Если между полюсами постоянного магнита поместить свободно подвешенную проволочную петлю и пропустить через нее электрический ток, то петля тотчас же отклонится в сторону, стремясь выйти из магнитного поля. На этом явлении и основано действие всех электрических двигателей. Электродвигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статор — неподвижная часть, служит магнито-проводом, внутри него создается магнитное поле. Ротор — вращающаяся (подвижная) часть, несет на себе витки провода, по которому протекает электрический ток. Если двигатель работает от сети переменного тока, то он называется двигателем переменного тока. Двигатели, работающие от источника постоянного тока, называются двигателями постоянного тока.
Первыми электродвигателями были двигатели постоянного тока (объясняется это тем, что первыми были изобретены источники постоянного тока — гальванические элементы и батареи). В 1838 г. русский ученый Б. С. Якоби построил первый пригодный для практических целей электродвигатель постоянного тока, который использовался для привода гребного вала лодки. К 70-м гг. XIX в. электродвигатель был уже настолько усовершенствован, что в таком виде сохранился до наших дней. Вначале в электродвигателе использовались постоянные магниты; затем стали применяться электромагниты, что было существенным шагом вперед, так как сразу увеличилась мощность электродвигателей. Устроен электрический двигатель постоянного тока следующим образом. Если к обмотке электромагнита подвести электрический ток, то между его полюсами возникает магнитное поле. При этом виток провода, размещенный на роторе, к которому ток подводится через коллектор с помощью угольных пластин (называемых щетками), начинает вращаться, увлекая за собой ротор. Электродвигатели постоянного тока выпускаются мощностью от долей ватта (Вт) до сотен киловатт (кВт), на напряжение от
Принцип действия электродвигателя. Без тока замкнутый виток в магнитном поле неподвижен (а); если через виток пропустить постоянный или переменный ток с помощью единиц вольт (В) до сотен вольт. Важнейшая особенность электродвигателей постоянного тока — возможность легко регулировать в широких пределах частоту вращения ротора, изменяя силу тока в его обмотках. Микроэлектродвигатели постоянного тока широко применяются в системах автоматического регулирования, в электробритвах, кофемолках, любительских кинопроекционных аппаратах и других приборах бытового назначения. Мощные электродвигатели используются главным образом для привода прокатных станов, подъемных кранов, а также в качестве двигателей на электрофицированном транспорте.
Электродвигатели постоянного тока были созданы ранее электродвигателей переменного тока, но утратили свое значение как основной тип двигателя после изобретения в 1889 г. русским инженером М. О. Доливо-Добровольским системы трехфазного тока и создания первых в мире трехфазных двигателей переменного тока.
Так же как и двигатели постоянного тока, двигатели переменного тока состоят из двух основных частей: статора и ротора. Отличительная особенность — отсутствие коллектора, ток в обмотки ротора подаётся через контактные кольца. В некоторых двигателях переменного тока обмотки ротора вообще не имеют выводов для подключения к источнику тока, а замыкаются между собой. Такие обмотки внешне напоминают колесо, устанавливаемое в беличьих клетках. Потому и ротор такого типа получил название беличьего колеса.
Двигатели переменного тока бывают синхронные и асинхронные. Синхронные двигатели называются так потому, что частота вращения ротора жестко связана с частотой тока в питающей сети, или, иными словами, частота вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора, строго согласована (синхронна) с частотой вращения ротора. В асинхронных электродвигателях частота вращения ротора отстает от частоты вращения магнитного поля статора, т. е. ротор вращается асинхронно по отношению к магнитному полю статора.
Из-за сложности конструкции и недостатков эксплуатационных характеристик синхронные электродвигатели применяются редко.
Наибольшее распространение получили асинхронные двигатели; они просты в производстве и надежны в эксплуатации.
Конструкция, мощность и размеры асинхронных двигателей зависят от их назначения и условий работы. Например, обычные двигатели с воздушным охлаждением применяются в металлообрабатывающих станках, в электрофуганках, для привода циркулярных пил, в лифтах, электропроигрывателях и т. д.; двигатели в герметичном корпусе и маслонаполненные — в электробурах; взрывобезопасные — для работы в шахтах и взрывоопасных помещениях; шаговые — в следящих системах, устройствах автоматики и телемеханики.
Мощность асинхронных электродвигателей колеблется от нескольких ватт до десятков миллионов ватт; масса — от сотен граммов до десятков тонн; напряжение питающей сети — от десятков вольт до нескольких киловольт.
Все большее внимание уделяется так называемому линейному электродвигателю — двигателю электромагнитного транспорта (см. рис). Чтобы лучше понять его устройство и принцип действия, сравним его с устройством и принципом действия обычного электродвигателя.
У обычного электродвигателя переменного тока статор представляет собой стальное кольцо с обмоткой. В линейном двигателе кольцо как бы разрезано и распрямлено. При этом статорные обмотки уложены на плоскости вдоль всего пути, по которому движется транспорт. Ротором такого двигателя служит алюминиевый брус, уложенный посредине между обмотками тоже вдоль всего пути.
Принцип работы линейного двигателя, по существу, тот же, что и у обычного электрического двигателя переменного тока: электрический ток через 3 контактных провода поступает в статор, вдоль проводников бежит магнитная волна, а в роторе-полосе наводятся вихревые токи, возникают электромагнитные силы. Они направлены вдоль полотна и приводят вагон, установленный на таком линейном двигателе, в движение. Вагон набирает скорость, движется с ускорением до тех пор, пока скорости передвижения вагона и бегущего магнитного поля не сравняются. Таким образом, электрическая энергия непосредственно преобразуется в поступательное движение вагона. На этом принципе основана работа транспорта на магнитной подвеске.
Но чтобы вагон начал перемещаться вдоль линейного двигателя, одних электромагнитных сил, создаваемых им, явно недостаточно. Вагон просто не сдвинется с места. Иключить трение помогают установленные с обеих сторон пути 2 рельса — 2 стальные полосы, которые в сечении похожи на букву П. На вагоне как раз под стальными полосами расположены мощные электромагниты. Они-то и удерживают вагон на весу.