Как работает электродвигатель?

3 мин чтения

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическое вращательное движение [1]. При этом он использует силу магнетизма, которая возникает, когда электрический ток проходит через катушки, создавая магнитные поля [2].

Устройство и основной принцип

По сути, электродвигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора [1]. В статоре или роторе расположены либо постоянные магниты, либо катушки с током, которые действуют как электромагниты [1].

Когда ток проходит через катушки, они создают магнитные поля. Эти поля взаимодействуют друг с другом: одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются [3]. Эти силы притяжения и отталкивания приводят ротор в движение. Чтобы вращение не остановилось после половины оборота, направление тока в катушках регулярно меняется (переполюсовка) [3].

Магнитные поля и сила Лоренца

Физической основой движения является сила Лоренца: она воздействует на движущиеся электрические заряды, то есть на ток в проводниках, когда он находится в магнитном поле [2]. В результате взаимодействия между током и магнитным полем возникает крутящий момент, который приводит в движение ротор [1].

Двигатели постоянного и переменного тока

Двигатели постоянного тока (DC) работают от постоянного тока. Переполюсовка тока в роторе происходит механически с помощью угольных щеток и коммутатора [4]. Это делает их простыми в регулировании, но также подверженными износу и требующими обслуживания.

Двигатели переменного тока (AC) используют переменный ток, чаще всего трехфазный. Переменный ток создает в статоре вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор [5]. Асинхронным двигателям переменного тока не нужны механические контакты для подачи тока в ротор — ток создается посредством индукции. Это делает их особенно надежными и неприхотливыми в обслуживании.

Бесщеточные двигатели (BLDC)

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) обходится без щеток и коммутатора. Вместо этого катушки с током расположены в неподвижном статоре, а ротор состоит из постоянных магнитов. Внешняя электроника точно подает ток на катушки, обеспечивая вращающееся магнитное поле, которое увлекает ротор.

Такая конструкция более эффективна, так как отсутствуют потери на трение щеток, тепло лучше отводится через статор, а электронное управление всегда поддерживает двигатель в оптимальной рабочей точке.

Почему электромобили так эффективны?

Электромобили извлекают выгоду из нескольких преимуществ электрической силовой установки. Современные электродвигатели преобразуют около 90–95 процентов электрической энергии в движение [5]. Кроме того, они позволяют осуществлять рекуперацию: при торможении двигатель превращается в генератор и преобразует кинетическую энергию обратно в электрическую, которая сохраняется в аккумуляторе.

В состоянии покоя электродвигатель может быть полностью выключен, что исключает потери на холостом ходу. Упрощенная трансмиссия с меньшим количеством движущихся частей снижает дополнительные потери на трение. В сочетании с точной силовой электроникой и оптимизированным термоменеджментом это обеспечивает очень высокий общий коэффициент полезного действия.

Какие материалы используются?

Для электродвигателей требуются различные материалы. Обмотки чаще всего состоят из меди из-за её отличной проводимости. Железные сердечники из электротехнической стали минимизируют магнитные потери.

Особенно мощные двигатели, такие как синхронные двигатели с постоянными магнитами, используют магниты на основе неодим-железо-бора. При этом применяются редкоземельные элементы, такие как неодим, празеодим, диспрозий и тербий, чтобы обеспечить сильные магнитные поля при высоких температурах. Корпус часто изготавливается из алюминия для эффективного отвода тепла.

Однако всё чаще разрабатываются типы двигателей без использования редкоземельных металлов, например, асинхронные или синхронные реактивные двигатели, чтобы снизить зависимость от критического сырья.

Резюме

Электродвигатель преобразует электрический ток в движение: ток проходит через катушки, создавая магнитные поля, а сила Лоренца приводит ротор во вращение. В зависимости от конструкции двигатели постоянного, переменного тока и бесколлекторные двигатели различаются прежде всего способом подачи тока и управления. Благодаря высокому КПД, рекуперации и меньшему количеству движущихся частей электрические приводы становятся всё более важной технологией, особенно в автомобильном секторе.