Відповідно до закону природи, енергія не зникає і нізвідки не береться, вона просто передається від однієї речовини до іншої, змінюючи форму. На цьому явищі і побудована робота електричного двигуна. Його ККД, в залежності від виду пристрою, може змінюватися від 75 до 96 відсотків. При цьому величина корисної роботи залежить не тільки від конструкції електродвигуна, але також і від його характеристик, наприклад, потужності.
Загальні відомості
Для того, щоб механізм привести в дію, потрібно затратити роботу. Якщо при цьому немає тертя деталей, то він вважається ідеальним. В цьому випадку його корисна робота, виконана самим двигуном, буде дорівнює витраченої. Під останньою ж розуміють ту, що відбувається для приведення механізму в дію при додатку зовнішньої сили. Про таку роботу кажуть, що вона повна.
У реальних же пристроях деталі не є невагомими, вони мають вагу через що існує тертя. Тому корисна робота (Ак) буде менше витраченої (Аз). При цьому якщо одну збільшити в кілька разів, то друга зросте на те ж значення. Іншими словами, відношення Ак/Аз є постійною величиною для конкретно розглянутого пристрою. Але оскільки механізм неідеальний, то це відношення завжди буде менше одиниці.
Значення виразу Ак/Аз, по суті, описує якість пристрою, будучи важливою для нього характеристикою. Тому йому присвоїли окреме ім’я-коефіцієнт корисної дії (ККД). Для його позначення вирішили використовувати букву грецького алфавіту “ЕТА” (η). Часто формулу записують так: η = (Ак/Аз) * 100%, вважаючи його у відсотках. Для електродвигуна коефіцієнт знаходять як відношення роботи, виконаної самим пристроєм до дії по його запуску.
ККД електричного приладу, втім, як і будь-якого іншого, завжди буде менше одиниці. Якщо уявити, що це не так, то в цьому випадку виходив би джерело нової енергії. А згідно із законами природи, вона не може взятися нізвідки. Тобто такого пристрою не існує. Ще в XIX столітті Французька академія наук відмовилася приймати проекти так званих вічних двигунів через протиріччя фундаментальному явищу природи-закону збереження енергії.
Робота електродвигуна заснована на перетворенні механічної енергії в електричну.
Винахідником пристрою вважається фізик-експериментатор з Англії Майкл Фарадей. Саме він придумав спосіб, як змусити намагнічену стрілку обертатися навколо магніту. Це послужило основою для відкриття Ампером соленоїда і Барлоу електричного колеса, що став родоначальником уніполярного електродвигуна.
Принцип роботи
Нехай є рамка, яка поміщена в магнітне поле. Її можна підключити до джерела струму. При цьому прийняти, що переміщаються носії зарядів проти годинникової стрілки. Для цього позитивний полюс генератора потрібно підключити праворуч, а негативний зліва. Ця рамка може обертатися навколо горизонтальної осі. Поміщена вона в магнітне поле лінії якого спрямовані перпендикулярно осі обертання.
Магнетизм буде впливати на кожну сторону рамки по-різному. Щоб визначити, як будуть діяти сили потрібно скористатися правилом буравчика: якщо долоню розташувати таким чином, щоб в неї входили лінії магнітного потоку, а пальці збігалися з напрямком струму, то відігнутий великий палець вкаже напрямок впливу. Таким чином, виходить:
- північна сторона – сила спрямована вгору (F1);
- південна сторона – вниз (F2);
- західний і східний ділянку – сила не діє.
Рамка зі струмом починає повертатися
В результаті рамка зі струмом починає повертатися. Але як тільки вона змінить своє положення на 90 градусів, то відразу ж завмре. Діючі сили змінять своє становище. Це призведе до того, що вони будуть розтягувати рамку. Виходить, що в магнітному полі провідник прагне повернутися так, щоб її площина стала перпендикулярно напрямку дії поля.
Цей ефект і використовується в роботі електродвигуна. Змінюючи напрямок струму, можна домогтися постійного обертання рамки. Робиться це за допомогою циліндра, розрізаного на дві частини. Один провід рамки підключається зсередини до правого півкільця, а інший до лівого. З зовнішніх же сторін за допомогою ковзних контактів подається напруга від джерела струму.
При такій схемі в той момент, коли рамка повернеться на 90 градусів, розрізи циліндра змінять своє положення. Розігнавшись, конструкція проскочить це положення за інерцією, тобто виконає половину обороту. На її боку знову будуть діяти дві протилежно спрямовані сили Ампера. Рамка знову почне розгортатися, прагнучи обертатися за годинниковою стрілкою. Це явище буде відбуватися в такій системі безперервно.
У підсумку вийде пристрій, завжди обертає рамку в одну сторону. По суті, це і є примітивний електромотор або як його називають у фізиці — обертаюча електрична машина. Принципова її різниця від двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) полягає в тому, що для обертання використовується не теплова, а Електрична енергія.
Пристрій електромотора
ККД двигуна внутрішнього згоряння розташовується в межах від 40 до 60%. У той час як у електричного він досягає 96%. Це досить високий показник якого домагаються за допомогою удосконалення конструкції і використання надпровідникових матеріалів. Існує кілька типів двигунів, що працюють від електрики. Але в їх конструкції використовуються однакові основні частини.
Так, до складу пристрою електричного двигуна входить:
- Вал – елемент на який встановлюються інші деталі.
- Якір – частина, що складається з сердечника, що набирається з набору пластин зі спеціальної електротехнічної сталі.
- Якірна обмотка – складається з котушок індуктивності, в яких наводиться електрорушійна сила.
- Колектор – система ізольованих провідних пластин, до яких припаяні якірні обмотки.
- Головний полюс – виготовляється з постійних магнітів.
- Обмотка збудження – розташовується на роторі і підключена до контактних кілець, через які подається на пристрій струм.
- Втулки – підшипники, за допомогою яких здійснюється ковзання ротора по валу. Їх якість багато в чому визначає ККД ел. двигун.
- Роторні полюси – використовуються чотири відокремлених один від одного смужки.
Нерухома частина двигуна називається стартером, а обертається — ротором. У пази сердечника укладають зігнуті в формі рамки дроти. Їх кінці з’єднують з колектором. До його пластин підтискають через пружини дві позитивні щітки, підключені через обмотки збудження і дві негативні, з’єднані з масою стартера. У задній кришці останнього встановлюються Щіткотримачі і втулка якоря.
Від плюсової клеми Джерела живлення провід йде на вхідний контакт стартера. Струм проходить по ньому, надходить на обмотку збудження і потрапляє на позитивну щітку. З колектора заряди переходять на рамки якоря, а після — на негативну щітку і на мінус джерела струму. В результаті взаємодії магнітного поля з обмотками збудження і рамками зі струмом якір починає обертатися.
Це класичний пристрій електродвигуна. Але техніка не стоїть на місці.
Тому в сучасних електричних моторах не використовують обмотки збудження. А струм відразу подається на негативні щітки якоря. Це дозволяє уникнути додаткового нагріву, що призводить в цілому до збільшення якості системи.
Способи підвищення ККД
Знаходження шляхів вирішення завдання з підвищення енергоефективності електродвигунів в промисловості і побуті сьогодні актуально як ніколи. Наприклад, нове покоління автомобілів-електромобілі, стають популярними через їх екологічності в порівнянні з дизельними моторами. Так, для порівняння, ККД машини з двигуном «Тесла», згідно презентації General Motors, становить 95%, а з класичним паливним — 36%.
Основними причинами втрат в будь-якому електродвигуні є:
- перемагнічування ротора і статора;
- виникнення вихрових струмів;
- нагрівання обмоток;
- механічне тертя.
Для електродвигунів з короткозамкненим ротором потужністю до 17 кВт ККД, як правило, не перевищує 88 відсотків. Основні втрати енергії відбуваються через нагрівання. Охолодження електричного мотора дозволяє підняти найбільше значення на 3%. При цьому як показує практика найкращий ККД може бути отриманий при роботі двигуна на ¾ навантаження. Так, для порівняння, в режимі холостого ходу η = 0%, а при повній — η = 87%.
Виходить, що сумарність втрат залежить від потужності і величини навантаження. На початку 2000 років популярним способом підвищення ККД стало введення контролю коефіцієнта потужності (ККП). З його допомогою виконується підтримка оптимального кута між обертовими магнітними полями в електричному двигуні. Досягається це просторово-векторним управлінням.
За визначенням оптимальний кут між полями ротора і статора повинен дорівнювати 90°С. тому для підтримки його при різних режимах роботи використовують наступну послідовність включення: випрямляч з активною ККП, інвертор управління, трифазний двигун. Ефективність такої схеми наближає роботу електродвигуна до 96%. За прогнозами інженерів, це не межа. Використання енергоефективних блоків ККП на мікроконтролерах нового покоління і удосконалення алгоритмів дозволить підвищити ККД електродвигуна ще на два відсотки.
