Обчислення формули ККД електричного двигуна

Електродвигуни стали робити багато років тому, але найвищий інтерес вони пробудили, коли стали замінювати двигуни, що працюють на бензині. ККД електричного двигуна – це один з найважливіших показників мотора. Він показує продуктивність роботи системи в цілому, характеризуючи, наскільки добре механізм перетворює енергію. Показник рівня корисної дії вимірюється у відсотках або градирень за шкалою від 0 до 1.

Трохи історії і сучасності

Головним поштовхом до розвитку електричних двигунів послужило відкриття закону електромагнітної індукції. Він говорить, що індукційний струм рухається так, щоб протидіяти тому, що його викликало. На цій основі і з'явився перший електричний двигун.

Сьогоднішнє виробництво електромоторів відбувається згідно з цією ж теорією, але теперішні моделі мають багато відмінностей від початкових. Потужність електродвигунів зросла, вони стали менше в розмірах, і, що важливо, коефіцієнт корисної дії підвищився. Якщо порівняти його з ККД двигуна внутрішнього згоряння, то результат буде далеко не на користь останнього. Найбільший ККД такого мотора становить не більше 45%.

Основні характеристики роботи моторів

Головна функція двигуна – перетворення електричної енергії в механічну. ККД є показником продуктивності виконання даної функції. Формула ККД електродвигуна будується так:

де p1 – це підведена електрична потужність, а p2 – корисна механічна потужність, що виробляється електромотором.

Однак, не все так просто. Функції двигуна і область його використання, багато інших змінні будуть уточнювати розрахунок і робити його більш індивідуальним.

У чому плюси електромотора

Існує багато переваг електричних двигунів над двигунами внутрішнього згоряння. Ось деякі з них:

1. Високий ККД.
2. ДВС витрачає приблизно половину енергії на нагрів двигуна. У випадку з електричним двигуном на це витрачається зовсім невелика кількість енергії.
3. Електромотор набагато менше важить і більш компактний. Новий двигун фірми Yasa Motors важить всього двадцять п'ять кг, при цьому будучи досить потужним.
4. Довгий термін експлуатації.
5. Автомобілям з електричним двигуном не потрібна коробка передач.
6. Екологічність: машина не виробляє шкідливих викидів в атмосферу. Однак це лише почасти правдиво, тому що для отримання енергії електростанції використовують природні ресурси – газ, вугілля, атомні реакції, і це є шкідливим фактором.

Втрата енергії при нагріванні движка

Важливу роль в роботі електродвигуна грають втрати енергії при нагріванні двигуна. Найбільш часто падіння ККД походить від природної тепловіддачі при роботі механізму.

Електродвигун зазвичай нагрівається від тертя, а ще через електричних і магнітних сил, що діють на нього в процесі роботи. Наприклад, енерговитрати роботи мотора склали 100 рублів, а механічна енергія була оцінена в 80 рублів. В даному випадку ККД електродвигуна буде дорівнює 80%.

Щоб охолодити електричний двигун, існують спеціальні вентилятори, проганяють повітря через працюючий мотор і тим самим створюють більш оптимальну температуру для його роботи.

Ступінь навантаження має великий вплив на роботу електродвигуна. Без навантаження мотор працює з ККД, рівним 0%. Якщо навантажити двигун на 25%, то ККД буде дорівнювати 83%. У режимі стовідсоткової навантаження ККД буде дорівнювати 87%.

Причини падіння ефективності

Існує багато показників, що зменшують ККД електродвигуна. На щастя, є способи визначити, через що саме впав коефіцієнт корисної дії. Наприклад, можна відстежити наявність зазору, який частково повідомляє потужність від електромережі до статора, а потім передає на ротор.В стартере також можуть бути втрати енергії.

Також зустрічається витік енергії через вихрових струмів і перемагнічування сердечників статора. В асинхронному двигуні також зустрічаються втрати через зубців в роторі і статорі. У деяких вузлах мотора можуть з'явитися вихрові струми. За таких причин ККД може знизитися на половину відсотка. Асинхронні двигуни будуються з урахуванням цих особливостей, і ККД в таких моторах становить від 80 до 90 відсотків.

Елементи, що впливають на потужність

Електродвигуни мають деякі мінуси, які незадовільно впливають на продуктивність роботи. До числа особливо неприємних моментів відносять:

• слабкий електропускової механізм,
• сильний рівень пускового струму;
• незлагодженість машинного вала з навантаженням.

Перераховане призводить до того, що корисна дія пристосування знижується. Для збільшення результативності прагнуть забезпечити навантаження движка до 75 відсотків і підвищувати пропорції потужності. Також існують спеціальні апарати для регулювання діапазонів подається струму і його потужності, що також веде до зростання ефективності та ККД.

Одним з найбільш відомих пристроїв для зростання віддачі електродвигуна вважається механізм м'якого пуску, який обмежує швидкість зростання струму стартера. Також можна застосовувати і перетворювачі частоти для зміни швидкості обертання двигуна за допомогою зміни частоти напруги. Перераховане веде до зменшення витрат електроенергії та здійснює м'який старт движка, високу точність балансування. Крім того зростає пусковий момент, а при нестійкій навантаженні стабілізується швидкість руху. В результаті продуктивність двигуна зростає.

Граничний показник функціональності

Виходячи з різновиду конструкції, коефіцієнт ПД в електродвигунах може коливатися в межах 10 – 99 відсотків. Все залежить від конкретного типу двигуна. Наприклад, віддача двигуна насоса поршневого виду досягає 70-90%. Остаточний ефект залежить від виробника, структури пристрою та ін.

Те ж саме справедливо буде віднести і до ККД двигуна підйомного крана. Коли це значення підвищується до 90%, означає, що 90% витрачається електроенергії йде на вчинення машинної роботи, а відсотки, що залишилися – на нагрівання деталей. Все ж є особливо успішні моделі двигунів, коефіцієнт ПД яких доходить практично до 100%, проте не дорівнює зазначеному значенню.

Чи буває значення вище 100%

Всім відомо, що електродвигуни, ефективність яких перевищує 100%, неможливі відповідно до законів природи, оскільки це суперечить головному закону збереження енергії. Все пояснюється тим, що енергія не береться з нізвідки і нікуди не зникає. Тому кожен двигун має необхідність в джерелі енергії. Ними можуть бути:

• паливо;
• електрика;
• сонячне світло і т. д.

Але при цьому жоден з перерахованих джерел не вічний, до того ж запаси кожного необхідно акумулювати. Однак якби був джерело енергії, що потребує зборі та акумуляції, то цілком ймовірно було б створення движка, корисна дія якого було б більше 100%.

Гідроелектростанція – прототип вічного механізму

Якщо розглянути принцип роботи гідроелектростанції, то можна побачити, що електрика виробляється в ній за рахунок води, Яка падає з великої висоти. Електроенергія виробляється турбіною, яку обертає падаюча вода. Вода прагне вниз завдяки земному тяжінню.

Воно діє постійно, не слабшаючи і не зникаючи. Після того як вода виробила певну кількість енергії, вона перетворюється в пар і природним чином повертається в водосховище. Це може повторюватися багато разів. Як наслідок – електрична енергія виробляється без втрати ресурсів.

Сонце нагріває землю, беручи участь в випаровуванні води, гравітація робить подвійну роботу, беручи участь в падінні води, а також у виробництві опадів – адже саме через тяжіння землі вода з хмар прагне впасти вниз. В цілому виходить, що гідроелектростанція – це механізм, що перетворює енергію падіння води в електричну за коефіцієнтом корисної дії більше ста відсотків.

З цього видно, що пошуки двигуна з ККД більше 100% небезпідставні, бо є й інші ресурси, крім гравітації, які неможливо вичерпати.

Постійні магніти – виробники електроенергії

Постійний магніт може також з'явитися цікавим предметом для отримання енергії, адже вона не надходить до нього ззовні, а магнітне поле залишається незмінним навіть після того, як робота вже зроблена.

Магніт має властивість притягувати різні речі із заліза і його сплавів. Притягнувши до себе якийсь предмет, він не витрачає свою енергію, це просто властивість, яким він володіє і яке не може вичерпати. Тому на основі магнітів можна було б зробити двигун, близький до вічного. Безумовно, не можна не брати до уваги зношуваність деталей, але сам принцип роботи магніту створює умови для постійної роботи без розтрати коштів.

Правда, деякі вчені вважають, що з часом магніт втрачає свої властивості. Це неперевірена інформація, але не враховувати такий поворот подій теж не можна.

На основі магнітів багато разів намагалися створити щось на зразок вічного двигуна, але поки ці спроби ні до чого не привели. Звичайно, хочеться вірити, що в доступному для огляду майбутньому вчені зроблять прорив і винайдуть двигун, який буде працювати на відновлюваної енергії.

Цікаво, що один з вітчизняних винахідників – В. Чернишов – недавно продемонстрував опис мотора, заснованого на статичному магніті, і його ККД, як засвідчує сам експериментатор, дорівнює більш ніж 100%.

Коефіцієнт ПД електродвигуна – це надзвичайно важливий показник, який обумовлює продуктивність роботи будь-якого движка. Чим його показник вище, тим ефективніше движок. В моторі з ККД 95% майже вся потужність, що витрачається витрачається на здійснення роботи і всього 5% витрачається не на потрібні дії (наприклад, на розігрів частин). Нинішні дизельні двигуни здатні добиватися значення ККД 45%. Коефіцієнт маленький, але тим не менше він вважається одним з найбільш продуктивних. ККД карбюраторних двигунів, що працюють на бензині, ще нижчий.