Електрически двигател

Въртящо магнитно поле като сума от магнитните вектори на трифазни намотки.

Един електрически двигател превръща електрическата енергия в кинетична енергия. Обратната задача, превръщането на кинетичната енергия в електрическа се извършва от генератор или динамо.

Действие

Повечето електрически двигатели работят под действието на електромагнетизъм, но също съществуват двигатели работещи под влиянието на други сили, например електростатични сили и пиезоелектричен ефект. Основния принцип под който електромагнитните двигатели работят е механична сила на всеки токоносещ проводник поставен в магнитно поле. Силата е описана от закона на Лоренц и е перпендикулярна на проводника и магнитното поле. Повечето магнитни двигатели са въртеливи на съществуват и линейни. Във въртящият двигател въртящата част (обикновенно се намира вътре) се нарича ротор, а неподвижната част се нарича статор. Роторът се върти защото проводниците и магнитното поле са поставени така че се оформя ротационна сила около оста на ротора. Двигателят съдържа електромагнити поставени в рамка.

Постояннотокови електрически двигатели

Електрически двигатели различни рамери.

Един от първите електрически двигатели е изобретен от Майкъл Фарадей през 1821 г. Съставен е от свобдно висящ проводник потопен в живак. Поставен е постоянен магнит в центъра на живака. Когато през проводника премине ток, той се върти около магнита, показвайки че тока създава въртяшо магнитно поле около проводника. Този двигател често се демонстрира в училищата, но вместо живак се използва солена вода. Това е най-простата форма на електрически двигател. Нарича се еднополярен двигател. По усъвършенстван вариант е колелото на Бароу.

Съвременният правотоков двигател е изобретен случайно през 1873, когато Женоб Грам свързва въртящо динамо към второ подобно устройство, движещо се като двигател.

Класическият правотоков двигател има въртяща се котва под формата на електромагнит.

Обикновен постояннотоков двигател. Когато има ток в намотката, се създава магнитно поле около котвата. Лявата част на котватасе избутва от левия магнит и се приблиближава до дясната част, създавайки въртене.	Котвата продължава да се върти.	Когато котвата се разположи хоризонтално, комутатора обръща посоката на тока през намотките, обръщайки и магнитното поле. След това процеса се повтаря.

Теория

Ако ротора на постояннотоков двигател се завърти от външна сила, двигателят ще действа като генератор и ще създаде електродвижещо напрежение (ЕДН). Това напрежение също се генерира и при нормалната работа на двигателя. Въртенето на двигателя създава напрежение, наречено обратно ЕДН, защото е обратно на входното напрежение. Затова спада на напрежението през мотора се състои от спада на напрежението на това обратно ЕДН и паразитното напрежение, което е резултат на външното съпротивление на котвените намотки. Тока през двигателя е:

$I=(V_{applied}-V_{backemf})/R_{armature}$

Механичната сила произведена от двигателя е:

$P=I*V_{backemf}$

Когато двигателя се включи или бъде застопорен, обратното ЕДН е пропорционално на скорстта на двигателя. Тогава имаме нулево обратно ЕДН. По тази причина тока през котвата е много по-голям. Тази висока стойност на тока причинява силни електрически полета, който карат двигателя да заработи. Когато двигателя се върти, обратното ЕДН се увеличава, докато стане равно на входното напрежение минус паразитното напрежение. Затова има малък ток през мотора. Следните три уравнения могат да се използват за намиране на скоростта, тока и обратното ЕДН на натоварен двигател:

$Load=V_{backemf}*I$

$V_{applied}=I*R_{armature}+V_{backemf}$

$V_{backemf}=speed*Flux_{armature}$

Контрол на скоростта

Скоростта на въртене на един постояннотоков двигател е пропорционална на входното напрежение, а ротационната сила е пропорционална на тока. Контрола на скоростта може да се осъществи чрез променливо напрежение, съпротивления или електронно контролиране. Посоката на въртене може да се промени както чрез смяна на полюсите на входните клеми, така и чрез реверсиране на полето, но не и двете едновременно. Това се осъществява чрез специални контактори (директни контактори).

Ефективното напрежение може да се променя чрез поставяне на сериини съпротивления или електронно-контролирано изключващо устройство направено от тиристори, транзистори или по-рано от Живачни токоизправители. В електрическа верига позната като прекъсвач, сумарното напрежение подавано към двигателя се променя много бързо. Докато честотата на "включено" до "изключено" състояние променя входното напрежение, скоростта на двигателя се променя. Процента на времето във включено състояние умножен по входното напрежение дава входното напрежение. Следователно със 100 V напрежение и 25% "включено" време, входното напрежение ще е 25 V. През времето когато е в изключено състояние, индукцията на котвата създава ток, който продължава да преминава през диод, наречен "диод маховик", в паралел със захранването. В тази точка на цикъла, захранващия ток ще е нула и затова сумарния ток на двигателя винаги ще е по-голям от захранващия, освен ако включеното състояние е 100%. При 100%-но включено ссътояние, захранващия и двигателния ток са еднакви. Бързото превключване губи по-малко енергия от използването на серийни резистори. Един изходен филтър се свързва понякога за да умекоти входното напрежение и да намали шума. Този метод се нарича широчинно импулсна модулация или ШИМ и често се контролира от микропроцесор.

Откакто простояннотоковите мотори имат голям въртящ момент при ниски скорости, те често се използват за силова употреба при локомотивите и трамваите. Друго приложение е пускови двигатели за петролови и малки дизелови двигатели. Серийните мотори никога не трябва да се използват на места където силата може да спадне рязко(при късане на ремък). Докато мотора ускорява, котвение (от там на полето) ток намалява. Това намаляване в полето кара мотора да увеличи скоростта си, докато се самоунищожи. Това може да е проблем със железопътните мотори в случаи на отлепяне от релсите, освен осъществяване на контрол двигателят може да развие скорост далеч над номиналната. Това не само може да осъществи проблеми за самите двигатели и трансисиите, но заради триенето, релсите и колелата могат да бъдат сериозно повредени. Въртящото поле се използва в някои електрически управления за да се увеличи максималната скорост на електрическо превозно средство. Най-простото утройство използва контактор и резистор, електронни контроли показват тока на мотора и превключват резистора в схемата, когато тока падне под дадена стойност (това става когато двигателят достигне максимално предвидената си скорост на въртене). Когато се включи съпротивлението, моторът ще повиши скоростта си над номиналната при номинално напрежение. Когато токът на двигателя се повиши, управлението ще изключи резистора и въртящото поле ще намалее.

Универсални двигатели

Вариант на постояннотоковият двигател е универсалният двигател. Името произлиза от факта, че той може да се захрани от постоянен или променлив ток, но в практиката обикновенно се захранват от променлив ток. Принципът се състои в това, че в постояннотоковия двигател в полето и в котвата (от там сумарният магнитен поток) ще се сменят по едно и също време (обратна поляризация) и механичната сила, която се генерира е винаги в една и съща посока. В практиката, двигателят трябва да е специално проектиран, така че да може да се захранва от променлив ток (съпротивлението трябва да бъде предвидено, както и силата на пулсация). Резултантният двигател е по-малко ефективен от еквивалентия чист постояннотоков двигател. Работейки при номинална постоянна работа, изходната мощност е ограничена и рядко надминава един киловат. Но универсалните двигатели са в основата на традиционната железница. В това си приложение, за да запазят високата си ефективност, често те работят при нискочестотно променливотоково захранване с 25 и 16 ²/₃ Hz.

Предимството на универсалният двигател е, че могат да се захранват от променлив ток и да имат характеристиките на постояннотоков двигтел, по-специално голям начален въртящ момент и малки размери при високи скорости на въртене. Отрицателен аспект е поддръжката и малкият им живот заради комутатора. Затова такова двигатели се използват в променливотокови устройства като домакински миксери, мощни инструменти които се използват с прекъсване. Продължителният контрол на скоростта на универсалният двигател с променливотоково захранване много лесно се осъществява с тиристорна схема, докато стъпковият контрол може да се осъществи чрез много намотки. Домакинските роботи, които се рекламират заради многото си скорости комбинират намотките с няколко разклонения и диод, който може да се свърже последователно с двигателя.

Променливотокови двигатели

През 1882, Никола Тесла открива принципите на въртящото магнитно поле и въвежда използването на въртящият момент за работа с машини. Той използва този принцип, за да създаде един уникален дву-фазов индукционен двигател през 1883 г. През 1885 г., Галилео Ферарис независмо открива тази концепция. През 1888 г., Ферарис публикува неговото откритие във вестникът на Кралската Академия на науките в Торино.

Структурни елементи и видове

Обикновенния променливеотоков двигател се състои от две части:

1. Външен неподвижен статор с намотки, захранени с променлив ток, които създават въртящо магнитно поле и;
2. Вътрешен ротор закрепен към вала.

Има два основни типа променливотокови двигатели, според вида на ротора:

• Синхронен двигател, който се върти точно със скоростта на захранваща честота или по-бавно и;
• Индукционен двигател, който се завърта много по-бавно и обикновенно (не винаги) ротора е кафезен