Как работают электрические двигатели и генераторы?

Большинство людей понимают, что электродвигатель работает от электричества, мы каждый день наблюдаем это на примерах нашей бытовой техники- стиральные машины, пылесосы, кухонные комбайны. Но идея о том, что двигатель может «бежать назад», фактически вырабатывая электричество, а не потребляя его, кажется похожей на магию. Однако именно эта «магия», называемая генерацией тока, лежит в основе работы всех автомобилей, причем не только бензиновых, но и электрических.

Электромагнетизм

Выработка электроэнергии начинается с работы электромагнетизма - физической связи между магнитом и электричеством. Электромагнит - это устройство, которое действует как магнит, но его магнитная сила проявляется и контролируется электричеством. Когда провод из проводящего материала (например, меди) перемещается в магнитном поле, в проводнике (рудиментарный генератор) создается ток. И наоборот, когда электричество проходит через провод, намотанный вокруг железного сердечника, и это ядро находится в присутствии магнитного поля, проводник приходит в движение и начинает вращаться.

Моторы и генераторы

Мотор / генератор - это действительно одно и то же устройство, которое способно работать в двух противоположных режимах. Вопреки тому, что иногда думают некоторые люди, понятие «противоположный режим» никак не связано с направлениями вращения вала. Вал всегда вращается одинаково. Изменение направления происходит в потоке электричества. В качестве двигателя он потребляет электроэнергию (ток втекает в его контакты), чтобы производить механическую мощность, а в качестве генератора потребляет механическую энергию для производства электроэнергии (вытекает из его контактов).

Электромеханичекое вращение

Электродвигатели/генераторы могут быть двух типов:

• Переменного тока;
• Постоянного тока.

В случае с переменным током могут быть также двухфазные моторы и трехфазные. Не вдаваясь в подробности, поясним это различие на пальцах: переменный ток меняет направление (чередуется), когда он протекает через цепь. Постоянные токи протекают однонаправленно (остаются неизменными) когда они проходят через цепь. Тип используемого тока в основном связан со стоимостью устройства и его эффективностью (двигатель переменного тока/генератор, как правило, дороже, но также намного эффективнее). Достаточно сказать, что большинство машин гибридного типа, а также электромобили используют двигатели/генераторы переменного тока.

Электродвигатель переменного тока / генератор состоит из 4 основных частей:

• Арматура с проволочной намоткой (ротор).
• Магниты, которое индуцируют электрическую энергию, уложенную бок о бок в корпус (статор).
• Скользящие кольца, которые переносят переменный ток в/из арматуры.
• Щетки, которые контактируют с кольцами скольжения и передают ток в / из электрической цепи.

Арматура (якорь) управляется механическим источником мощности (например, при коммерческом производстве электроэнергии это будет паровая турбина, в случае с автомобилем – коленвал, приводимый в движение шатунами). Когда этот ротор вращается, его проводная катушка проходит через постоянные магниты в статоре, и электрический ток создается в проводах якоря. Но поскольку каждая отдельная петля в катушке проходит сначала северный полюс, а затем южный полюс каждого магнита последовательно (когда он вращается на своей оси), индуцированный ток непрерывно и быстро меняет направление. Каждое изменение направления называется циклом, и оно измеряется в циклах в секунду или герцах (Гц). В Соединенных Штатах скорость цикла составляет 60 Гц (60 раз в секунду), тогда как в России и других развитых странах мира она составляет 50 Гц. На каждом из двух концов ротора установлены отдельные кольца скольжения, чтобы обеспечить путь для выхода тока из якоря. Щетки (которые на самом деле являются углеродными контактами) движутся по кольцам скольжения и завершают путь тока в цепь, к которой подключен генератор.

Полезное видео, наглядно показывающее принцип раоты автомобильного генератора:

Процесс вращения электродвигателя, генерация механической мощности, который по сути является, обратным действию генератора, работает наоборот – при попадании тока в катушки, начинается вращение якоря. Ток подается через цепь, через щеточки и кольца скольжения непосредственно в якорь. Этот ток, протекающий через катушечный ротор (якорь), превращает его в электромагнит. Постоянные магниты в статоре «отталкиваются» от электромагнитов и заставляют якорь вращаться. И вновь-таки смена полюсов: именно постоянная, частая смена полюсов и заставляют систему вращаться. Пока электричество проходит через цепь, двигатель будет работать. И наоборот – пока вал генератора/мотора вращается – на клеммах будет электрический ток.