Електродвигуни з'явилися досить давно, але великий інтерес до них виник тоді, коли вони стали являти собою альтернативу двигунів внутрішнього згоряння. Особливо цікаве питання ККД електродвигуна, який є однією з головних його характеристик. Кожна система володіє яким-небудь коефіцієнтом корисної дії, який характеризує ефективність її роботи в цілому. Тобто він визначає, наскільки добре система або пристрій віддає або перетворює енергію. За значенням ККД величини не має, і найчастіше воно видається в процентному співвідношенні або числі від нуля до одиниці.

Параметри ККД в електродвигунах

Основне завдання електричного двигуна зводиться до перетворення електричної енергії в механічну. ККД визначає ефективність виконання цієї функції. Формула ККД електродвигуна виглядає наступним чином:

n = p2/p1

У цій формулі p1 - це підведена електрична потужність, p2 - корисна механічна потужність, яка виробляється безпосередньо двигуном. Електрична потужність визначається за формулою: p1=UI (напруга помножене на силу струму), а значення механічної потужності за формулою P=A/t (відношення роботи до одиниці часу). Так виглядає розрахунок ККД електродвигуна. Однак це найпростіша його частина. В залежності від призначення двигуна і сфери його застосування, розрахунок буде відрізнятися і враховувати багато інших параметрів. Насправді формула ККД електродвигуна включає набагато більше змінних. Вище було наведено найпростіший приклад.

Зниження ККД

Механічний ККД електродвигуна повинен обов'язково враховуватися при виборі мотора. Дуже велику роль відіграють втрати, які пов'язані з нагріванням двигуна, зниженням потужності, реактивними струмами. Найчастіше падіння ККД пов'язано з виділенням тепла, яке природним чином відбувається при роботі двигуна. Причини виділення теплоти можуть бути різними: двигун може нагріватися в процесі тертя, а також по електричним і навіть магнітним причин. В якості найпростішого прикладу можна навести ситуацію, коли на електричну енергію було витрачено 1000 рублів, а роботи було вироблено на 700 рублів. В такому випадку коефіцієнт корисної дії буде дорівнює 70%. Для охолодження електричних двигунів застосовуються вентилятори, які проганяють повітря через створені зазори. Залежно від класу двигунів, нагрів може здійснюватися до певної температури. Наприклад, двигуни класу A можуть нагріватися до 85-90 градусів, класу B - до 110 градусів. У тому випадку, коли температура перевищує допустиму межу, це може свідчити про замиканні статора.

Середній ККД електричних двигунів

Варто відзначити, що ККД електродвигуна постійного струму (і змінного теж змінюється в залежності від навантаження:

При холостому ході ККД дорівнює 0%.

При навантаженні 25% ККД дорівнює 83%.

При навантаженні 50% ККД дорівнює 87%.

При навантаженні 75% ККД дорівнює 88%.

При навантаженні 100% ККД дорівнює 87%.

Одна з причин падіння коефіцієнта корисної дії - асиметрія струмів, коли подається різне напруга на кожній з трьох фаз. Якщо, наприклад, на першій фазі буде напруга 410 на другий - 403 а на третій - 390 то середнє значення буде дорівнює 401 Ст. Асиметрія в даному випадку буде дорівнює різниці між максимальним і мінімальним напругою на фазах (410-390), тобто 20 Ст. Формула ККД електродвигуна для розрахунку втрат буде мати вигляд в нашій ситуації: 20/401*100 = 498%. Це означає, що ми втрачаємо 5% ККД при роботі з-за різниці напруг на фазах.

Загальні втрати та падіння ККД

Негативних факторів, які впливають на падіння ККД електродвигуна, дуже багато. Є певні методики, що дозволяють їх визначати. Наприклад, можна визначити, чи є зазор, через який частково передається потужність з мережі до статора і далі - на ротор. Втрати в стартері також мають місце, і вони складаються з декількох значень. В першу чергу це можуть бути втрати, що мають відношення до вихровим струмам і перемагничиванию сердечників статора. Якщо двигун асинхронний, то мають місце додаткові втрати з-за зубців в роторі і статорі. Також в окремих вузлах двигуна можуть виникати вихрові струми. Все це в сумі знижує ККД електродвигуна на 05%. В асинхронних двигунах враховуються всі втрати, які можуть виникати при роботі. Тому діапазон коефіцієнта корисної дії може варіюватися від 80 до 90%.

Автомобільні двигуни

Історія розвитку електричних двигунів починається з моменту відкриття закону електромагнітної індукції. Згідно йому, індукційний струм завжди рухається таким чином, щоб протидіяти викликає його причини. Саме ця теорія лягла в основу створення першого електричного двигуна. Сучасні моделі засновані на цьому ж принципі, однак кардинально відрізняються від перших екземплярів. Електричні мотори стали набагато могутніше, компактніше, але найголовніше - їх ККД значно збільшився. Ми вже писали про те, який ККД електродвигуна, і порівняно з двигуном внутрішнього згоряння це приголомшливий результат. Наприклад, максимальний ККД двигуна внутрішнього згоряння досягає 45%.

Переваги електричного двигуна

Високий ККД - це головне достоїнство такого мотора. І якщо двигун внутрішнього згоряння витрачає більше 50% енергії на нагрів, то в електричному двигуні на нагрів йде невелика частина енергії. Другою перевагою є невелика вага і компактні розміри. Наприклад, компанія Yasa Motors створила мотор з вагою всього 25 кг. Він здатний видавати 650 Нм, що дуже пристойний результат. Також такі мотори довговічні, не потребують в коробці передач. Багато власників електрокарів говорять про економічності електричних двигунів, що логічно в деякій мірі. Адже при роботі електромотор не виділяє ніяких продуктів згоряння. Однак багато водії забувають про те, що для виробництва електроенергії необхідно використовувати вугілля, газ або збагачений уран. Всі ці елементи забруднюють навколишнє середовище, тому екологічність електродвигунів - це дуже спірне питання. Так, вони не забруднюють повітря в процесі роботи. За них це роблять електростанції при виробництві електроенергії.

Підвищення ефективності електродвигунів

Електричні двигуни володіють деякими недоліками, які погано впливають на ефективність роботи. Це слабкий пусковий момент, високий пусковий струм і неузгодженість механічного моменту валу з механічним навантаженням. Це призводить до того, що ККД пристрою знижується. Для підвищення ефективності намагаються забезпечити навантаження двигуна до 75% і вище і збільшувати коефіцієнти потужності. Також є спеціальні прилади для регулювання частоти подається струму і напруги, що теж призводить до підвищення ефективності та зростання ККД. Одним з найпопулярніших приладів для збільшення ККД електродвигуна є пристрій плавного пуску, який обмежує швидкість росту пускового струму. Також доречно використовувати і частотні перетворювачі для зміни швидкості обертання двигуна шляхом зміни частоти напруги. Це призводить до зниження витрати електроенергії і забезпечує плавний пуск двигуна, високу точність регулювання. Також збільшується пусковий момент, а при змінному навантаженні стабілізується швидкість обертання. В результаті ефективність електродвигуна підвищується.

Максимальний ККД електродвигуна

В залежності від типу конструкції, коефіцієнт корисної дії електричних двигунах може варіюватися від 10 до 99%. Все залежить від того, який саме це буде двигун. Наприклад, ККД електродвигуна насоса поршневого типу становить 70-90%. Кінцевий результат залежить від виробника, будови пристрою і т. д. Те ж саме можна сказати і про ККД електродвигуна підйомного крана. Якщо він дорівнює 90%, то це означає, що 90% споживаної електроенергії піде на виконання механічної роботи, інші 10% - на нагрівання деталей. Все ж є найбільш вдалі моделі електродвигунів, коефіцієнт корисної дії яких наближається до 100%, але не дорівнює цьому значенню.

Можливий ККД понад 100%?

Ні для кого не секрет, що електричні двигуни, ККД яких перевищує 100%, не можуть існувати в природі, так як це суперечить основному закону про збереження енергії. Справа в тому, що енергія не може взятися нізвідки і так само зникнути. Будь двигун потребує джерелі енергії: бензині, електриці. Однак бензин не вічний, як і електроенергія, адже їх запаси доводиться поповнювати. Але якщо б існував джерело енергії, який не потребував поповнення, то цілком можливо було б створити двигун з ККД понад 100%. Російський винаходити Володимир Чернишов показав опис двигуна, який заснований на постійному магніті, і його ККД, як запевняє сам винахідник, становить понад 100%.

Гідроелектростанція як приклад вічного двигуна

Для прикладу візьмемо гідроелектростанцію, де енергія виробляється за рахунок падіння з великої висоти води. Вода обертає турбіну, і та виробляє електрику. Падіння води здійснюється під дією гравітації Землі. І хоча робота з виробництва електроенергії відбувається, гравітація Землі не стає слабкіше, тобто сила тяжіння не зменшується. Далі вода під дією сонячних променів випаровується і знову надходить у водосховищі. На цьому цикл завершується. У результаті вироблена електроенергія, витрати на її виробництво відновлені. Звичайно, можна сказати, що Сонце не вічне, це так, але пару-трійку мільярдів років воно протягне. Що стосується гравітації, то вона постійно здійснює роботу, витягаючи вологу з атмосфери. Якщо сильно узагальнити, то гідроелектростанція - це двигун, який перетворює механічну енергію в електричну, і його ККД становить понад 100%. Це дає зрозуміти, що шукати шляхи створення електродвигуна, ККД якого може бути більше 100%, припиняти не варто. Адже не тільки гравітацію можна використовувати як невичерпного джерела енергії.

Постійні магніти як джерела енергії для двигунів

Другий цікавий джерело - постійний магніт, який нізвідки не отримує енергію, а магнітне поле не витрачається навіть при здійсненні роботи. Наприклад, якщо магніт що-небудь притягне до себе, то він виконає роботу, а його магнітне поле слабше не стане. Це властивість вже не раз намагалися використовувати для створення так званого вічного двигуна, але поки що нічого більш-менш нормального з цього не вийшло. Будь механізм зноситься рано чи пізно, але сам джерело, яким є постійний магніт, практично вічний. Втім, є фахівці, які стверджують, що з часом постійні магніти втрачають свої сили в результаті старіння. Це неправда, але навіть якщо б і було правдою, то повернути його до життя можна було б всього лише одним електромагнітним імпульсом. Двигун, який би вимагав перезарядку раз в 10-20 років, хоч і не може претендувати на роль вічного, але дуже близько до цього підходить. Вже було багато спроб створити вічний двигун на базі постійних магнітів. Поки що не було вдалих рішень, на жаль. Але враховуючи той факт, що попит на такі двигуни є (його просто не може не бути), цілком можливо, що в недалекому майбутньому ми побачимо щось, що дуже близько підійде до моделі вічного двигуна, який працюватиме на відновлюваної енергії.

Висновок

ККД електродвигуна - це самий важливий параметр, який визначає ефективність роботи того чи іншого мотора. Чим вище ККД, тим краще мотор. У двигуні з ККД 95% майже вся витрачена енергія іде на виконання роботи і тільки 5% витрачається не по потребі (наприклад, на нагрів запчастин). Сучасні дизельні двигуни можуть досягати значення ККД 45%, і це вважається класним результатом. ККД бензинових двигунів і того менше.