, создаваемые электронами в атомах. В ферритах эти микротоки способны синхронизироваться. поэтому возникает существенная
Магнитное поле может быть управляемым. Медная проволока, намотанная на катушку, не проявляет магнитных свойств, но если по проволоке течет электрический ток – катушка превращается в магнит. Чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле. Выключили ток – магнитное поле пропало.
Что происходит, когда в поле магнита (или электромагнита) помещают проводник с током? Ток в проводнике наводит собственное магнитное поле, и оно взаимодействует с полем «большого» магнита. Магнитные силовые линии деформируются, и возникает сила, стремящаяся их «выровнять». Эта сила способна совершать работу. На этом основана работа электродвигателя.
Рассмотрим магнитные поля постоянного магнита и проводника с током (на рисунке изображено сечение провода, ток течет «от зрителя»).
Круговые магнитные линии проводника с током, при взаимодействии с постоянным полем, будут усиливать поле там, где направления линий совпадают, и ослаблять поле там, где они противоположны.
На рисунке показаны магнитные силовые линии внешнего магнитного поля, деформированные при появлении проводника с током.
На рисунке а ток направлен от зрителя, на рисунке б – к зрителю.
Магнитное поле веет себя так, словно магнитные линии являются упругими нитями: они стремятся занять прежнее положение и вытеснить проводник с током. Возникает сила, способная совершить работу. На рис..а эта сила направлена вниз, на рис. б – вверх.
Если проводники соединить так, чтобы образовался замкнутый контур, и пустить по этому контуру электрический ток, то на контур будет действовать вращающий момент. Это очень упрощенная схема электродвигателя: ротор с электрическими обмотками, по которым идет ток, находится во внешнем магнитном поле статора. В результате на ротор действует вращающий момент, ротор вращается и передает механическую энергию потребителям: колесу, пропеллеру, валу станка, ножу кофемолки…
Тот же электрический контур, помещенный без тока в магнитное поле, будет неподвижен. Но если приложить внешнюю силу и вращать его, то под действием меняющегося магнитного поля в контуре возникнет электрический ток. Этот ток можно передать потребителю: зарядить автомобильный генератор, включить освещение, электрообогреватель и т.д.
Эта схема лежит в основе работы турбин на электростанциях, ветровых электростанций, дизельных генераторов.
Магнитное поле статора: постоянный магнит или электромагнит?
Первоначально в электродвигателях использовались постоянные магниты для создания поля статора. Сейчас их применяют в основном для демонстрационных моделей. В реальных электродвигателях статор – это электромагнит, его магнитное поле создается электрическим током.
А как работает электрический генератор? Ротор с обмотками из проволоки должен вращаться в магнитном поле, чтобы в проводах наводился электрический ток. Казалось бы, внешний постоянный магнит необходим. Но магнитное поле, обеспечиваемое намагниченными ферритами, не слишком сильное, оно не обеспечит генерацию большого тока.
Статор электрогенератора тоже является электромагнитом, но в состоянии покоя имеет небольшую остаточную намагниченность. Это очень важно. Слабое магнитное, поле при начале вращения ротора, наводит небольшой электрический ток, но далее включается положительная обратная связь: в обмотках электромагнита статора возбуждается электрический ток, который усиливает магнитное поле, и это усиливает ток в роторе, и т.д. Пока механическая энергия вращает ротор, в статоре существует сильное магнитное поле. Прекращает вращаться ротор – магнитное поле вновь возвращается к первоначальному малому значению.
Как передается и снимается электрический ток с вращающегося ротора?
В электрической машине используются скользящие контакты – так называемые щетки. Хороший контакт обеспечивается за счет конструктивных ухищрений: подпружинивания, выбора специальных материалов. Скользящие контакты при нарушении их структуры начинают искрить, нагреваться и выводят из строя устройство.
Существуют решения, при которых скользящие контакты не нужны. Например, постоянный магнит вращается внутри контура, при этом ток наводится в неподвижном статоре и без проблем передается потребителям. Другой вариант: ток на ротор передается посредством совмещенного с ним вращающегося трансформатора. Такие электрические машины используются наряду с классическими схемами, но однозначного преимущества у какой-либо конструкции нет. Трансформатор на роторе усложняет и удорожает конструкцию, поэтому применяется в тех случаях, когда категорически недопустимо искрение щеток.
Генератор с вращающимся магнитом, в котором ток потребителю передается со статора, распространен, но его применение ограничено. Этот генератор, имеющий название компаундный, имеет невысокий КПД, его мощность ограничена небольшими значениями, он работает только как однофазный (промышленные станки от него не запитаешь).
Трехфазные схемы генераторов и двигателей
Промышленные электрогенераторы и электродвигатели имеют трехфазные схемы. Это связано с тем, что КПД трехфазной схемы выше, чем однофазной. В контуре, вращающемся в магнитном поле, ток наводится неравномерно: максимум ЭДС наблюдается, когда движение провода перпендикулярно магнитным линиям, и равно нулю, когда оно параллельно. Если на валу три обмотки, расположенные под углом друг к другу, то максимум ЭДС наводится в них поочередно, и механическая энергия более эффективно преобразуется в электрическую. То же самое можно сказать о трехфазных электрических двигателях.