Основной принцип действия
Действие всех электрических двигателей основано на фундаментальном физическом явлении: если через проволочную петлю, помещённую в магнитное поле, пропустить электрический ток, она начнёт отклоняться, стремясь выйти из этого поля. Это взаимодействие магнитного поля и проводника с током создаёт силу, которая и приводит механизм в движение.
Устройство и классификация
Любой электродвигатель состоит из двух ключевых компонентов: статора (неподвижной части, создающей магнитное поле) и ротора (подвижной части, несущей обмотки с током). В зависимости от типа питающего тока двигатели делятся на две большие группы: двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока.
Двигатели постоянного тока (ДПТ)
Исторически это были первые электродвигатели, что объясняется ранним появлением источников постоянного тока. Знаковым событием стало создание в 1838 году русским учёным Б.С. Якоби первого практически пригодного ДПТ, который использовался для привода гребного вала лодки. К 1870-м годам конструкция была настолько отработана, что её основные черты сохранились до наших дней.
В основе работы ДПТ лежит следующее: ток, подводимый через коллектор и щётки к обмотке ротора, создаёт магнитное поле. Это поле взаимодействует с полем статорных электромагнитов, заставляя ротор вращаться. Переход от постоянных магнитов к электромагнитам в конструкции статора стал прорывом, значительно увеличившим мощность двигателей.
ДПТ выпускаются в огромном диапазоне мощностей — от долей ватта до сотен киловатт. Их ключевое преимущество — плавное и широкое регулирование скорости вращения ротора путём изменения тока в обмотках. Микродвигатели постоянного тока нашли применение в бытовой технике (электробритвы, кофемолки) и системах автоматики, а мощные агрегаты приводят в движение прокатные станы, подъёмные краны и используются на электротранспорте.
Двигатели переменного тока
Широкое распространение двигателей переменного тока началось после изобретения в 1889 году русским инженером М.О. Доливо-Добровольским системы трёхфазного тока и создания первых трёхфазных двигателей. В отличие от ДПТ, они, как правило, не имеют коллектора. Ток в обмотку ротора может подаваться через контактные кольца, а в самых распространённых конструкциях обмотка ротора замкнута сама на себя, образуя так называемое «беличье колесо».
Двигатели переменного тока делятся на два основных типа:
- Синхронные: скорость вращения ротора жёстко привязана к частоте тока в сети. Из-за сложности конструкции применяются реже.
- Асинхронные: скорость ротора немного отстаёт от скорости вращения магнитного поля статора. Именно эти двигатели получили наибольшее распространение благодаря простоте, надёжности и удобству в эксплуатации.
Асинхронные двигатели невероятно разнообразны: от миниатюрных моделей в проигрывателях до гигантских промышленных агрегатов. Их конструкция адаптируется для любых условий — от обычных станков до взрывоопасных шахт или маслонаполненных электробуров.
Линейные электродвигатели
Особый интерес представляет линейный электродвигатель, который является «развёрнутой» версией обычного. Если представить статор роторного двигателя разрезанным и распрямлённым вдоль пути, а ротор — в виде алюминиевой полосы, мы получим основу линейного двигателя. Бегущее вдоль статорных обмоток магнитное поле индуцирует в роторе-полосе вихревые токи, создавая силу, которая толкает вагон вперёд. Таким образом, электрическая энергия напрямую преобразуется в поступательное движение.
Эта технология лежит в основе транспорта на магнитной подвеске (маглева). Однако для начала движения одних сил линейного двигателя недостаточно — нужно преодолеть трение. Для этого вагон удерживается на весу мощными электромагнитами, расположенными под специальными стальными направляющими, что создаёт эффект левитации и позволяет транспортному средству двигаться с минимальным сопротивлением.