Классификация электродвигателей

Содержание

Электрические двигатели и их разновидности

Как известно с базового школьного курса физики, ток бывает переменным и постоянным. В бытовой электросети – переменный ток. Батарейки, аккумуляторы и другие мобильные источники питания предоставляют постоянный ток.

Электродвигатели постоянного тока характеризуются хорошими эксплуатационными и динамическими характеристиками.

 Такие изделия широко используются в подъемных машинах, буровых станках, полимерном оборудовании, в некоторых агрегатах экскаваторов.
Электрический двигатель 1

Принцип действия и особенности конструкции

Устройство электродвигателя стандартно, что позволяет существенно упростить эксплуатацию и ремонт техники. Статор и ротор, которые являются основными элементами техники, находятся внутри проточки цилиндрической формы. При подаче напряжения на неподвижную обмотку статора возбуждается магнитное поле, что и приводит в движение ротор и вал электродвигателя.

Конструкция электродвигателяПостоянное движение ротора поддерживается за счёт перекоммутации обмоток или путем создания в статоре вращающегося магнитного поля. Если первый способ поддержки вращения вала характерен для коллекторных модификаций агрегатов, то образование вращающегося магнитного поля присуще для трехфазных асинхронных моторов.

Корпус электрического двигателя может быть изготовлен из алюминиевого сплава или чугуна. В каждом конкретном случае выбор материала корпуса осуществляется исходя из сферы использования техники и ее необходимых параметров по весу.

Все двигатели изготавливаются с однотипными установочными размерами, что позволяет существенно упростить их монтаж и последующую эксплуатацию.

По принципу работы электродвигатели переменного тока бывают

  • асинхронными;
  • синхронными.

Подробное сравнение этих видов машин можно почитать тут. Электрический двигатель 2

Синхронные двигатели – электрические машины, где скорость вращения ротора полностью идентична частоте магнитного поля. Учитывая эту особенность, такие устройства актуальны там, где необходима стабильная высокая скорость вращения: насосы, крупные вентиляторы, генераторы, компрессоры, стиральные машины, пылесосы, практически все электроинструменты.

Особое внимание среди синхронных устройств, заслуживают шаговые двигатели. Они обладают несколькими обмотками. Такой подход позволяет с высокой точностью изменять скорость вращения таких электродвигателей.

Асинхронными двигателями называют такие машины, в которых скорость ротора отличается от частоты движения магнитного поля.

Нашли свое применение в подавляющем большинстве отраслей народного хозяйства: в приводах дымососов, транспортерах, шаровых мельницах, наждачных, сверлильных станках, в холодильном оборудовании, вентиляторах, кондиционерах, микроприводах.

Максимальная скорость вращения асинхронных установок – 3000 об/мин.

Интересное видео о двигателях смотрите ниже:

Краткая история создания

Опыт ФарадеяВпервые возможность превратить электричество в механическую энергию открыл британский ученый М.Фарадей еще в 1821 году. Его опыт с проводом, помещенным в ванну с ртутью, оснащенной магнитом, показал, что при подключении провода к источнику электроэнергии он начинает вращаться. Этот нехитрый опыт наверняка многие помнят по школе, правда, ртуть там заменяется безопасным рассолом. Следующим шагом в изучении этого феномена было создание униполярного двигателя – колеса Барлоу. Никакого полезного применения он так и не нашел, зато наглядно демонстрировал поведение заряженного проводника в магнитном поле.

На заре истории электродвигателей ученые пытались создать модель с сердечником, двигающимся в магнитном поле не по кругу, а возвратно-поступательно. Такой вариант был предложен, как альтернатива поршневым двигателям. Электродвигатель в привычном для нас виде впервые был создан в 1834 году русским ученым Б.С. Якоби. Именно он предложил идею использования вращающегося в магнитном поле якоря, и даже создал первый рабочий образец.

Первый асинхронный двигатель, в основе работы которого заложено вращающееся магнитное поле, появился в 1870 году. Авторами эффекта вращающегося магнитного поля независимо друг от друга стали два ученых: Г.Феррарис и Н. Тесла. Последнему принадлежит также идея создания бесколлекторного электродвигателя. По его чертежам были построены несколько электростанций с применением двухфазных двигателей переменного тока. Следующей более удачной разработкой оказался трехфазный двигатель, предложенный М.О. Доливо-Добровольским. Его первая действующая модель была запущена в 1888 году, после чего последовал ряд более совершенных двигателей. Этот русский ученый не только описал принцип действия трехфазного электродвигателя, но и изучал различные типы соединений фаз (треугольник и звезда), возможность использование разных напряжений тока. Именно он изобрел пусковые реостаты, трехфазные трансформаторы, разработал схемы подключения двигателей и генераторов.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Ротор асинхронного двигателя

Давайте более подробно рассмотрим, из чего же состоит ротор асинхронного двигателя.

ротор асинхронного двигателя

Самая главная часть – это вал. Иначе, как бы происходило вращение?

вал асинхронного двигателя

На вал ротора с двух сторон надеваются подшипники, которые крепятся к передней и задней крышкам и центруют ротор ровно посередине статора.

подшипники на валу ротора

Далее идет сердечник, набранный из листов специальной электротехнической стали, которые изолированы друг от друга. Кстати, сетевые трансформаторы собираются из такой же стали.

сердечник ротора

электро-техническая сталь ротора двигателя

Как вы можете далее заметить, в сердечнике ротора есть специальные пазы

пазы на сердечнике ротора

В них вставляются медные или алюминиевые стержни,

стержни в роторе асинхронного двигателя

которые замыкаются на кольцо с обеих сторон, образуя так называемую “беличью клетку”.

беличья клетка асинхронного двигателя

В общем виде полностью собранный ротор асинхронного двигателя выглядит вот так.

ротор двигателя в сборе

А вот так он выглядит в реальном двигателе.

строение ротора асинхронного двигателя

Всегда помните, что в асинхронном двигателе вращается ротор, а не статор. Статор – это неподвижная часть, а ротор – подвижная часть электродвигателя. В рабочем состоянии двигателя между ротором и статором всегда имеется воздушный зазор. При работе двигателя ротор ни в коем случае не должен задевать статор двигателя.

рабочее состояние статора

Классификация электродвигателей

Примечание:

  1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, – датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
  2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
  3. Вентильный электродвигатель постоянного тока – электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
  4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
  5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

Виды электродвигателей: какой лучше

Описаны только основные виды электродвигателей и даны краткие характеристики, очень сжато описано устройство и принцип работы. Тем не менее, уже можно сделать выводы о том, что идеального решения, причём для всех случаев, просто нет. Есть наиболее подходящее для каждого конкретного случая.

  • Асинхронный электродвигатель без частотного регулирования – лучший выбор для насосов.
  • Коллекторный двигатель с его регулируемыми скоростями вне конкуренции для дрелей и пылесосов. И то, в последнее время стали делать с вентильными, они без щеток, что делает работу тише, срок службы дольше, хотя цену выше. Так что, тут, как посмотреть.
    Выбирать вид электродвигателя надо под каждый конкретный случай

    Выбирать вид электродвигателя надо под каждый конкретный случай

  • Для вентиляторов с длительным режимом работы выбирать приходится между асинхронных и вентильных. Но только если они не слишком мощные. Для мощных важным является возможность разделения на секции, а это проще реализовать у вентильных. И даже на кулерах стали в последнее время использовать вентильные с магнитным ротором.

В общем, чтобы ответить какой лучше, надо рассматривать совокупность условий и характеристик работы. Принимать во внимание достоинства и недостатки, перебирать все виды электродвигателей и только так можно найти оптимальный.

УКД: принцип работы и характеристики

Это однофазные двигатели, работающие на высоких оборотах при любом типе подводимого электричества.

Схема универсального коллекторного двигателя

Схема универсального коллекторного двигателя

Ответ на вопрос, почему такое устройство работает от переменного тока, заключается в том, что направление вращающего момента не меняется. Полярность полюсов статора меняется практически одновременно с изменением токового направления в якорной обмотке.

Важно! Для этого применяют последовательное возбуждение двигателя. Следовательно, ток возбуждения и ток якоря – один и тот же.

Потому при смене положительных и отрицательных полупериодов практически одновременно изменяются и ток в якорной обмотке Iа, и магнитный поток Ф.

Схема соединений и характеристики УКД

Схема соединений и характеристики УКД

Номинальная реактивная электрическая мощность

Мощность, которая возвращается в электрическую сеть, называется реактивная мощность. Она рассчитывается как квадратный корень из разности квадратов полной и активной электрической мощностей. В нашем примере она равна 2750 ВАР (вольт-ампер реактивных).

Механические характеристики электродвигателей также важны при выборе и покупке устройства. Рассмотрим правила, по которым они рассчитываются.

Управление

Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

Примеры механических характеристик ДПТПримеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Регулировочная характеристика ДПТПример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

Способы подключения асинхронного двигателя

Как мы уже с вами узнали, асинхронный двигатель имеет три обмотки. На современный манер они обозначаются английскими буквами U,V,W. Начало каждой обмотки обозначается цифрой “1”, а конец обмотки цифрой “2”.

обмотки U V W

Поэтому, есть два способа соединения обмоток: звездой и треугольником.

Способ соединения “звезда”

Способ «звезда» подразумевает соединение одинаковых выводов обмоток (начала или концы обмоток) в одну (нулевую) точку.

схема соединения звезда

В клеммной коробке двигателя это соединение будет иметь такой вид.

соединение звезда в клеммной коробке

Как вы видите, в этом случае с помощью железных пластин мы закоротили концы обмоток в одну общую точку.

Соединение таким способом практикуется, в основном, на двигателях промышленного назначения. Часто завод-изготовитель, для таких двигателей, которые не будут реализовываться через розничную сеть, производит соединение «звездой» уже внутри статора. На корпус двигателя выводится не 6 клемм, а 3. В этом случае достаточно просто подать трехфазное напряжение. Поэтому, помните: если вы увидите, что у асинхронного двигателя только 3 провода, это значит, что его обмотки уже соединены по типу “звезда”.

Способ соединения “треугольник”

Соединение «треугольник» выполняется по схеме: конец первой обмотки соединяется с началом второй, конец второй – с началом третьей, а конец третьей – с началом первой. В места соединения подается питающее трехфазное напряжение.

схема соединения треугольник

В двигателе это будет выглядеть вот таким образом.

схема треугольник в клеммной коробке

тип соединения звезда

Принцип работы частотных преобразователей

Принцип работы частотного преобразователя

Вместе со всеми положительными качествами асинхронных двигателей, существует и неприятные моменты – слишком большой пусковой ток и невозможность регулировать скорость вращения ротора.

Решить эти проблемы можно, используя частотные преобразователи.

Принцип работы такого устройства в двух словах можно описать следующим образом: с помощью электронной схемы выпрямителя, сетевое напряжение сначала сглаживается, а после, фильтруется с помощью конденсаторов.

Использование таких частотных преобразователей при пуске, позволяет избежать обратного вращения вала двигателя, и существенно сократить (до 50%) потребляемую энергию.

Угловая скорость

Следующей немаловажной характеристикой асинхронного электродвигателя является угловая скорость. Для того, чтобы ее вычислить, в первую очередь нужно перевести частоту вращения ротора в другие единицы измерения. Сначала посчитаем количество оборотов в секунду: 2800 / 60 = 46,7.

Далее нужно умножить полученное число на 2 Пи: 46,7 * 2 * 3,14 = 293,276 радиан в секунду. Полученная величина характеризует угловую скорость электродвигателя. Иногда, для удобства вычислений, угловую скорость переводят в градусы. Получаем: 46,7 * 360 = 16812 градусов в секунду.

Электродвигатель у бактерий

Вращение жгутика у бактерии выполняется молекулярным двигателем. Он состоит из некоторого количества молекул, которые преобразуют электроток, создаваемый движением протонов, в энергию вращения жгутика бактерии.

Молекулярный мотор жгутика бактерии

Молекулярный мотор жгутика бактерии

Видео в дополнение к написанному

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

  • Сравнение механических характеристик электродвигателей разных типов

    Сравнение механических характеристик электродвигателей разных типов при ограниченном токе статора

  • Зависимость мощности от скорости вращения вала для двигателей разных типов

    Зависимость мощности от скорости вращения вала для двигателей разных типов при ограниченном токе статора

Примечание:

Оранжевый цвет – низкий показатель, желтый цвет – средний показатель, светло-желтый цвет – высокий показатель.

В соответствии с выше приведенными показателями гибридный синхронный электродвигатель, а именно синхронный реактивный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами, является наиболее подходящим для применения в качестве тягового электродвигателя в автомобилестроении (выбор проводился для концепта автомобилей BMW i3 & BMW i8). Использование реактивного момента обеспечивает высокую мощность в верхнем диапазоне скоростей. Более того такой двигатель обеспечивает очень высокую эффективность (КПД) в широком рабочем диапазоне [7].

Области применения электродвигателей

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии [6].

  • Электродвигатели используются повсеместно, основные области применения:
  • промышленность: насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, движущая сила для других машин и др.
  • строительство: насосы, вентиляторы, конвейеры, лифты, системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха и др.
  • потребительские устройства: холодильники, кондиционеры, персональные компьютеры и ноутбуки (жесткие диски, вентиляторы), пылесосы, стиральные машинки, миксеры и др.
ЭД1 Функции Области применения
Вращающиеся электродвигатели Насосы Системы водоснабжения и водоотведения
Системы перекачки охлажденной или нагретой воды, системы отопления, ОВК2, системы полива
Системы канализации
Перекачка нефтепродуктов
Вентиляторы Приточно-вытяжная вентиляция, ОВК2, вентиляторы
Компрессоры Системы вентиляции, холодильные и морозильные установки, ОВК2
Накопление и распределение сжатого воздуха, пневматические системы
Системы сжижения газа, системы перекачки природного газа
Вращение, смешивание, движение Прокатный стан, станки: обработка металла, камня, пластика
Прессовое оборудование: обработка алюминия, пластиков
Обработка текстиля: ткачество, стирка, сушка
Смешивание, взбалтывание: еда, краски, пластики
Транспорт Пассажирские лифты, эскалаторы, конвейеры
Грузовые лифты, подъемные краны, подъемники, конвейеры, лебедки
Транспортные средства: поезда, трамваи, троллейбусы, автомобили, электромобили, автобусы, мотоциклы, велосипеды, зубчатая железная дорога, канатная дорога
Угловые перемещения
(шаговые двигатели, серводвигатели)
Вентили (открыть/закрыть)
Серво (установка положения)
Линейные электродвигатели Открыть/закрыть Вентили
Сортировка Производство
Хватать и перемещать Роботы

Примечание:

  1. ЭД – электродвигатель
  2. ОВК – системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха

Фото основных характеристик электродвигателей

Производители электродвигателей

  • Российские производители электродвигателей
  • Производители электродвигателей ближнего зарубежья
  • Производители электродвигателей дальнего зарубежья

Российские производители электродвигателей

Регион Производитель Асинхронный двигатель Синхронный двигатель УД КДПТ
АДКР АДФР СДОВ СДПМ, серво СРД, СГД Шаговый КДПТ ОВ КДПТ ПМ
Краснодарский край Армавирский электротехнический завод
Свердловская область Баранчинский электромеханический завод
Владимир Владимирский электромоторный завод
Санкт-Петербург ВНИТИ ЭМ
Москва ЗВИ
Московский электромеханический завод имени Владимира Ильича
Пермь ИОЛЛА
Республика Марий Эл Красногорский завод “Электродвигатель”
Воронеж МЭЛ
Новочеркасск Новочеркасский электровозостроительный завод
Санкт-Петербург НПО “Электрические машины”
Томская область НПО Сибэлектромотор
Новосибирск НПО Элсиб
Удмуртская республика Сарапульский электрогенераторный завод
Киров Электромашиностроительный завод Лепсе
Санкт-Петербург Ленинградский электромашиностроительный завод
Псков Псковский электромашиностроительный завод
Ярославль Ярославский электромашиностроительный завод

Производители электродвигателей ближнего зарубежья

Производители электродвигателей дальнего зарубежья

Страна Производитель Асинхронный двигатель Синхронный двигатель УД КДПТ
АДКР АДФР СДОВ СДПМ, серво СРД, СГД Шаговый КДПТ ОВ КДПТ ПМ
Швейцария ABB Limited
США Allied Motion Technologies Inc.
США Ametek Inc.
США Anaheim automation
США Arc System Inc.
Германия Baumueller
Словения Domel
США Emerson Electric Corporation
США General Electric
США Johnson Electric Holdings Limited
Германия Liebherr
Швейцария Maxon motor
Япония Nidec Corporation
Германия Nord
США Regal Beloit Corporation
Германия Rexroth Bosch Group
Германия Siemens AG
Бразилия WEG

Библиографический список

ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения. И.В.Савельев. Курс общей физики, том I. Механика, колебания и волны, молекулярная физика.-М.:Наука, 1970. ГОСТ 29322-92 (МЭК 38-83) Стандартные напряжения. ГОСТ 16264.0-85 Электродвигатели малой мощности А.И.Вольдек, В.В.Попов. Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов.- СПб.: Питер, 2007. Paul Waide, Conrad U. Brunner. Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems. International Energy Agency Working Paper, Energy Efficiency Series.: Paris, 2011. Dr. J. Merwerth. The hybrid-synchronous machine of the new BMW i3 & i8 challenges with electric traction drives for vehicles. BMW Group, Workshop University Lund: Lund, 2014.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Электрик в Дом