✔ Электродвигатели — типы, устройство, принцип работы, параметры

Электрическим двигателем называют машину, благодаря работе которой электроэнергия преобразуется в механическую, используемую, чтобы приводить в движение механизмы. Электрический двигатель – главный элемент электропривода, который управляет процессом преобразования энергии. Особенности его работы изучает электромеханика, одним из основоположников которой стал Майкл Фарадей, создавший первую модель электродвигателя.

Электропривод может работать в нескольких режимах. В некоторых из них происходит процесс обратного преобразования, электропривод в этом случае выполняет функции генератора. Двигатель может создавать движения нескольких видов – например, вращающиеся, линейные другие. Чаще всего, когда говорят об электродвигателе, имеют в виду вращающее устройство, поскольку оно получило наибольшее распространение.

Конструкция двигателя и принцип работы

Основные элементы конструкции устройства – это ротор (элемент, который вращается) и статор (неподвижная часть). Ротор, как правило, находится внутри статора, однако встречает и иная конструкция. Такие электродвигатели, у которых ротор находится снаружи конструкции, называют обращенными.

Устройства работают по следующему алгоритму:

1. В соответствии с законом Ампера, сила действует на проводник с электрическим током в магнитном поле.
2. В согнутом состоянии, когда проводник принимает форму рамки и находится в магнитном поле, обе его стороны принимают прямой угол по отношению к этому полю и испытывают силы, направленные противоположно.
3. Эти силы образуют крутящий момент, который вращает рамку.
4. На якоре, где образуется электродвижущая сила, есть несколько витков, необходимых для обеспечения большего постоянного момента.
5. Магнитное поле создается не только магнитами, но и электромагнитами – намотанными на сердечник проводами. Ток, который протекает в рамки, усиливает движение тока в эти провода, благодаря чему и создается магнитное поле.

Типы электродвигателей

Классификация электродвигателей довольно разнообразна, две основные группы – коллекторные и бесколлекторные устройства.

Коллекторные двигатели (с механической коммутацией)

Конструкция устройства предполагает, что есть как минимум одна обмотка, которая подсоединена к коллектору. Этот элемент используется для переключения обмоток, а также выполняет функции датчика, который определяет положение ротора, являющегося якорем. Коллекторные двигатели могут быть:

• Универсальные – они работают как на переменном токе, так и на постоянном. Особенно часто подобные устройства используются в бытовых приборах, а также в инструменте, предназначенном для ручного использования. Модели отличаются легкостью, простотой в управлении, компактными размерами, поэтому получили широкое распространение.
• Устройства постоянного тока, работа которых основана на преобразовании его электрической энергию в механическую. Они отличаются быстродействием, простотой управления, высоким пусковым моментом, возможностью плавной регулировки частоты вращения.
  Однако коллектор достаточно быстро изнашивается, поэтому агрегаты отличаются ограниченным сроком службы. Кроме того, его коллекторно-щеточные элементы нуждаются в регулярном обслуживании.

В целом коллекторные двигатели отличаются довольно простым устройством и невысокой стоимостью, поэтому они широко используются как в промышленных агрегатах, так и в бытовых. Их скорость можно регулировать в широких пределах, а для крутящего момента характерны хорошие показатели даже на малых оборотах.

Бесколлекторные модели

Обмотки бесколлекторных двигателей располагаются на статоре. Типы таких устройств:

• Асинхронные модели очень распространены в промышленности. Они отличаются надежностью, долгим сроком службы, простотой обслуживания и низкой себестоимостью. Недостаток конструкций – сложная процедура регулирования частоты вращения.
• Синхронные модели используются там, где требуется точно управлять скоростью вращения, а также в случаях, когда важным становятся максимальные КПД и мощность.

Поскольку из конструкции двигателя исключен коллектор, она отличается большей простотой, по сравнению с коллекторными моделями. Другие достоинства – высокий КПД, хорошее охлаждение, а также возможность работы в воде, при условии использования специальных водоотталкивающих смазок.

Специальные модели

Серводвигателем называют устройство, которое позволяет фиксировать рабочий орган в требуемых положениях и перемещать его в соответствии с заданными параметрами. Серводвигатели не выделяют в отдельную группу, поскольку в этом качестве используются устройства как постоянного, так и переменного тока, в которых установлен датчик положения ротора. Чтобы привести устройство в действие и управлять им, необходима особая система управления, которая обычно создается специально для сервопривода.

Дополнительные категории

В каждой из перечисленных категорий выделяют дополнительные подкатегории.

• Коллекторные модели могут быть универсальными либо репульсионными.
  Этот термин означает двигатель переменного тока, между ротором и статором которого есть трансформаторная связь. Частоту вращений такого электродвигателя можно регулировать в широких пределах.
• Двигатели постоянного тока могут различаться типом включения обмотки. Он может быть независимым, параллельным, комбинированным.
• Асинхронные двигатели бывают одно-, двух- или трехфазными.

Каждая из перечисленных моделей используется для выполнения конкретных задач и для разных типов устройств. Информация о возможностях двигателя, его типе указана в маркировке каждого агрегата.

Параметры работы электродвигателя

Надежность электродвигателя и экономичность его работы зависят от правильного подбора его параметров. При оценке устройства определяющими становятся следующие критерии:

• вращающий момент;
• мощность;
• частота вращения;
• КПД;
• напряжение;
• момент инерции ротора.

Дадим подробную характеристику каждому из этих критериев.

Вращающий момент

Термином называют физическую величину, измеряемую в Ньютонах на метр, которая является произведением силы на плечо силы. Для ее расчета радиус вектор, направленный от точки приложения силы к оси вращения, умножается на вектор силы. Формула выглядит следующим образом: M = Fr.

Мощность

Мощность демонстрирует, какую работу двигатель совершает за определенную единицу времени. С точки зрения электротехники мощность рассматривается как полезная механическая мощность на электровалу.

КПД

Характеристика демонстрирует, насколько эффективна система преобразования электроэнергии в механическую. Коэффициент (η) рассчитывается как соотношение между полезной энергией (P2) и потраченной (P1): η = P2 ÷ P1.

Эффективность работы электродвигателя может снижаться по следующим причинам:

• Проводники с током нагреваются, происходит потеря тепла – в этом случае говорят об электрических потерях.
• Излишнее намагничивание сердечника вызывает появление гистерезиса (ответной реакции системы) и вихревых токов.
• Дополнительные потери, обусловленные зубчатой формулой статора и ротора, в результате чего появляются гармоники магнитного поля.

КПД определяется типом устройства, а диапазон его вариаций – от 10% до 99%. Этот показатель является одним из определяющих для расчета мощности двигателя.

Частота вращения

Параметр определяется как число оборотов, которое совершает двигатель за минуту. Частота вращения используется для расчета мощности двигателя насоса, однако показатель меняется, в зависимости от того, происходят измерения под нагрузкой либо на холостом ходу. Параметр рассчитывается по формуле: n = 30 × ω ÷ pi.

Момент инерции

Критерий демонстрирует степень инертности при движении вокруг своей оси. Основная характеристика представляет собой сумму произведений квадрата расстояния от материальных точек до оси на их массы. Момент инерции рассчитывается формулой J = ∑ r2 × dm, в которой m обозначает массу объекта.

Момент инерции взаимосвязан с моментом силы. Это соотношение выражается следующей формулой: M — J × ε, в которой epsilon – это угловое ускорение, рассчитываемое по формуле dω ÷ dt.

Расчетное (номинальное) напряжение

Термином называют базовое напряжение, под которое спроектирована электрическая сеть. Под номинальным напряжением понимается расчетные величины, спроектированные разработчиком и рассчитанные на работу оборудования в нормальном режиме. Перечень возможных вариантов перечислен в ГОСТ, характеристика всегда указывается в описании механизмов.

Электрическая константа времени

Время, необходимое после подачи на двигатель напряжения, за которое ток может достигнуть 63% от своего максимального финального значения. Значения рассчитываются по формуле te = L ÷ R.

Сравнение параметров внешне коммутируемых двигателей

Рассматривая использование электродвигателей как тяговых компонентов транспортных средств, можно сделать вывод, что в автомобилестроении наиболее целесообразно применение синхронного реактивного электрического двигателя, оснащенного постоянными магнитами. Его применение позволяет достичь высокой мощности и КПД в широком диапазоне. Сравнение проводилось по следующим параметрам:

• Способность сохранять постоянную мощность во всем скоростном диапазоне.
• Момент к току статора.
• КПД во всем диапазоне.
• Вес.

Применение электродвигателей

Электрические двигатели считаются крупнейшими потребителями энергии. Около 45% энергии, потребляемой во всем мире, приходится именно на них. Устройства используются во всех отраслях промышленности, а также нашли широкое применение в быту. Чаще всего двигатели применяются в следующих сферах:

• В промышленности на их основе работают вентиляторы и насосы разной мощности. Без электрических двигателей невозможна работа компрессоров, конвейеров. Кроме того, они используются в качестве движущей силы для других промышленных устройств и оборудования.
• Строительство. Электродвигатели обеспечивают нормальную работу системы отопления, бесперебойную и безопасную работу лифтов. Устройства применяются для оборудования вентиляционных систем, насосов и конвейеров, систем кондиционирования.
• Потребительские товары. С работой электрических двигателей сталкивается каждый потребитель, поскольку они обеспечивают доступность многих благ цивилизации. Например, работа электродвигателя лежит в основе функций, которые выполняют холодильники и бытовые кондиционеры, миксеры, стиральные машины. Без этих агрегатов невозможна работа ноутбуков, поскольку благодаря им обеспечивается система охлаждения.

В таблице приведены основные технологии и устройства, работа которых невозможна без применения электрических двигателей.

Устройства	Сферы использования
Насосы	Применяются при организации водоотведения, водоснабжения в жилых, промышленных, коммерческих и других зданиях. Используются в системах перекачки воды, при организации полива в сельском хозяйстве. Насосы используются для перекачивания нефтепродуктов как в местах добычи, так и на нефтеперегонных предприятиях. Необходимы для обустройства канализации – централизованный и некоторых типов автономной.
Вентиляция	Электромоторы устанавливаются как в бытовые вентиляторы, так и в промышленные системы приточно-вытяжной вентиляции.
Компрессоры	Используются в холодильных, морозильных установках на предприятиях, занимающихся производством и хранением продуктов питания. Устанавливаются в пневматических системах и в устройствах, предназначенных для распределения сжатого воздуха. Применяются в системах перекачки газа, его сжижения.
Смешивание	Используются на прокатных станах, для обработки металлов и камней. Широко применяются в текстильной промышленности – как для производства тканей, так и для их обработки, сушки, стирки. Необходимы не производствах, технологические процессы которых предполагают взбалтывание и смешивание – например, на пищевых или на лакокрасочных предприятиях. Используются в прессовом оборудовании, без которого невозможно производство пластиков или алюминия.
Транспорт	Электродвигатели широко используются во всех типах подъемных механизмов – таких как грузовые и пассажирские лифты, эскалаторы. На основе двигателей работают необходимые практически на каждом производстве лебедки и конвейеры. Устройства используются во всех транспортных средствах – в общественном транспорте (автобусах, троллейбусах, трамваях), в личном автотранспорте, а также железнодорожном.
Перемещения под углом	Двигатели применяются в конструкции вентилей, предполагающих открывание и закрывание, а также для установки положения.

Производители

Перечислим некоторые ведущие российские и зарубежные предприятия, которые занимаются производством разных типов электродвигателей. Ведущие российские производители:

• Армавирский электротехнический завод – одно из старейших предприятий, которое занимается выпуском электродвигателей с середины 20 века, постоянно усовершенствуя конструкции.
• Владимирский электромоторный завод, являющийся частью крупного холдинга «Русэлпром», который объединяет несколько крупных российских предприятий, работающих над производством электротехнической продукции. В состав концерна входят также предприятия Санкт-Петербурга, Смоленской области.

Кроме того, на рынке широко востребована продукция зарубежных производителей, таких как General Electric, Emerson Electric и других.

Продукция от ведущих производителей, выпускающих конструкции всех типов, представлена в интернет-магазине «Мир привода». Мы предлагаем только качественные современные агрегаты, отличающиеся простотой и удобством использования, высокой эффективностью. В нашем каталоге можно подобрать устройства для решения любых задач, связанных с бесперебойной работой электрических двигателей.

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.

Как это работает: синхронный электродвигатель

Фото: концерн «Автоматика»

Синхронные электродвигатели впервые появились в середине XIX века и сегодня широко применяются в газо- и нефтедобывающей промышленности, станкостроении, автомобилестроении, ЖКХ и других отраслях. Они хорошо справляются с перегрузками и могут стабильно работать долгое время без остановки. Именно такие двигатели для самых разных задач выпускает Калужский электромеханический завод концерна «Автоматика».

О том, как устроен и как работает синхронный электродвигатель, читайте в нашем материале.
 

По законам магнетизма

Синхронные электродвигатели служат людям в самых разных отраслях промышленности. Благодаря своим характеристикам они могут приводить в движение мощные приводы, устойчивы к ударным нагрузкам, часто возникающим, например, в металлургии и машиностроении. Такие двигатели подходят для длительной постоянной работы в приводах насосов, вентиляторов, компрессоров, генераторов – устройств, которые используются практически на каждом промышленном производстве. Конструктивная сложность таких двигателей окупается их высоким КПД и экономичностью.   

Фото: концерн «Автоматика»

В основе работы синхронного электродвигателя лежит знакомый всем по урокам физики эффект отталкивания одноименных магнитных полюсов. Не погружаясь в терминологию, эту работу можно описать так: стационарная и движущаяся части устройства отталкиваются друг от друга, в результате чего получается полезный крутящий момент, то есть электрическая энергия превращается в механическую.

Принципиальная конструкция любого электродвигателя такова: неподвижная часть (статор), подвижная часть (ротор), ось ротора с подшипниками, корпус и провода. Нужно упомянуть, что электродвигатели бывают постоянного и переменного тока, последние в свою очередь делятся на асинхронные и синхронные.
 

Как работает синхронный двигатель

Чтобы получить полезное действие, практически в любой электротехнике, где движение вызывается благодаря электромагнитному полю, применяется закон Ампера. Именно Мари Ампер в 1820 году установил, что между двумя параллельными проводниками, подключенными к постоянному току, действует притяжение, если токи однонаправленные, или отталкивание, если токи противоположные. Сила Ампера приводит в движение электропоезда и трамваи, двери лифтов и электрические ворота, а также заставляет звучать виброзвонок в вашем смартфоне.

Если в качестве проводника тока мы возьмем рамку и разместим ее в магнитное поле между двумя магнитами, на нее начнет действовать сила Ампера, то есть линии магнитной индукции начнут толкать проводник. Закрепив эту рамку посредством подшипников на оси, мы получим вращение.

Фото: концерн «Автоматика»

В синхронном двигателе статор создает вращающееся магнитное поле, а ротор − постоянное магнитное поле. На статоре присутствует электрическая цепь в виде обмотки, на которую подается трехфазное напряжение, создающее магнитное поле, которое вращается с синхронной скоростью. Обмотка ротора возбуждается источником питания постоянного тока, поэтому он действует как постоянный магнит. Разноименные полюса ротора будут притягиваться к соответствующим полюсам вращающегося поля статора. При таком взаимодействии возникает крутящий момент, вращающий вал. Скорость вращения будет равна частоте вращающегося магнитного поля неподвижного статора.

Если противополюсные магниты статора и ротора совпадают, они вращаются с синхронной скоростью. Если ротор не имеет первоначального вращения, то появится отталкивающая сила, и ротор не сможет начать вращение. Таким образом синхронные двигатели – это двигатели без самозапуска.

Для запуска ротора синхронного двигателя между краями полюсов устанавливается так называемое «беличье колесо». При запуске на катушки ротора не подается напряжение, при этом электрический ток индуцируется в прутьях «колеса», и ротор начинает вращаться как в асинхронном двигателе. Когда ротор достигает максимальной скорости, на катушки ротора подается напряжение. В результате полюс ротора и статора фиксируются, и начинается синхронное движение.
 

Электродвигатели широкого профиля

Разработка и выпуск синхронных двигателей – одно из направлений работы Калужского электромеханического завода (КЭМЗ) в составе концерна «Автоматика» Госкорпорации Ростех.

Двигатели из Калуги отличаются высокими коэффициентами мощности и полезного действия, повышенной надежностью и энергоэффективностью. Постоянная частота вращения в них поддерживается даже при большой механической нагрузке на вал. По сравнению с асинхронными двигателями устройства КЭМЗа имеют более широкий диапазон настроек частоты вращения, а также более выгодные массогабаритные характеристики.

Фото: Агентство регионального развития Калужской области

Именно компактные размеры и небольшой вес – до 3 кг – делают возможным в перспективе применение одной из последних разработок калужан в качестве двигателя для беспилотников вертолетного типа. Такой электродвигатель был представлен заводом Ростеха на форуме «Армия-2022». Двигатели КЭМЗа собраны полностью из российских комплектующих, что отвечает задачам импортозамещения.

Среди других направлений, в которых калужские синхронные двигатели уже зарекомендовали себя, − нефтегазовый сектор, промышленные системы вентиляции и кондиционирования, автотранспорт, ЖКХ. Для коммунальщиков инженеры КЭМЗа недавно представили новый синхронный электродвигатель для лифтов, выпускаемых Щербинским лифтостроительным заводом. Двигатель отличается тихим ходом и экономичным потреблением энергии.

О том, что калужские синхронные двигатели востребованы промышленностью, можно понять по цифрам производства. Так, в 2022 году КЭМЗ выпустил более 11 тысяч штук, нарастив объем с 2020 года примерно в два раза. В планах на текущий год – увеличить выпуск по некоторым моделям еще на 100%.

Что такое ротор электродвигателя? Типы и состав

DeMotor

Электродвигатель

сообщите об этом объявлении сообщите об этом объявлении

Ротор – это компонент, который вращается в электрической машине. Одно и то же определение справедливо независимо от того, является ли электрическая машина электродвигателем или электрогенератором.

В электродвигателе ротор работает вместе со статором (неподвижной частью) для передачи мощности электрической машины.

Конструкция и работа генератора переменного тока | Как работает генератор?

Помимо того, что это компонент электродвигателя, этот термин обычно используется во вращающихся машинах, таких как турбины и центробежные насосы, в отличие от так называемого статора

Как формируется ротор электрической машины?

Ротор состоит из вала, образованного валом, поддерживающим набор катушек, намотанных на магнитный сердечник.

Этот вал вращается в магнитном поле, создаваемом магнитом, электромагнитом или проходя через другой набор катушек, намотанных на полюсные наконечники.

Набор этих полюсных наконечников называется статором. Статор остается неподвижным, и через него протекает электрический ток. В зависимости от двигателя ток может быть постоянным или переменным.

Если ротор должен использоваться в машинах переменного тока средней и большой мощности, их обычно изготавливают из листов электротехнической стали. Эти специальные листы помогают уменьшить потери, вызванные переменными магнитными полями, такими как явления гистерезиса или вихревые токи.

Типы роторов для двигателей переменного тока

Электродвигатели, работающие на переменном токе, могут работать с одним из следующих типов роторов:

• Беличья клетка, этот тип ротора используется для асинхронных двигателей.

• С полюсными наконечниками этот тип ротора используется для синхронного двигателя или синхронного генератора переменного тока, а полюсные наконечники получаются:

  • Постоянными магнитами, в этом случае двигатель или генератор переменного тока пары полюсов, как пары полюсов статора, независимо от типа двигателя (трехфазный или однофазный).
    Единственным исключением являются трехфазные или двухфазные генераторы переменного тока мотоциклов, где генераторы переменного тока не являются фактически трехфазными или двухфазными генераторами переменного тока, а являются трехфазными или двумя однофазными генераторами переменного тока, расположенными на равном расстоянии друг от друга, с учетом трех или двух пары полюсов. Следовательно, есть три или две синусоидальные волны, которые не находятся в противофазе.

  • Электромагниты, данные электромагниты питаются в зависимости от трехфазного или однофазного двигателя/генератора через трехфазную или однофазную сеть и эти расширения должны быть по одному на фазу и на полярную пару (поэтому в в случае трехфазного двухполюсного генератора переменного тока имеется три электромагнита, в случае трехфазного четырехполюсного генератора переменного тока — шесть электромагнитов).

Типы роторов для двигателей постоянного тока

Ротор универсальных двигателей или двигателей постоянного тока может быть:

• Постоянные магниты; Система, используемая бесщеточным двигателем и шаговым двигателем

• Обмотка; Система, используемая почти во всех двигателях постоянного тока и универсальных двигателях, различные катушки возбуждаются в определенном порядке с помощью щеточного коллектора.

сообщите об объявлении

Автор: Ориол Планас — инженер-промышленник, специальность механик

Опубликовано: 13 ноября 2017 г.
Последнее изменение: 12 ноября 2021 г.

Содержание

Хотите узнать больше?

Статор

сообщите об этом объявлении

Коллектор двигателя

Индуктивный

Демотор · ru.demotor.net | Контакты | Карта сайта |

Что такое двигатель с фазным ротором и как он работает?

Электрические двигатели — машины, преобразующие электричество в механическую энергию — широко распространены в инженерном мире. Они являются краеугольным камнем инженерных достижений, таких как лифты, насосы и даже электромобили, благодаря способности использовать эффект электромагнитной индукции. Эти так называемые асинхронные двигатели используют переменный ток и электромагнетизм для создания вращательного движения и бывают разных конфигураций. Особое внимание в этой статье будет уделено асинхронному двигателю переменного тока особого типа, известному как двигатель с фазным ротором. Хотя эти двигатели используются только в особых сценариях, они имеют явное преимущество перед другими популярными вариантами (беличьей клеткой, синхронными двигателями и т. д.) благодаря своим уникальным характеристикам. Будут изучены устройство и работа этих двигателей, а также конкретные характеристики, которые делают их столь важными для приложений, где другие, более популярные асинхронные двигатели не могут быть реализованы.

Что такое двигатели с фазным ротором?

Двигатели с фазным ротором представляют собой особый тип двигателей переменного тока и работают почти так же, как и другие асинхронные двигатели. Они состоят из двух основных компонентов: внешнего статора и внутреннего ротора, разделенных небольшим воздушным зазором. Статор, как правило, одинаков для всех асинхронных двигателей и состоит из металлических пластин, которые удерживают на месте обмотки из медного или алюминиевого провода. В статоре есть три отдельные катушки, на которые подается трехфазный переменный ток, что просто означает, что каждая из них питается от отдельного переменного тока. Это не всегда так: некоторые двигатели являются однофазными, но двигатели с фазным ротором, как правило, всегда трехфазные. Тем не менее, эти три фазы генерируют магнитное поле, которое смещается вместе с переменными токами. Это создает вращающееся магнитное поле (RMF), которое действует на ротор. В двигателях с фазным ротором ротор «обмотан» проводом, как и статор, причем их концевые концы соединены с 3 контактными кольцами на выходном валу. Эти контактные кольца прикреплены к щеткам и блокам резисторов переменной мощности, где операторы могут изменять скорость двигателя, изменяя сопротивление катушек ротора. Эти контактные кольца позволяют регулировать скорость и крутящий момент и являются отличительной чертой двигателей с фазным ротором (именно поэтому эти двигатели часто называют двигателями с контактными кольцами).

Как работают двигатели с фазным ротором?

Мы рекомендуем прочитать нашу статью об асинхронных двигателях, чтобы понять основные законы, общие для всех асинхронных двигателей, но в этой статье мы кратко объясним науку, лежащую в основе работы двигателя с фазным ротором.

Эти двигатели классифицируются как асинхронные двигатели, в которых существует несоответствие (известное как «скольжение») между скоростью RMF статора (синхронная скорость) и выходной скоростью (номинальная скорость). При создании необходимого тока, напряжения и магнитной силы в обмотках ротора двигатель всегда будет испытывать проскальзывание между вращающимся полем и ротором. Не стесняйтесь посетить нашу статью о типах двигателей переменного тока, чтобы узнать больше.

Двигатели с фазным ротором отличаются тем, как их ротор взаимодействует со статором. Обмотки ротора подключены к вторичной цепи, содержащей токосъемные кольца, щетки и внешние резисторы, и питаются от отдельного трехфазного переменного тока. При пуске внешнее сопротивление этой вторичной цепи приводит к тому, что ток ротора снижает силу RMF статора (он протекает более «в фазе» с RMF статора). Это означает, что скорость вращения можно контролировать, изменяя сопротивление, когда двигатель достигает 100% скорости, что позволяет операторам выбирать пусковой момент и рабочие характеристики. Это приводит к плавному пуску, высокому начальному крутящему моменту, низкому начальному току и возможности регулировать скорость вращения, чего нельзя достичь в более простых конструкциях, таких как двигатели с короткозамкнутым ротором (более подробную информацию об этой конструкции можно найти в нашей статье). на двигателях с короткозамкнутым ротором).

Технические характеристики двигателя с фазным ротором

Спецификации для двигателя с фазным ротором включают в себя понимание спецификаций для всех асинхронных двигателей, которые можно просмотреть в нашей статье, посвященной асинхронным двигателям. В этой статье будут освещены важные концепции для двигателей с фазным ротором, которые необходимо понять перед покупкой одного из них, но знайте, что это не все включено.

Бросок тока

RMF статора вращается на полной скорости при запуске трехфазного асинхронного двигателя, в то время как ротор изначально находится в состоянии покоя. Ротор испытывает наведенный ток, когда через него проходит среднеквадратичное магнитное поле статора, и единственным ограничивающим фактором для этого тока является сопротивление обмоток ротора (ток = напряжение/сопротивление). Это приводит к большему току в роторе, что увеличивает потребность в токе в статоре и, следовательно, вызывает «бросок» пускового тока в двигатель. Этот ток может в два-семь раз превышать номинальный ток, указанный на паспортной табличке, и может вызвать серьезные проблемы в сценариях с высоким напряжением. Когда двигатель достигает номинальной скорости, ротор создает «противоЭДС» в статоре, которая снижает ток статора до номинального уровня. Пусковой ток — это то, что минимизируется в двигателях с фазным ротором за счет увеличения сопротивления в обмотках ротора (I=V/R, где R увеличивается), и поэтому они имеют такие плавные пусковые характеристики.

Момент двигателя и кривая крутящий момент-скорость

Наиболее важной характеристикой двигателей с фазным ротором является то, как они работают после подачи питания, и это визуализируется с помощью графиков крутящий момент-скорость. Асинхронные двигатели могут значительно превышать номинальный крутящий момент и ток, когда скорость не равна 100%; кривые крутящего момента и скорости отображают это переходное поведение, а на рисунке 1 показана общая кривая крутящего момента для асинхронных двигателей с обозначенными важными точками.

Рис. 1: Кривая крутящий момент-скорость для асинхронных двигателей.

 

Пусковой крутящий момент — это крутящий момент, создаваемый начальным пусковым током, который всегда выше номинального крутящего момента. Момент отрыва — это максимальный крутящий момент, достигаемый перед установившимся режимом, а номинальный крутящий момент — это то, что обеспечивается, когда двигатель достигает скорости 100 %. Эта связанная скорость не совсем равна синхронной скорости RMF, и это проскальзывание показано на рисунке 1.

Двигатели

, использующие популярные конструкции с короткозамкнутым ротором, имеют ограниченный контроль над своими кривыми крутящий момент-скорость (узнайте больше в нашей статье о двигателях с короткозамкнутым ротором). Стержни ротора с короткозамкнутым ротором закорочены; это приводит к невозможности изменить сопротивление ротора, а это означает, что единственный способ повлиять на скорость вращения — это изменить напряжение (I=V/R, где R постоянно). Это может вызвать проблемы в больших двигателях, где необходимый входной ток может стать опасно высоким. Двигатели с фазным ротором решают эту проблему, изменяя сопротивление ротора с помощью вторичной цепи, присоединенной к блоку сопротивления переменной мощности и токосъемным кольцам. Увеличивая сопротивление в роторе через контактные кольца, крутящий момент может быть достигнут на гораздо более низких скоростях, что обеспечивает более высокий начальный крутящий момент и более низкий пусковой ток. При достижении синхронной скорости сопротивление ротора также может быть закорочено, в результате чего двигатель с фазным ротором будет вести себя так, как если бы это был двигатель с короткозамкнутым ротором. На рис. 2 показано влияние увеличения сопротивления ротора на выходной крутящий момент.

 

Рис. 2. Влияние изменения сопротивления ротора на пусковой момент и пусковой момент.

На этом графике видно, что двигатель с фазным ротором гораздо лучше справляется с управлением током, крутящим моментом и скоростью, чем другие конструкции. Изменяя сопротивление, этим двигателям потребуется меньший начальный пусковой ток для компенсации, они будут иметь более высокий пусковой момент и могут максимизировать свой пусковой момент, также сделав его пусковым моментом (пример кривой R2 на рис. 2). Результатом такого подхода является регулируемый по скорости двигатель с высоким пусковым моментом и низким пусковым током, с возможностью изменения этих характеристик по желанию оператора.

Применение и критерии выбора

Двигатели с фазным ротором могут выполнять то, что другие асинхронные двигатели не могут, а именно управление скоростью, током и крутящим моментом. Возможность увеличения сопротивления ротора при пуске двигателя позволяет плавно разгонять большие нагрузки до номинальной скорости. Когда пусковой ток должен быть сведен к минимуму или ограничение пускового тока ниже, чем могут выдержать двигатели с короткозамкнутым ротором/синхронные двигатели, рассмотрите возможность использования двигателя с фазным ротором.

У двигателей с фазным ротором есть недостатки, и они являются следствием их сложной конструкции. Вторичная цепь создает больше возможностей для ошибок, а щетки с контактными кольцами могут представлять угрозу безопасности, если их не проверять регулярно (изношенные щетки могут искрить и увеличивать риск возгорания). Эти двигатели также дороги в обслуживании, что увеличивает их и без того высокую цену. Их сложность также снижает общий КПД двигателя, и двигатель с короткозамкнутым ротором следует выбирать, если эффективность является основной задачей или конструктивным ограничением.

Несмотря на то, что двигатель с фазным ротором дорог и менее эффективен, его регулируемые характеристики крутящего момента и скорости отлично подходят для привода больших шаровых мельниц, больших прессов, насосов с регулируемой скоростью, кранов, лебедок и других нагрузок с высокой инерцией. Они также отлично подходят для любого приложения, которое требует плавного запуска и возможности изменения скорости. Они охватывают основы, недоступные другим асинхронным двигателям, и бесценны для разработчиков, которым необходим абсолютный контроль над выходной скоростью и крутящим моментом.

Резюме

В этой статье представлено понимание того, что такое двигатели с фазным ротором, как они работают и каковы их основные характеристики, определяющие, когда их следует выбирать по сравнению со стандартными асинхронными двигателями. Для получения дополнительной информации о сопутствующих продуктах обратитесь к другим нашим руководствам или посетите платформу поиска поставщиков Thomas, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть сведения о конкретных продуктах.

Источники:

1. https://geosci.uchicago.edu
2. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnet/indmot.html
3. http://www.egr.unlv.edu/~eebag/Induction%20Motors.pdf
4. https://oaktrust.library.tamu.edu/bitstream/handle/1969.1/163595/T17123-130.pdf?sequence=1&isAllowed=y
5. http://www.