какие они бывают / Хабр

В прошлых статьях был рассмотрен принцип работы синхронного и асинхронного электродвигателей, а также рассказано, как ими управлять. Но видов электродвигателей существует гораздо больше! И у каждого из них свои свойства, область применения и особенности.

В этой статье будет небольшой обзор по разным типам электродвигателей с фотографиями и примерами применений. Почему в пылесос ставятся одни двигатели, а в вентилятор вытяжки другие? Какие двигатели стоят в сегвее? А какие двигают поезд метро?

Каждый электродвигатель обладает некоторыми отличительными свойствами, которые обуславливают его область применения, в которой он наиболее выгоден. Синхронные, асинхронные, постоянного тока, коллекторные, бесколлекторные, вентильно-индукторные, шаговые… Почему бы, как в случае с двигателями внутреннего сгорания, не изобрести пару типов, довести их до совершенства и ставить их и только их во все применения? Давайте пройдемся по всем типам электродвигателей, а в конце обсудим, зачем же их столько и какой двигатель «самый лучший».

С этим двигателем все должны быть знакомы с детства, потому что именно этот тип двигателя стоит в большинстве старых игрушек. Батарейка, два проводка на контакты и звук знакомого жужжания, вдохновляющего на дальнейшие конструкторские подвиги. Все ведь так делали? Надеюсь. Иначе эта статья, скорее всего, не будет вам интересна. Внутри такого двигателя на валу установлен контактный узел – коллектор, переключающий обмотки на роторе в зависимости от положения ротора. Постоянный ток, подводимый к двигателю, протекает то по одним, то по другим частям обмотки, создавая вращающий момент. Кстати, не уходя далеко, всех ведь, наверное, интересовало – что за желтые штучки стояли на некоторых ДПТ из игрушек, прямо на контактах (как на фото сверху)? Это конденсаторы – при работе коллектора из-за коммутаций потребление тока импульсное, напряжение может также меняться скачками, из-за чего двигатель создает много помех. Они особенно мешают, если ДПТ установлен в радиоуправляемой игрушке. Конденсаторы как раз гасят такие высокочастотные пульсации и, соответственно, убирают помехи.

Двигатели постоянного тока бывают как очень маленького размера («вибра» в телефоне), так и довольно большого – обычно до мегаватта. Например, на фото ниже показан тяговый электродвигатель электровоза мощностью 810кВт и напряжением 1500В.

Почему ДПТ не делают мощнее? Главная проблема всех ДПТ, а в особенности ДПТ большой мощности – это коллекторный узел. Скользящий контакт сам по себе является не очень хорошей затеей, а скользящий контакт на киловольты и килоамперы – и подавно. Поэтому конструирование коллекторного узла для мощных ДПТ – целое искусство, а на мощности выше мегаватта сделать надежный коллектор становится слишком сложно (рекорд — 12,5МВт).
В потребительском качестве ДПТ хорош своей простотой с точки зрения управляемости. Его момент прямо пропорционален току якоря, а частота вращения (по крайней мере холостой ход) прямо пропорциональна приложенному напряжению. Поэтому до наступления эры микроконтроллеров, силовой электроники и частотного регулируемого привода переменного тока именно ДПТ был самым популярным электродвигателем для задач, где требуется регулировать частоту вращения или момент.

Также нужно упомянуть, как именно в ДПТ формируется магнитный поток возбуждения, с которым взаимодействует якорь (ротор) и за счет этого возникает вращающий момент. Этот поток может делаться двумя способами: постоянными магнитами и обмоткой возбуждения. В небольших двигателях чаще всего ставят постоянные магниты, в больших – обмотку возбуждения. Обмотка возбуждения – это еще один канал регулирования. При увеличении тока обмотки возбуждения увеличивается её магнитный поток. Этот магнитный поток входит как в формулу момента двигателя, так и в формулу ЭДС. Чем выше магнитный поток возбуждения, тем выше развиваемый момент при том же токе якоря. Но тем выше и ЭДС машины, а значит при том же самом напряжении питания частота вращения холостого хода двигателя будет ниже. Зато если уменьшить магнитный поток, то при том же напряжении питания частота холостого хода будет выше, уходя в бесконечность при уменьшении потока возбуждения до нуля. Это очень важное свойство ДПТ. Вообще, я очень советую изучить уравнения ДПТ – они простые, линейные, но их можно распространить на все электродвигатели – процессы везде схожие.

Как ни странно, это самый распространенный в быту электродвигатель, название которого наименее известно. Почему так получилось? Его конструкция и характеристики такие же, как у двигателя постоянного тока, поэтому упоминание о нем в учебниках по приводу обычно помещается в самый конец главы про ДПТ. При этом ассоциация коллектор = ДПТ так прочно заседает в голове, что не всем приходит на ум, что двигатель постоянного тока, в названии которого присутствует «постоянный ток», теоретически можно включать в сеть переменного тока. Давайте разберемся.

Как изменить направление вращения двигателя постоянного тока? Это знают все, надо сменить полярность питания якоря. А ещё? А еще можно сменить полярность питания обмотки возбуждения, если возбуждение сделано обмоткой, а не магнитами. А если полярность сменить и у якоря, и у обмотки возбуждения? Правильно, направление вращения не изменится. Так что же мы ждем? Соединяем обмотки якоря и возбуждения последовательно или параллельно, чтобы полярность изменялась одинаково и там и там, после чего вставляем в однофазную сеть переменного тока! Готово, двигатель будет крутиться. Есть один только маленький штрих, который надо сделать: так как по обмотке возбуждения протекает переменный ток, её магнитопровод, в отличие от истинного ДПТ, надо изготовить шихтованным, чтобы снизить потери от вихревых токов. И вот мы и получили так называемый «универсальный коллекторный двигатель», который по конструкции является подвидом ДПТ, но… прекрасно работает как от переменного, так и от постоянного тока.

Этот тип двигателей наиболее широко распространен в бытовой технике, где требуется регулировать частоту вращения: дрели, стиральные машины (не с «прямым приводом»), пылесосы и т.п. Почему именно он так популярен? Из-за простоты регулирования. Как и в ДПТ, его можно регулировать уровнем напряжения, что для сети переменного тока делается симистором (двунаправленным тиристором). Схема регулирования может быть так проста, что помещается, например, прямо в «курке» электроинструмента и не требует ни микроконтроллера, ни ШИМ, ни датчика положения ротора.

Еще более распространенным, чем коллекторные двигатели, является асинхронный двигатель. Только распространен он в основном в промышленности – где присутствует трехфазная сеть. Про принцип его работы написана

отдельная статья

. Если кратко, то его статор – это распределенная двухфазная или трехфазная (реже многофазная) обмотка. Она подключается к источнику переменного напряжения и создает вращающееся магнитное поле. Ротор можно представлять себе в виде медного или алюминиевого цилиндра, внутри которого находится железо магнитопровода. К ротору в явном виде напряжение не подводится, но оно индуцируется там за счет переменного поля статора (поэтому двигатель на английском языке называют индукционным). Возникающие вихревые токи в короткозамкнутом роторе взаимодействуют с полем статора, в результате чего образуется вращающий момент.

Почему асинхронный двигатель так популярен? У него нет скользящего контакта, как у коллекторного двигателя, а поэтому он более надежен и требует меньше обслуживания. Кроме того, такой двигатель может пускаться от сети переменного тока «прямым пуском» – его можно включить коммутатором «на сеть», в результате чего двигатель запустится (с большим пусковым током 5-7 крат, но допустимым). ДПТ относительно большой мощности так включать нельзя, от пускового тока погорит коллектор. Также асинхронные привода, в отличие от ДПТ, можно делать гораздо большей мощности – десятки мегаватт, тоже благодаря отсутствию коллектора. При этом асинхронный двигатель относительно прост и дешев.

Асинхронный двигатель применяется и в быту: в тех устройствах, где не нужно регулировать частоту вращения. Чаще всего это так называемые «конденсаторные» двигатели, или, что тоже самое, «однофазные» асинхронники. Хотя на самом деле с точки зрения электродвигателя правильнее говорить «двухфазные», просто одна фаза двигателя подключается в сеть напрямую, а вторая через конденсатор. Конденсатор делает фазовый сдвиг напряжения во второй обмотке, что позволяет создать вращающееся эллиптическое магнитное поле. Обычно такие двигатели применяются в вытяжных вентиляторах, холодильниках, небольших насосах и т.п.

Минус асинхронного двигателя по сравнению с ДПТ в том, что его сложно регулировать. Асинхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока. Если асинхронному двигателю просто понизить напряжение, не понизив частоту, то он несколько снизит скорость, да. Но у него увеличится так называемое скольжение (отставание частоты вращения от частоты поля статора), увеличатся потери в роторе, из-за чего он может перегреться и сгореть. Можно представлять это себе как регулирование скорости движения легкового автомобиля исключительно сцеплением, подав полный газ и включив четвертую передачу. Чтобы правильно регулировать частоту вращения асинхронного двигателя нужно пропорционально регулировать и частоту, и напряжение. А лучше и вовсе организовать векторное управление, как более подробно было описано в прошлой статье. Но для этого нужен преобразователь частоты – целый прибор с инвертором, микроконтроллером, датчиками и т.п. До эры силовой полупроводниковой электроники и микропроцессорной техники (в прошлом веке) регулирование частотой было экзотикой – его не на чем было делать. Но сегодня регулируемый асинхронный электропривод на базе преобразователя частоты – это уже стандарт-де-факто.

Про принцип работы синхронного двигателя также

была отдельная статья

. Синхронных приводов бывает несколько подвидов – с магнитами (PMSM) и без (с обмоткой возбуждения и контактными кольцами), с синусоидальной ЭДС или с трапецеидальной (бесколлекторные двигатели постоянного тока, BLDC). Сюда же можно отнести некоторые шаговые двигатели. До эры силовой полупроводниковой электроники уделом синхронных машин было применение в качестве генераторов (почти все генераторы всех электростанций – синхронные машины), а также в качестве мощных приводов для какой-либо серьезной нагрузки в промышленности.

Все эти машины выполнялись с контактными кольцами (можно увидеть на фото), о возбуждении от постоянных магнитов при таких мощностях речи, конечно же, не идет. При этом у синхронного двигателя, в отличие от асинхронного, большие проблемы с пуском. Если включить мощную синхронную машину напрямую на трехфазную сеть, то всё будет плохо. Так как машина синхронная, она должна вращаться строго с частотой сети. Но за время 1/50 секунды ротор, конечно же, разогнаться с нуля до частоты сети не успеет, а поэтому он будет просто дергаться туда-сюда, так как момент получится знакопеременный. Это называется «синхронный двигатель не вошел в синхронизм». Поэтому в реальных синхронных машинах применяют асинхронный пуск – делают внутри синхронной машины небольшую асинхронную пусковую обмотку и закорачивают обмотку возбуждения, имитируя «беличью клетку» асинхронника, чтобы разогнать машину до частоты, примерно равной частоте вращения поля, а уже после этого включается возбуждение постоянным током и машина втягивается в синхронизм.

И если у асинхронного двигателя регулировать частоту ротора без изменения частоты поля хоть как-то можно, то у синхронного двигателя нельзя никак. Он или крутится с частой поля, или выпадает из синхронизма и с отвратительными переходными процессами останавливается. Кроме того, у синхронного двигателя без магнитов есть контактные кольца – скользящий контакт, чтобы передавать энергию на обмотку возбуждения в роторе. С точки зрения сложности, это, конечно, не коллектор ДПТ, но всё равно лучше бы было без скользящего контакта. Именно поэтому в промышленности для нерегулируемой нагрузки применяют в основном менее капризные асинхронные привода.

Но все изменилось с появлением силовой полупроводниковой электроники и микроконтроллеров. Они позволили сформировать для синхронной машины любую нужную частоту поля, привязанную через датчик положения к ротору двигателя: организовать вентильный режим работы двигателя (автокоммутацию) или векторное управление. При этом характеристики привода целиком (синхронная машина + инвертор) получились такими, какими они получаются у двигателя постоянного тока: синхронные двигатели заиграли совсем другими красками. Поэтому начиная где-то с 2000 года начался «бум» синхронных двигателей с постоянными магнитами. Сначала они робко вылезали в вентиляторах кулеров как маленькие BLDC двигатели, потом добрались до авиамоделей, потом забрались в стиральные машины как прямой привод, в электротягу (сегвей, Тойота приус и т.п.), всё больше вытесняя классический в таких задачах коллекторный двигатель. Сегодня синхронные двигатели с постоянными магнитами захватывают всё больше применений и идут семимильными шагами. И все это – благодаря электронике. Но чем же лучше синхронный двигатель асинхронного, если сравнивать комплект преобразователь+двигатель? И чем хуже? Этот вопрос будет рассматриваться в конце статьи, а сейчас давайте пройдемся еще по нескольким типам электродвигателей.

У него много названий. Обычно его коротко называют вентильно-индукторный двигатель (ВИД) или вентильно-индукторная машина (ВИМ) или привод (ВИП). В английской терминологии это switched reluctance drive (SRD) или motor (SRM), что переводится как машина с переключаемым магнитным сопротивлением. Но чуть ниже будет рассматриваться другой подвид этого двигателя, отличающийся по принципу действия. Чтобы не путать их друг с другом, «обычный» ВИД, который рассмотрен в этом разделе, мы на кафедре электропривода в МЭИ, а также на фирме ООО «НПФ ВЕКТОР» называем «вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением» или коротко ВИД СВ, что подчеркивает принцип возбуждения и отличает его от машины, рассмотренной далее. Но другие исследователи его также называют ВИД с самоподмагничиванием, иногда реактивный ВИД (что отражает суть образования вращающего момента).

Конструктивно это самый простой двигатель и по принципу действия похож на некоторые шаговые двигатели. Ротор – зубчатая железка. Статор – тоже зубчатый, но с другим числом зубцов. Проще всего принцип работы поясняет вот эта анимация:

Подавая постоянный ток в фазы в соответствии с текущим положением ротора можно заставить двигатель вращаться. Фаз может быть разное количество. Форма тока реального привода для трех фаз показа на рисунке (токоограничение 600А):

Однако за простоту двигателя приходится платить. Так как двигатель питается однополярными импульсами тока, напрямую «на сеть» его включать нельзя. Обязательно требуется преобразователь и датчик положения ротора. Причем преобразователь не классический (типа шестиключевой инвертор): для каждой фазы у преобразователя для SRD должны быть полумосты, как на фото в начале этого раздела. Проблема в том, что для удешевления комплектующих и улучшения компоновки преобразователей силовые ключи и диоды часто не изготавливаются отдельно: обычно применяются готовые модули, содержащие одновременно два ключа и два диода – так называемые стойки. И именно их чаще всего и приходится ставить в преобразователь для ВИД СВ, половину силовых ключей просто оставляя незадействованной: получается избыточный преобразователь. Хотя в последние годы некоторые производители IGBT модулей выпустили изделия, предназначенные именно для SRD.

Следующая проблема – это пульсации вращающего момента. В силу зубчатой структуры и импульсного тока момент редко получается стабильным – чаще всего он пульсирует. Это несколько ограничивает применимость двигателей для транспорта – кому хочется иметь пульсирующий момент на колесах? Кроме того, от таких импульсов тянущего усилия не очень хорошо себя чувствуют подшипники двигателя. Проблема несколько решается специальным профилированием формы тока фазы, а также увеличением количества фаз.

Однако даже при этих недостатках двигатели остаются перспективными в качестве регулируемого привода. Благодаря их простоте сам двигатель получается дешевле классического асинхронного двигателя. Кроме того, двигатель легко сделать многофазным и многосекционным, разделив управление одним двигателем на несколько независимых преобразователей, которые работают параллельно. Это позволяет повысить надежность привода – отключение, скажем, одного из четырех преобразователей не приведет к остановке привода в целом – трое соседей будут какое-то время работать с небольшой перегрузкой. Для асинхронного двигателя такой фокус выполнить так просто не получается, так как невозможно сделать несвязанные друг с другом фазы статора, которые бы управлялись отдельным преобразователем полностью независимо от других. Кроме того, ВИД очень хорошо регулируются «вверх» от основной частоты. Железку ротора можно раскручивать без проблем до очень высоких частот.
Мы на фирме ООО «НПФ ВЕКТОР» выполнили несколько проектов на базе этого двигателя. Например, делали небольшой привод для насосов горячего водоснабжения, а также недавно закончили разработку и отладку системы управления для мощных (1,6 МВт) многофазных резервируемых приводов для обогатительных фабрик АК «АЛРОСА». Вот машинка на 1,25 МВт:

Вся система управления, контроллеры и алгоритмы были сделаны у нас в ООО «НПФ ВЕКТОР», силовые преобразователи спроектировала и изготовила фирма ООО «НПП «ЦИКЛ+». Заказчиком работы и проектировщиком самих двигателей являлась фирма ООО «МИП «Мехатроника» ЮРГТУ (НПИ)».

Это совсем другой тип двигателя, отличающийся по принципу действия от обычного ВИД. Исторически известны и широко используются вентильно-индукторные генераторы такого типа, применяемые на самолетах, кораблях, железнодорожном транспорте, а вот именно двигателями такого типа почему-то занимаются мало.

На рисунке схематично показана геометрия ротора и магнитный поток обмотки возбуждения, а также изображено взаимодействие магнитных потоков статора и ротора, при этом ротор на рисунке установлен в согласованное положение (момент равен нулю).

Ротор собран из двух пакетов (из двух половинок), между которыми установлена обмотка возбуждения (на рисунке показана как четыре витка медного провода). Несмотря на то, что обмотка висит «посередине» между половинками ротора, крепится она к статору и не вращается. Ротор и статор выполнены из шихтованного железа, постоянные магниты отсутствуют. Обмотка статора распределенная трехфазная – как у обычного асинхронного или синхронного двигателя. Хотя существуют варианты такого типа машин с сосредоточенной обмоткой: зубцами на статоре, как у SRD или BLDC двигателя. Витки обмотки статора охватывают сразу оба пакета ротора.

Упрощенно принцип работы можно описать следующим образом: ротор стремится повернуться в такое положение, при котором направления магнитного потока в статоре (от токов статора) и роторе (от тока возбуждения) совпадут. При этом половина электромагнитного момента образуется в одном пакете, а половина – в другом. Со стороны статора машина подразумевает разнополярное синусоидальное питание (ЭДС синусоидальна), электромагнитный момент активный (полярность зависит от знака тока) и образован за счет взаимодействия поля, созданного током обмотки возбуждения с полем, созданного обмотками статора. По принципу работы эта машина отлична от классических шаговых и SRD двигателей, в которых момент реактивный (когда металлическая болванка притягивается к электромагниту и знак усилия не зависит от знака тока электромагнита).

С точки зрения управления ВИД НВ оказывается эквивалентен синхронной машине с контактными кольцами. То есть, если вы не знаете конструкцию этой машины и используете её как «черный ящик», то она ведет себя практически неотличимо от синхронной машины с обмоткой возбуждения. Можно сделать векторное управление или автокоммутацию, можно ослаблять поток возбуждения для повышения частоты вращения, можно усиливать его для создания большего момента – всё так, как будто это классическая синхронная машина с регулируемым возбуждением. Только ВИД НВ не имеет скользящего контакта. И не имеет магнитов. И ротор в виде дешевой железной болванки. И момент не пульсирует, в отличие от SRD. Вот, например, синусоидальные токи ВИД НВ при работе векторного управления:

Кроме того, ВИД НВ можно создавать многофазным и многосекционным, аналогично тому, как это делается в ВИД СВ. При этом фазы оказываются несвязанными друг с другом магнитными потоками и могут работать независимо. Т.е. получается как будто бы несколько трехфазных машин в одной, к каждой из которых присоединяется свой независимый инвертор с векторным управлением, а результирующая мощность просто суммируется. Координации между преобразователями при этом не требуется никакой – только общее задание частоты вращения.

Минусы этого двигателя тоже есть: напрямую от сети он крутиться не может, так как, в отличие от классических синхронных машин, ВИД НВ не имеет асинхронной пусковой обмотки на роторе. Кроме того, он сложнее по конструкции, чем обычный ВИД СВ (SRD).

На основе данного двигателя мы также сделали несколько успешных проектов. Например, один из них – это серия приводов насосов и вентиляторов для районных теплостанций г. Москвы мощностью 315-1200кВт (ссылка на проект). Это низковольтные (380В) ВИД НВ с резервированием, где одна машина «разбита» на 2, 4 или 6 независимых трехфазных секций. На каждую секцию ставится свой однотипный преобразователь с векторным бездатчиковым управлением. Таким образом можно легко наращивать мощность на базе однотипной конструкции преобразователя и двигателя. При этом часть преобразователей подключено к одному вводу питания районной теплостанции, а часть к другому. Поэтому если происходит «моргушка питания» по одному из вводов питания, то привод не встает: половина секций кратковременно работают в перегрузке, пока питание не восстановится. Как только оно восстанавливается, на ходу в работу автоматически вводятся отдыхавшие секции. Вообще, наверное, этот проект заслуживал бы отдельной статьи, поэтому пока про него закончу, вставив фото двигателя и преобразователей:

К сожалению, двумя словами здесь не обойтись. И общими выводами про то, что у каждого двигателя свои достоинства и недостатки – тоже. Потому что не рассмотрены самые главные качества – массогабаритные показатели каждого и типов машин, цена, а также их механические характеристики и перегрузочная способность. Оставим нерегулируемый асинхронный привод крутить свои насосы напрямую от сети, тут ему конкурентов нет. Оставим коллекторные машины крутить дрели и пылесосы, тут с ними в простоте регулирования тоже потягаться сложно.

Давайте рассмотрим регулируемый электропривод, режим работы которого – длительный. Коллекторные машины здесь сразу исключаются из конкуренции по причине ненадежности коллекторного узла. Но остались еще четыре – синхронный, асинхронный, и два типа вентильно-индукторных. Если мы говорим о приводе насоса, вентилятора и чего-то похожего, что используется в промышленности и где масса и габариты особо не важны, то здесь из конкуренции выпадают синхронные машины. Для обмотки возбуждения требуются контактные кольца, что является капризным элементом, а постоянные магниты очень дороги. Конкурирующими вариантами остаются асинхронный привод и вентильно-индукторные двигатели обоих типов.

Как показывает опыт, все три типа машин успешно применяются. Но – асинхронный привод невозможно (или очень сложно) секционировать, т.е. разбить мощную машину на несколько маломощных. Поэтому для обеспечения большой мощности асинхронного преобразователя требуется делать его высоковольтным: ведь мощность – это, если грубо, произведение напряжения на ток. Если для секционируемого привода мы можем взять низковольтный преобразователь и наставить их несколько, каждый на небольшой ток, то для асинхронного привода преобразователь должен быть один. Но не делать же преобразователь на 500В и ток 3 килоампера? Это провода нужны с руку толщиной. Поэтому для увеличения мощности повышают напряжение и снижают ток. А высоковольтный преобразователь – это совсем другой класс задачи. Нельзя просто так взять силовые ключи на 10кВ и сделать из них классический инвертор на 6 ключей, как раньше: и нет таких ключей, а если есть, они очень дороги. Инвертор делают многоуровневым, на низковольтных ключах, соединенных последовательно в сложных комбинациях. Такой инвертор иногда тянет за собой специализированный трансформатор, оптические каналы управления ключами, сложную распределенную систему управления, работающую как одно целое… В общем, сложно всё у мощного асинхронного привода. При этом вентильно-индукторный привод за счет секционирования может «отсрочить» переход на высоковольтный инвертор, позволяя сделать привода до единиц мегаватт от низковольтного питания, выполненные по классической схеме. В этом плане ВИПы становятся интереснее асинхронного привода, да еще и обеспечивают резервирование. С другой стороны, асинхронные привода работают уже сотни лет, двигатели доказали свою надежность. ВИПы же только пробивают себе дорогу. Так что здесь надо взвесить много факторов, чтобы выбрать для конкретной задачи наиболее оптимальный привод.

Но всё становится еще интереснее, когда речь заходит о транспорте или о малогабаритных устройствах. Там уже нельзя беспечно относиться к массе и габаритам электропривода. И вот там уже нужно смотреть на синхронные машины с постоянными магнитами. Если посмотреть только на параметр мощности деленной на массу (или размер), то синхронные машины с постоянными магнитами вне конкуренции. Отдельные экземпляры могут быть в разы меньше и легче, чем любой другой «безмагнитный» привод переменного тока. Но здесь есть одно опасное заблуждение, которое я сейчас постараюсь развеять.

Если синхронная машина в три раза меньше и легче – это не значит, что для электротяги она подходит лучше. Всё дело в отсутствии регулировки потока постоянных магнитов. Поток магнитов определяет ЭДС машины. На определенной частоте вращения ЭДС машины достигает напряжения питания инвертора и дальнейшее повышение частоты вращения становится затруднительно. Тоже самое касается и повышения момента. Если нужно реализовать больший момент, в синхронной машине нужно повышать ток статора – момент возрастет пропорционально. Но более эффективно было бы повысить и поток возбуждения – тогда и магнитное насыщение железа было бы более гармоничным, а потери были бы ниже. Но опять же поток магнитов повышать мы не можем. Более того, в некоторых конструкциях синхронных машин и ток статора нельзя повышать сверх определенной величины – магниты могут размагнититься. Что же получается? Синхронная машина хороша, но только лишь в одной единственной точке – в номинальной. С номинальной частотой вращения и номинальным моментом. Выше и ниже – всё плохо. Если это нарисовать, то получится вот такая характеристика частоты от момента (красным):

На рисунке по горизонтальной оси отложен момент двигателя, по вертикальной – частота вращения. Звездочкой отмечена точка номинального режима, например, пусть это будет 60кВт. Заштрихованный прямоугольник – это диапазон, где возможно регулирование синхронной машины без проблем – т.е. «вниз» по моменту и «вниз» по частоте от номинала. Красной линией отмечено, что можно выжать из синхронной машины сверх номинала – небольшое повышение частоты вращения за счет так называемого ослабления поля (на самом деле это создание лишнего реактивного тока по оси d двигателя в векторном управлении), а также показана некоторая возможная форсировка по моменту, чтобы было безопасно для магнитов. Всё. А теперь давайте поставим эту машину в легковое транспортное средство без коробки передач, где батарея рассчитана на отдачу 60кВт. Желаемая тяговая характеристика изображена синим. Т.е. начиная с самой низкой скорости, скажем, с 10км/ч привод должен развивать свои 60кВт и продолжать их развивать вплоть до максимальной скорости, скажем 150км/ч. Синхронная машина и близко не лежала: её момента не хватит даже чтобы заехать на бордюр у подъезда (или на поребрик у парадной, для полит. корректности), а разогнаться машина сможет лишь до 50-60км/ч.

Что же это значит? Синхронная машина не подходит для электротяги без коробки передач? Подходит, конечно же, просто надо по-другому её выбрать. Вот так:

Надо выбрать такую синхронную машину, чтобы требуемый тяговый диапазон регулирования был весь внутри её механической характеристики. Т.е. чтобы машина одновременно могла развить и большой момент, и работать на большой частоте вращения. Как вы видите из рисунка… установленная мощность такой машины будет уже не 60кВт, а 540кВт (можно посчитать по делениям). Т.е. в электромобиль с батареей на 60кВт придется установить синхронную машину и инвертор на 540кВт, просто чтобы «пройти» по требуемому моменту и частоте вращения.

Конечно же, так как описано, никто не делает. Никто не ставит машину на 540кВт вместо 60кВт. Синхронную машину модернизируют, пытаясь «размазать» её механическую характеристику из оптимума в одной точке вверх по скорости и вниз по моменту. Например, прячут магниты в железо ротора (делают инкорпорированными), это позволяет не бояться размагнитить магниты и ослаблять поле смелее, а также перегружать по току побольше. Но от таких модификаций синхронная машина набирает вес, габариты и становится уже не такой легкой и красивой, какой она была раньше. Появляются новые проблемы, такие как «что делать, если в режиме ослабления поля инвертор отключился». ЭДС машины может «накачать» звено постоянного тока инвертора и выжечь всё. Или что делать, если инвертор на ходу пробился — синхронная машина замкнется и может токами короткого замыкания убить и себя, и водителя, и всю оставшуюся живой электронику — нужны схемы защиты и т.п.

Поэтому синхронная машина хороша там, где большого диапазона регулирования не требуется. Например, в сегвее, где скорость с точки зрения безопасности может быть ограничена на 30км/ч (или сколько там у него?). А еще синхронная машина идеальна для вентиляторов: у вентилятора сравнительно мало изменяется частота вращения, от силы раза в два – больше особо нет смысла, так как воздушный поток ослабевает пропорционально квадрату скорости (примерно). Поэтому для небольших пропеллеров и вентиляторов синхронная машина – это то, что нужно. И как раз она туда, собственно, успешно ставится.

Тяговую кривую, изображенную на рисунке синим цветом, испокон веков реализуют двигатели постоянного тока с регулируемым возбуждением: когда ток обмотки возбуждения изменяют в зависимости от тока статора и частоты вращения. При увеличении частоты вращения уменьшается и ток возбуждения, позволяя машине разгоняться выше и выше. Поэтому ДПТ с независимым (или смешанным) управлением возбуждением классически стоял и до сих пор стоит в большинстве тяговых применений (метро, трамваи и т.п.). Какая же электрическая машина переменного тока может с ним поспорить?

К такой характеристике (постоянства мощности) могут лучше приблизиться двигатели, у которых регулируется возбуждение. Это асинхронный двигатель и оба типа ВИПов. Но у асинхронного двигателя есть две проблемы: во-первых, его естественная механическая характеристика – это не кривая постоянства мощности. Потому что возбуждение асинхронного двигателя осуществляется через статор. А поэтому в зоне ослабления поля при постоянстве напряжения (когда на инверторе оно закончилось) подъем частоты в два раза приводит к падению тока возбуждения в два раза и моментоообразующего тока тоже в два раза. А так как момент на двигателе – это произведение тока на поток, то момент падает в 4 раза, а мощность, соответственно, в два. Вторая проблема – это потери в роторе при перегрузке с большим моментом. В асинхронном двигателе половина потерь выделяется в роторе, половина в статоре. Для уменьшения массогабаритных показателей на транспорте часто применяется жидкостное охлаждение. Но водяная рубашка эффективно охладит лишь статор, за счет явления теплопроводности. От вращающегося ротора тепло отвести значительно сложнее – путь отвода тепла через «теплопроводность» отрезан, ротор не касается статора (подшипники не в счет). Остается воздушное охлаждение путем перемешивая воздуха внутри пространства двигателя или излучение тепла ротором. Поэтому ротор асинхронного двигателя получается своеобразным «термосом» — единожды перегрузив его (сделав динамичный разгон на машине), требуется долгое время ждать остывания ротора. А ведь его температуру еще и не измерить… приходится только предсказывать по модели.

Здесь нужно отметить, как мастерски обе проблемы асинхронного двигателя обошли в Тесла в своей Model S. Проблему с отводом тепла из ротора они решили… заведя во вращающийся ротор жидкость (у них есть соответствующий патент, где вал ротора полый и он омывается внутри жидкостью, но достоверно я не знаю, применяют ли они это). А вторую проблему с резким уменьшением момента при ослаблении поля… они не решали. Они поставили двигатель с тяговой характеристикой, почти как у меня нарисована для «избыточного» синхронного двигателя на рисунке выше, только у них не 540кВт, а 300кВт. Зона ослабления поля в тесле очень маленькая, где-то два крата. Т.е. они поставили «избыточный» для легкового автомобиля двигатель, сделав вместо бюджетного седана по сути спорт-кар с огромной мощностью. Недостаток асинхронного двигателя обратили в достоинство. Но если бы они попытались сделать менее «производительный» седан, мощностью 100кВт или меньше, то асинхронный двигатель, скорее всего, был бы точно таким же (на 300кВт), просто его искусственно задушили электроникой бы под возможности батареи.

А теперь ВИПы. Что могут они? Какая тяговая характеристика у них? Про ВИД СВ я точно сказать не могу – это по своему принципу работы нелинейный двигатель, и от проекта к проекту его механическая характеристика может сильно меняться. Но в целом он скорее всего лучше асинхронного двигателя в плане приближения к желаемой тяговой характеристике с постоянством мощности. А вот про ВИД НВ я могу сказать подробнее, так как мы на фирме им очень плотно занимаемся. Видите вон ту желаемую тяговую характеристику на рисунке выше, которая нарисована синим цветом, к которой мы хотим стремиться? Это на самом деле не просто желаемая характеристика. Это реальная тяговая характеристика, которую мы по точкам по датчику момента сняли для одного из ВИД НВ. Так как ВИД НВ имеет независимое внешнее возбуждение, то его качества наиболее приближены к ДПТ НВ, который тоже может сформировать такую тяговую характеристику за счет регулирования возбуждения.

Так что же? ВИД НВ – идеальная машина для тяги без единой проблемы? На самом деле нет. Проблем у него тоже куча. Например, его обмотка возбуждения, которая «висит» между пакетами статора. Хоть она и не вращается, от неё тоже сложно отводить тепло – получается ситуация почти как ротором асинхронника, лишь немного получше. Можно, в случае надобности, «кинуть» трубку охлаждения со статора. Вторая проблема – это завышенные массогабаритные показатели. Глядя на рисунок ротора ВИД НВ, можно видеть, что пространство внутри двигателя используется не очень эффективно – «работают» только начало и конец ротора, а середина занята обмоткой возбуждения. В асинхронном двигателе, например, вся длина ротора, всё железо «работает». Сложность сборки – засунуть обмотку возбуждения внутрь пакетов ротора надо еще суметь (ротор делается разборным, соответственно, есть проблемы с балансировкой). Ну и просто массогабаритные характеристики пока получаются не очень-то выдающимися по сравнению с теми же асинхронными двигателями Тесла, если накладывать тяговые характеристики друг на друга.
А также есть еще общая проблема обоих типов ВИД. Их ротор – пароходное колесо. И на высоких частотах вращения (а высокая частота нужна, так высокочастотные машины при той же мощности меньше тихоходных) потери от перемешивания воздуха внутри становятся очень значительными. Если до 5000-7000 об/мин ВИД еще можно сделать, то на 20000 об/мин это получится большой миксер. А вот асинхронный двигатель на такие частоты и гораздо выше сделать вполне можно за счет гладкого статора.

Так что же лучше всего в итоге для электротяги? Какой двигатель самый лучший?
Понятия не имею. Все плохие. Надо изобретать дальше. Но мораль статьи такова – если вы хотите сравнить между собой разные типы регулируемого электропривода, то нужно сравнивать на конкретной задаче с конкретной требуемой механической характеристикой по всем-всем параметрам, а не просто по мощности. Также в этой статье не рассмотрены еще куча нюансов сравнения. Например, такой параметр как длительность работы в каждой из точек механической характеристики. На максимальном моменте обычно ни одна машина не может работать долго – это режим перегрузки, а на максимальной скорости очень плохо себя чувствуют синхронные машины с магнитами – там у них огромные потери в стали. А еще интересный параметр для электротяги – потери при движении выбегом, когда водитель отпустил газ. Если ВИПы и асинхронные двигатели будут крутиться как болванки, то у синхронной машины с постоянными магнитами останутся почти номинальные потери в стали из-за магнитов. И так далее, и так далее…
Поэтому нельзя вот так просто взять и выбрать лучший электропривод.

UPD:
Обобщая замечания в комментариях, необходимо дополнить некоторые важные, как оказалось, вещи, которые я изначально опустил как маловажные.
1. Асинхронные двигатели до эры преобразователей частоты регулировали за счет применения так называемого фазного ротора — когда ротор делался в виде обмотки, а не беличьей клетки, а через контактные кольца (как у синхронной машины) фазы ротора выводились наружу. Включая в цепь ротора резисторы можно было мягко пускать АД и безопасно регулировать частоту вращения, изменяя сопротивление. Проблема в том, что очень много энергии при этом терялось в резисторах — иногда до половины от подводимой к приводу мощности.

2. В статье не упомянуты синхронные реактивные машины и их совмещение с синхронными машинами с постоянными магнитами. Если сделать ротор синхронной машины с магнитами явнополюсным — например таким, как нарисован ротор SRD двигателя на gif анимации, то развиваемый момент может быть не только активным, но и реактивным — как у SRD. Подбирая оптимальное сочетание активного и реактивного момента можно частично исключить проблемы классической синхронной машины с магнитами, значительно расширив диапазон работы с постоянством мощности. Получается некий гибрид реактивной машины и синхронной с магнитами.

3. Шаговые двигатели не рассмотрены, потому что по принципу действия они в первом приближении схожи либо с синхронными машинами с постоянными магнитами, либо с SRD двигателями — зависит от конкретного типа шаговика. Только шаговые двигатели, в отличие от «силовых» приводов, имеют гораздо большее количество пар полюсов (зубцов) для увеличения коэффициента электрической редукции: чтобы одному периоду тока соответствовало меньшее угловое перемещение вала. Управление шаговиками обычно тривиальное — последовательный перебор фаз друг за другом (шаги). Более продвинутые системы дробят шаг, подавая в двигатель «микрошаги» — по сути приближая управление к синусоидальному. Еще более продвинутые используют датчик положения ротора и применяют полноценное векторное управление. Но в таком случае и машину нужно делать более качественную, а называться в сумме это будет уже настоящим сервоприводом.

Ротор и статор электродвигателя: определение, виды, назначение

Рано или поздно человек, интересующийся электротехникой, слышит упоминания о роторе и статоре, и задается вопросом: «Что это такое, и в чем отличие этих устройств?» Простыми словами, ротор и статор – это две основные части, расположенные в электродвигателе (устройстве по преобразованию электрической энергии в механическую). Без них существование современных двигателей, а значит и большинства электрических приборов на их основе, было бы невозможным. Статор является неподвижной частью устройства, а ротор – подвижной, они вращаются в разные стороны относительно друг друга. В этой статье мы подробно разберем конструкцию этих деталей и их принцип действия, чтобы после прочтения статьи у читателей сайта Сам Электрик больше не осталось вопросов по данному поводу.

Что такое ротор

Ротор, еще его иногда называют якорь, это подвижная, то есть вращающаяся часть в генераторе или электродвигателях, которые повсеместно применяются в бытовой и промышленной технике.

Если рассматривать ротор двигателя постоянного тока или универсального коллекторного двигателя, то он состоит из нескольких основных узлов, а именно:

1. Сердечник. Он выполнен из множества штампованных тонких металлических пластин, изолированных друг от друга специальным диэлектриком или же просто оксидной пленкой, которая проводит ток гораздо хуже, чем чистый металл. Сердечник набирается из них и представляет собой «слоеный пирог». В результате электроны не успевают разогнаться из-за маленькой толщины металла, и нагрев ротора гораздо меньше, а эффективность всего устройства выше за счет уменьшения потерь. Данное конструктивное решение принято для уменьшения вихревых токов Фуко, которые неизбежно возникают при работе двигателя из-за перемагничивания сердечника. Этот же метод борьбы с ними используется и в трансформаторах переменного тока.
2. Обмотки. Вокруг сердечника особым образом намотана медная проволока, покрытая лаковой изоляцией для предотвращения появления короткозамкнутых витков, которые недопустимы. Вся обмотка дополнительно пропитана эпоксидной смолой или лаком для фиксации обмоток, чтобы они не повреждались при вибрациях от вращения.
3. Обмотки ротора могут подключаться к коллектору – специальному блоку с контактами, надежно закрепленному на валу. Эти контакты называются ламелями, они выполнены из меди или ее сплава для лучшей передачи электрического тока. По нему скользят щетки, обычно выполненные из графита, и в нужный момент на обмотки подается электрический ток. Это называется скользящий контакт.
4. Сам вал является металлическим стержнем, на его концах расположены посадочные места под подшипники качения, он может иметь резьбу или выемки, пазы под шпонку для крепления шестерен, шкивов или других деталей, приводимых в движение электродвигателем.
5. На валу также размещается крыльчатка вентилятора, чтобы двигатель охлаждал сам себя и не приходилось бы устанавливать дополнительное устройство для отвода тепла.

Стоит отметить, что не у всякого ротора есть обмотки, которые, в сущности, представляют собой электромагнит. Вместо них могут применяться постоянные магниты, как в бесщеточных двигателях постоянного тока. А у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором обмоток в привычном виде вовсе нет, вместо них используются короткозамкнутые металлические стержни, но об этом ниже.

Что такое статор

Статор – это неподвижная часть в электродвигателе. Обычно он совмещен с корпусом устройства и представляет собой цилиндрическую деталь. Он так же состоит из множества пластин для уменьшения нагрева из-за токов Фуко, в обязательном порядке покрытых лаком. На торцах располагаются посадочные места под подшипники скольжения или качения.

Конструкция называется пакет статора, она впрессовывается в чугунный корпус устройства. Внутри этого цилиндра вытачиваются пазы под обмотки, которые, так же как и для ротора, пропитываются специальными составами, чтобы тепло равномернее распределялось по устройству, и обмотки не терлись друг об друга от вибрации.

Обмотки статора могут подключаться разными способами в зависимости от назначения и типа электрической машины. Для трехфазных электродвигателей применимы типы подключения звезда и треугольник. Они представлены на схеме:

Для выполнения подключений на корпусе устройства предусмотрена специальная распределительная коробка («борно»). В эту коробку выведены начала и концы трех обмоток и предусмотрены специальные клеммники различных конструкций, в зависимости от мощности и назначения машины.

Существуют серьезные отличия в работе двигателей при разном соединении обмоток. Например, при подключении звездой двигатель будет стартовать плавнее, однако нельзя будет развить максимальную мощность. При присоединении треугольником, электродвигатель будет выдавать весь крутящий момент, заявленный производителем, но пусковые токи в таком случае достигают высоких значений. Электросеть может быть просто не рассчитана на такие нагрузки. Использование устройства в этом режиме чревато нагревом проводов, и в слабом месте (это места соединения и разъемы) провод может отгореть и привести к пожару. Главным преимуществом асинхронных двигателей является удобство в смене направления их вращения, нужно просто поменять местами подключения двух любых обмоток.

Статор и ротор в асинхронных двигателях

Трехфазные асинхронные двигатели имеют свои особенности, ротор и статор в них отличаются от использованных в других типах электродвигателей. Например, ротор может иметь две конструкции: короткозамкнутый и фазный. Рассмотрим особенности строения каждого из них по подробнее. Однако для начала давайте вкратце разберемся, как работает асинхронный двигатель.

В статоре создается вращающееся магнитное поле. Оно наводит на роторе индуцируемый ток и тем самым приводит его в движение. Таким образом ротор всегда пытается «догнать» вращающееся магнитное поле.

Необходимо также упомянуть о такой важной особенности асинхронного двигателя, как скольжение ротора. Это явление заключается в разности частот вращения ротора и магнитного поля, создаваемого статором. Объясняется это как раз тем, что ток индуцируется в роторе только при его движении относительно магнитного поля. И если бы частоты вращения были одинаковы, то этого движения бы просто не происходило. В результате ротор пытается «догнать» по оборотам магнитное поле, и если это происходит, то ток в обмотках перестает индуцироваться и ротор замедляется. В этот момент сила, действующая на него, растет, он начинает опять ускоряться. Так и получается эффект стабилизации частоты вращения, за что эти электродвигатели и пользуются большой востребованностью.

Короткозамкнутый ротор

Он также представляет собой конструкцию, состоящую из металлических пластин, выполняющих функцию сердечника. Однако вместо медной обмотки там установлены стержни или пруты, не касающиеся друг друга и накоротко замкнутые между собой металлическими пластинами на торцах. При этом стержни не перпендикулярны пластинам, а направлены под углом. Это делается для уменьшения пульсаций магнитного поля и момента. Таким образом получаются витки, замкнутые накоротко, от сюда и название.

 

Фазный ротор

Главное отличие фазного ротора от короткозамкнутого заключается в наличии трехфазной обмотки, уложенной в проточки сердечника и соединяющейся в особом коллекторе с тремя кольцами вместо ламелей. Эти обмотки обычно соединяются «звездой». Такие электродвигатели более трудоемки в производстве за счет усложнения конструкции, однако их пусковые токи ниже, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, а также они лучше поддаются регулировке.

Надеемся, что после прочтения данной статьи у вас больше не осталось вопросов о том, что такое ротор и статор электродвигателя и какой у них принцип работы. Напоследок рекомендуем просмотреть видео, в котором наглядно рассмотрен данный вопрос:

Материалы по теме:

Роторные двигатели для авиационных гибpидов

Японская фирма Mazda и Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ) создают энергетические установки, в которых будут задействованы роторно-поршневые двигатели (РПД). Одна из причин возрождения РПД или, как его еще называют, «Двигателя Ванкеля» (в честь немецкого изобретателя Феликса Ванкеля) состоит в том, что его легче, чем другие типы ДВС, перевести на водородное топливо.Решение, предлагаемое японцами – четырехместный электромобиль MX-30 в варианте со вспомогательным РПД. Прямой связи с колесами у ротора нет, он может использоваться только для подзарядки бортовых батарей.

ЭУ-РПД-350Т на авиасалоне МАКС-2021

В свою очередь, конструкторское бюро РПД в составе ЦИАМ создает энергетическую установку ЭУ-РПД-350Т на основе двухсекционного РПД-350Т и соосного с ним мотора-генератора. В ее составе также присутствует силовой контроллер, обеспечивающий надежное управление обратимой электрической машиной. Сухой вес с генератором и выпрямителем – 210 кг. Образец ЭУ-РПД-350Т выставлялся на аэрокосмическом салоне «МАКС-2021».

Установка предназначена для применения в составе гибридной силовой установки летательного аппарата вертикального взлета и сверхкороткого взлета и посадки. «Параллельная схема с приводом движителей непосредственно от вала РПД и/или интегрированного электродвигателя позволяет реализовать преимущества как традиционной трансмиссии с редуктором, так и последовательной гибридной или электро-трансмиссии», – сообщается в буклете ЦИАМ.

Разработка ЭУ-РПД-350Т ведется совместно с Фондом Перспективных Исследований, завершение проекта – 2024 год. К настоящему времени успешно завершен аванпроект. Судя по приводимым параметрам, РПД-350Т рабочим объемом 1,308 литра имеет много общего с РПД-150Т, что разрабатывается в рамках ОКР по заказу Минпромторга с окончанием работ в 2024 году. На взлете ЭУ-РПД-350Т развивает мощность 350 л.с., причем, в дальнейшем значение может быть повышено благодаря раскрутке ротора с 7 до 8 тыс. оборотов в минуту. На крейсерском режиме мощность составляет 190 л.с., расход топлива – 250-280 гр/л.с.*ч.

«Экологическая повестка»

Возможность приспособить, с минимальными переделками, роторно-поршневой двигатель к потреблению водорода приобретает особую ценность в связи с приоритетом, который получает в мире так называемая «экологическая повестка». В апреле 2021 года ее поддержали главы великих держав: Джо Байден, Владимир Путин и Си Цзиньпин выступили на международном онлайн-саммите по вопросам борьбы с изменениями климата. Тема получила продолжение на встрече G20 в Риме 30-31 октября. В итоговом коммюнике указана готовность стран на национальном уровне перейти к «углеродной нейтральности» в энергетике к «середине века».

По словам Владимира Путина, Россия готова участвовать в формировании справедливых правил решения климатических проблем. Наша страна входит в число лидеров глобальной декарбонизации. Один из инструментов воплощения данной политики – программа повышения энергоэффективности на период до 2035 года.

Все больше промышленно развитых государств заявляют о своем желании радикально сократить выделение парниковых газов. Евросоюз и Великобритания взяли обязательства по сокращению выбросов углерода к 2030 году более чем на половину, пообещав к 2050-му добиться нулевого нетто-показателя. Не позднее 2060 года на «углеродную нейтральность» выйдет и Россия.

Одна за другой страны Запада вводят ограничения на продажи и использование загрязняющей воздух дорожной техники. По нашей оценке, требования, что сегодня формулируются к автомобилям, а также те практические решения «по технике», что принимают автогиганты, окажут серьезное влияние и на дальнейшее развитие авиации, особенно той её части, которую принято называть «малой» или «легкомоторной».

Президент США Джо Байден подписал указ, ставящий задачу довести к 2030 году долю электромобилей до половины от всех, продаваемых в стране пассажирских транспортных средств. Великобритания заявила о запрете с 2030 года продажи новых бензиновых и дизельных автомобилей. Европейская комиссия предложила к 2035 году отказаться от подобных машин на территории Евросоюза и пускать на рынок исключительно новые транспортные средства с нулевым уровнем вредных выбросов. Нью-Йорк, Калифорния, Квебек и Британская Колумбия заявили о запрете продаж новых легковых автомобилей с ДВС с 2035 года.

Китай рассматривает разработанные под эгидой правительства предложения о том, что в 2035 году половина всех продаваемых в стране автомобилей должна быть представлена электромобилями, транспортными средствами на топливных элементах и водороде, а также гибридами, в основном рассчитанными на электро-движение; вторая половина — «неподключаемые» гибриды.

Четко обозначенная позиция властей на «декарбонизацию» подвигает автовладельцев ускорить переход на передовую технику. Доля электромобилей и гибридов в продажах на территории Франции и Германии достигла двухзначных значений в процентах от общего числа реализованных единиц автотранспорта. Заметный рост продаж подобной техники также наблюдается и в других странах Запада.

Мазда

Среди автогигантов, занимающихся электромобилями и гибридами, присутствует и фирма «Мазда». Она вела серийное строительство роторных автомобилей с 1967 по 2012 год, а сегодня усиленно развивает гибридное направление, где РПД будет использоваться в качестве привода электрогенератора. Первая подобная связка предлагается на специальном варианте «кроссовера» MX-30, переданного весной в серийное производство.

Осенью на японском рынке открылись продажи машины базового исполнения: электромобиль мощностью 144 л.с., оснащенный батареей емкостью 35,5 киловатт-часов. Режим быстрой зарядки в условиях специально оснащенной станции позволяет поднять «пустую» батарею до 80% за 36 минут, и зарядить полностью за 4-5 часов.

Главный недостаток – дальность хода ограничена 200 км. Поэтому тем, кто много ездит по автобанам, предлагается купить гибридный вариант MX-30 c РПД следующего поколения. У ротора нет прямой связи с колесами; он может использоваться только для подзарядки бортовых батарей, что существенно увеличивает допустимое для безостановочной поездки расстояние.

Принимая во внимание новую ситуацию, складывающуюся в мире, Мазда рассматривает и иные варианты применения РПД. Для жителей мегаполисов, где запретят использование ДВС, будут предлагаться «чистые» электромобили, а тем, кто живет загородом – гибриды. Предполагается, что на въезде в мегаполис водители «гибридов» будут отключать РПД, а вмести с ним – и режим «подзарядки на ходу», продолжая движение на запасенном электричестве.

Какими параметрами будет обладать новый японский РПД пока не известно. Считается, что в его конструкции найдут применение решения, опробованные на концепте Taiki 2007 года. Эта спортивная машина оснащалась двигателем Renesis II (16Х) мощностью 300 л.с. Она должна была сменить на конвейере RX-8, построенную в количестве около 192 тысяч в период с 2003 по 2012 год.

Эта модель была снята с производства после ужесточения экологических норм в Европе. Для соответствие им «Мазда» и разработала значительно обновленный Renesis II (16Х). При сухой массе с обвязкой 112 кг, серийный 13B-MSP на RX-8 в варианте для японского рынка развивал максимальную мощность 250 л.с., что выводило его в «передовики» среди ДВС по величине отношения мощности к единице веса.

Роторный двигатель гибридного автомобиля Mazda 2

Фирма изначально проектировала «Ренесис» так, чтобы его можно было перевести на водородное топливо. Через пару лет после начала выпуска RX-8, «Мазда» получила разрешение на эксплуатацию «двух-топливных» RX-8 HRE,  и следующим летом поставила первую партию таких машин японским потребителям на условиях лизинга.

Осенью 2007 года 30 RX-8 HRE отправились в Норвегию для участия в проекте Hynor. Двух-топливный вариант «Ренесис» мог работать как на бензине (поступал из штатного бака 61 литр), так и водороде. Последний (2,4 кг) хранился под высоким давлением в специальном 110-литровом баке из алюминия, усиленном углеродными нитями. Переключение между топливом выполнялось нажатием кнопки на приборной панели.

При работе на водороде, мотор не выделял вредных выбросов (только пар), но дальность хода была невысока – всего лишь сто километров. Крутящий момент, развиваемый мотором, уменьшался на 60%, мощность – почти вдвое, но располагаемых сто «лошадей» вполне хватало, чтобы уверенно держаться в потоке.

«Мазда» также выпустила несколько десятков полуэкспериментальных шестиместных Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid c ротором от RX-8 HRE и 40-сильным электродвигателем, запитанным бортовой батареей. Хотя тема «двух-топливных» машин и не получила распространения, был получен интересный опыт практической эксплуатации подобной техники. А самое главное – доказано, что, при необходимости, РПД можно питать водородом, и, тем самым, добиться «углеродной нейтральности», лишь немного подпорченной сгоранием небольшого количества моторного масла.

Электролёты и гидриды

Пока речей о каких-либо ограничениях на использование летательных аппаратов с ДВС в воздушном пространстве над мегаполисами не ведется. Однако подобное развитие событий представляется логичным продолжением политики ведущих стран Запада на сворачивание производства автомобилей с ДВС в пользу таковых на электротяге.

Среди решений, которые могут предложить самолетостроители – использование гибридной авиатехники, в составе которой присутствует электродвигатель. Полный отказ от ДВС пока трудно обеспечить технически; исключение составляют разве что малые беспилотные аппараты – таковые уже существуют и применяются как в военном деле, так и на гражданке.

При этом конструкторам придется решить множество задач, связанных с обеспечением энергетической эффективности авиатехники. Данной темы коснулся руководитель компании «Кронштадт» в интервью «Интерфакс», опубликованном 24 августа с.г. Вот что сказал Сергей Богатиков: «Главным препятствием для применения электроэнергии в авиации является малая, по сравнению в углеводородным топливом, удельная энергетическая емкость аккумуляторных батарей. Примерно на порядок. То есть 10 кг бензина обеспечат такую же продолжительность полета, как 100 кг аккумуляторов. У водородных источников тока этот показатель лучше, но там есть другие проблемы. Тем не менее, мы внимательно следим за развитием технологий гибридных силовых установок и полностью электрических летательных аппаратов».

Как видно, соотношение — не в пользу «электролётов». А вот гибриды могут дать решение: взлет с городской площадки аппарат выполнит на электричестве, а выйдя за пределы мегаполиса – переключится на ДВС. Тем самым будет обеспечены высокие экологические показатели при полетах над густонаселенными городскими районами и экономичность при движении от одного населенного пункта к другому.

Помимо того, гибридная энергетическая установка обеспечивает повышенный уровень безопасности. При отказе ДВС летательный аппарат продолжит полет на электротяге (и наоборот). Данный вариант со вспомогательными электромоторами рассматривается применительно к перспективной машине местных авиалиний «Байкал», впервые представленном в полноразмерном виде на «МАКС-2021». Правда, система, планируемая к установке на ЛМС-901, декларируется как резервная, для осуществления контролируемой аварийной посадки при отказе основного двигателя, в роли которого выступает турбовинтовой ВК-800СМ разработки Завода имени В.Я. Климова.

Отработка подобной схемы ведется на опытном самолете ТВС-2МС с регистрационным номером 48986, созданном на базе биплана Ан-2. Он участвовал в программе демонстрационных полетов МАКС-2021. Вместо штатного поршневого мотора АШ-62, эта машина оснащается ТВД и восемью мини электромоторами под нижним крылом, каждый из которых комплектуется складным винтом. Практическая реализация этой схемы будет предпринята на самолете укороченного взлета-посадки «Партизан».

Министр промышленности и торговли Денис Мантуров пообещал, что многоцелевой местный самолёт ЛМС-901 «Байкал» завершит сертификацию и поступит в серию в 2023 году. При взлете с предельной массой 4800 кг, он будет способен перевезти две тонны груза на расстояние до 3000 км с крейсерской скоростью 300 км/ч. Также на «Байкале» будет автоматическая система парашютирования. За счет всего этого машина может рассчитывать на разрешение авиационных властей выполнять коммерческие полеты не с 9 (ограничение для одномоторных самолетов), а 14 пассажирами.

Что немцу хорошо, то русскому…

Ожидается, что Россия создаст полный набор технологий для регионального самолета с гибридной силовой установкой к 2026-2027 годам, что позволит построить такую машину к  2030 году. Об этом рассказал руководитель Национального Исследовательского Центра «Институт имени Н.Е. Жуковского» Андрей Дутов. Следующим шагом станет использование  сжиженного водорода в качестве топлива и, одновременно, хладагента. Тем самым получится самолет, не загрязняющий атмосферу выбросами углекислого газа и другими вредными веществами.

Логично предположить, что главным потребителем водорода на борту гибридного летательного аппарата станет РПД. К числу приятных особенностей «Двигателя Ванкеля» относят возможность повышения мощности за счет добавления секций. Так, например, ВАЗ-526 имел 4 секции, мощность 400 л.с. и вес 175 кг. За счет высокого турбонаддува, рекордные РПД типа 26В фирмы «Мазда» для болидов – победителей гонок «24 часа Ле-Мана» развивали 500-700 л.с.

Андрей Владимирович также отметил, что подход российских специалистов расходится с тем, что принят в Европе. Там активно занимаются электрическими самолетами, полностью полагаясь на аккумуляторы. С учетом развития, их емкости должно хватить для перелета на 200-400 км, что для европейских условий вполне достаточно. Россия же, с ее огромными просторами, нуждается в самолетах, способных покрыть значительно большее расстояние, минимум одну-две тысячи километров. Вот почему для нас предпочтительнее гибрид.

Типичная программа его полета, по мнению Дутова, будет следующей: взлет и начальный набор высоты на электромоторе, затем включается газотурбинный двигатель на разрешенной высоте и часть его мощности используется для подзарядки аккумуляторных батарей. На этапе снижения и захода на посадку вновь задействован электромотор. 

Важное место в отработке необходимых технологий отводится летающей лаборатории Як-40МС СибНИА с бортовым номером 87251. Вместо штатных двигателей АИ-25, он оснащен двумя маршевыми ТРДД TFE731-5BR, а также вспомогательной энергетической установкой и бортовой электрической системой рекордного напряжения – 800 Вольт. Она включает электродвигатель компании «СуперОкс» мощностью 860 л.с., в котором применены сверхпроводящие материалы обмоток.

«СуперОкс» в связке с ТВ2-117 на авиасалоне МАКС-2021

фото: Роман Гусаров

Для них созданы «комфортные условия»: температура 77 градусов по Кельвину, внутри — жидкий азот, благодаря чему сопротивление на обмотках близко к нулю. Это позволяет реализовывать огромные мощности при сравнительно небольших размерах. Для обеспечение тепла и выработки электроэнергии для подзарядки батарей используется ВСУ на базе вертолетного двигателя ТВ2-117 и 500-киловатного генератора.

Стимулы

Говоря об отличиях российского и европейско-американского подходов, нужно отметить различие методов по стимулированию производителей и потребителей к переходу на более современные машины с лучшими параметрами по экологии. По словам Мантурова, вместо запретов, правительство будет поощрять покупку «экотранспорта» предоставлением доступного кредитования и распространением программы льготного лизинга: с 2022 года на электроавтомобили, а в последующем – и на водородные.

Разработчики подобной техники, а также ее «начинки», получат субсидии и компенсации части затрат на НИОКР. Хотя эти меры главным образом рассчитаны на автопроизводителей, в результате отечественная промышленность освоит новые технологии, которые также пригодятся и для авиации. Например, по части емких аккумуляторных батарей, электрики и электроники, топливной автоматики и конструкционных материалов.

Материал по теме: Роторные двигатели взлетят благодаря нано-технологиям

Найдите эффективный и мощный роторный электрический мотор

О продукте и поставщиках:

 Alibaba.com предлагает обширную коллекцию высококачественных, надежных и эффективных. роторный электрический мотор продается, подходит для использования в промышленном и бытовом оборудовании. Файл. роторный электрический мотор могут быть однофазными или трехфазными, с разным размером корпуса, частотой вращения и номинальной мощностью. Найдите блоки с фланцевым креплением, с высоким крутящим моментом, на лапах, с двойным напряжением и низким крутящим моментом от различных ведущих поставщиков и брендов. 
 
 В продаже есть высокопроизводительные и эффективные устройства постоянного тока. или AC. роторный электрический мотор доступны в уникальных стилях, таких как последовательный, индукционный, синхронный, асинхронный, PMDC, шунтирующий и составной намотки. Эти агрегаты, спроектированные в соответствии с последними механическими и электрическими требованиями к характеристикам двигателей, отличаются надежностью, долгим сроком службы и универсальностью. Они имеют высококачественные и высокопроизводительные компоненты, в том числе прочную алюминиевую раму, опоры на лапах, стандартные валы, конденсаторный пуск, ротор и ход. 
 
 Откройте для себя. роторный электрический мотор с высокоэффективной конструкцией, превосходным пусковым моментом, быстрым откликом и простотой в использовании, работающей на чрезвычайно высоких скоростях. Существуют устройства с разной выходной мощностью и мощностью, а также различные размеры и конструкции, специально разработанные для небольших бытовых приборов или электроинструментов. Независимо от машины, устройства или устройств, делайте покупки на Alibaba.com, чтобы найти продукты, отличающиеся надежной работой, превосходной производительностью, простотой обслуживания и интересным внешним видом. 
 
 Найдите на Alibaba.com информацию. роторный электрический мотор и покупайте товары с функциями и функциями, подходящими для различных бытовых приборов и электроинструментов. Выбирайте из разных производителей и поставщиков, которым доверяют в мире. Просматривайте товары разных брендов, чтобы фильтровать и находить высококачественные товары, соответствующие бюджетам и ожиданиям уникальных покупателей. 

Крановые электродвигатели: особенности, назначение, разновидности

Автоматизация процессов в современном обществе повсеместно заменяет труд человека, как в простейших повседневных делах, так и в сложных производственных процессах. Для привода различных грузоподъемных механизмов применяются электродвигатели, которые полностью исключают физический труд по перемещению. В отличии от классических электрических машин крановые электродвигатели обладают рядом отличительных особенностей.

Особенности и назначение

Под крановыми электродвигателями следует понимать такие электроприводные агрегаты, которые осуществляют перемещение различных механизмов крановых установок. При рассмотрении грузоподъемных кранов, как компонентного механизма, состоящего из различных составных элементов, назначение крановых электрических машин имеет несколько направлений:

• Перемещение самой крановой установки по рельсам;
• Перемещение крановых установок в вертикальной плоскости;
• Поворот крановых элементов;
• Движение грузоподъемных механизмов для перемещения крюка.

Все манипуляции с грузом выполняются за краткосрочный период, поэтому работа кранового электродвигателя должна производиться в повторно-кратковременных режимах, при этом существенно изменяется диапазон частоты вращения. Из-за этого продолжительных усилий им совершать не приходится, но агрегат претерпевает кратковременные нагрузки и воздействия пусковых токов.  Помимо стандартных ситуаций обмотки могут подвергаться перегрузкам и перегреву, поэтому приводы механизмов изготавливаются со следующими особенностями:

• В большинстве случаев это электрические машины закрытого типа, наружный кожух позволяет защищать их от механических воздействий в процессе эксплуатации. Для металлургических агрегатов могут делаться исключения, так как из-за повышенной температуры возникает необходимость вентиляции обмоток.
• Общепромышленные электродвигатели имеют улучшенную изоляцию по параметрам устойчивости к высоким температурам, как правило, классов F и H. Что позволяет сохранять уровень сопротивления изоляции при ее нагревании.
• Относительно небольшая инерционность вала, что обеспечивает снижение потерь электрической энергии во время переходных процессов на рабочих частотах.
• Магнитная система обладает хорошей проводимостью, что создает мощный поток, способный преодолевать серьезные нагрузочные усилия.
• Допускается высокий уровень перегрузки относительно номинального значения рабочих токов. Коэффициент может достигать от 2 до 5, что считается нормальным режимом для кранового электродвигателя.
• Большой разброс частот вращения между минимальным и максимальным режимами.

Некоторые требования для крановых электродвигателей могут  упраздняться в виду особенностей рабочих режимов и техпроцессов. А некоторые виды специализации будут продиктованы типом и конструкцией мотора.

Разновидности крановых электродвигателей

В виду использования различных принципов для вращения ротора в электродвигателе, многие из них нашли широкое применение в эксплуатации крановых установок. Среди электродвигателей общепромышленного назначения выделяют машины переменного и постоянного тока, асинхронные двигатели, как с фазными, так и с короткозамкнутым ротором. Далее рассмотрим каждый из типов, применяемых для кранового оборудования.

Переменного тока

Для отечественных кранов используются асинхронные электрические машины переменного тока. Отличительной особенностью таких установок являются хорошие тяговые характеристики, а вот к недостаткам относится необходимость подключения сразу трех фаз и большие пусковые токи. Большинство моделей изготавливаются на стандартную частоту сети в 50Гц, такие варианты способны постоянно переносить перегрузки в 10 – 15%.

Рис. 1. Пример электродвигателя переменного тока

Наиболее распространенными моделями в сети переменного тока являются электродвигатели MTF и MTKF, которые имеют фазный и короткозамкнутый ротор соответственно. А в металлургическом производстве модельный ряд составляют электрические машины MTH и MTKH с теми же конструктивными особенностями. На практике для питания и одних, и других может применяться переменное напряжение с частотой в 50 и 60Гц. Возможность вращения ротора для них колеблется в пределах от 600 до 1000 об/мин для питающей электрической величины частотой 50Гц. Или от 700 до 1200 на частотах 60Гц. Электроприводы механизмов в большинстве случаев может иметь сразу несколько скоростей.

Постоянного тока

Электродвигателями постоянного тока комплектуются такие крановые установки, которым требуется производить частые включения в течении часа или всей рабочей смены. Помимо этого они позволяют регулировать частотный диапазон в достаточно широком диапазоне. Разумеется, что в наше время трехфазные асинхронные машины могут приближаться к моторам постоянного тока за счет внедрения систем частотного преобразования. Регулирование выполняется за счет либо ослабления магнитного поля статора или повышения напряжения обмоток ротора.

Рис. 2. Пример двигателя постоянного тока

Конструктивно выпускаются на мощность от 2 до 190кВт, в зависимости от величины питающего напряжения группы обмоток возбуждения могут иметь последовательное или параллельное соединение. В данном типе крановых электродвигателях управление производится за счет изменения токов в обмотке возбуждения.

Краново-металлургические асинхронные электродвигатели серии 4МТ

Металлургическая промышленность характеризуется значительными объемами перемещаемых материалов и удельным весом металла. Поэтому крановые электродвигатели серии МТ должны обеспечивать заявленную мощность, несмотря на частоту вращения. Ярмо электрической машины изготавливается с четырьмя или восьмью полюсами для передачи магнитного потока, материалом для магнитопровода служит холоднокатаная сталь. Для изоляции крановых электродвигателей в качестве диэлектрика применяются полимерные пленки, пропитанные ткани или бумага.

Рис. 3. Краново-металлургические электродвигатели

В электроприводах металлургических кранов на этапе изготовления закладывается большая надежность – до 0,98, в то время, как все остальные могут иметь коэффициент 0,96. Срок эксплуатации, заявленный изготовителем также должен быть не ниже 20 лет.

С фазным ротором

Крановые электродвигатели с фазным ротором отличаются наличием отдельной обмотки на вращающейся части. Электроснабжение роторной катушки осуществляется за счет  коллекторного узла, который производит токосъем и отбор мощности через скользящий контакт. Однако щеточный механизм в них — это наиболее изнашиваемым элемент, после истирания графитовых контактов они подлежат замене.

Рис. 4. Конструкция электродвигателя с фазным ротором

Данный тип трехфазных асинхронных электрических машин отличается плавным пуском и большой нагрузочной способностью. За счет чего их устанавливают на краны среднего и тяжелого типа, перемещающие тяжеловесные грузы. Позволяют регулировать усилие момента на валу в трех и четырехшаговом режиме, пропорционально повышая мощность воздействия.

С короткозамкнутым ротором

Конструктивно вращающаяся часть представляет собой стальную конструкцию литого или наборного типа. В отличии от предыдущего варианта крановые электродвигатели с короткозамкнутым ротором отличаются меньшей массой и меньшей себестоимостью. Однако главным недостатком является малый момент, создаваемый на валу, а это, в свою очередь, приводит к дефициту усилия. Поэтому моторы с короткозамкнутым ротором устанавливаются на маломощные крановые установки, предназначенные для перемещения грузов небольшой массы с малой скоростью.

Рис. 5. Электродвигатель с короткозамкнутым ротором

Технические характеристики

Как и любые электроустановки, электрические машины выпускаются в соответствии с требованиями и условиями, в которых их будут эксплуатировать. При выборе конкретной модели кранового электродвигателя руководствуются его параметрами. К основным характеристикам относятся:

• Потребляемая мощность – характеризует объем расходуемой электрической энергии, необходимой для работы электродвигателя. Может выражаться в киловаттах или кило вольт-амперах.
• КПД – показывает соотношение полезной работы, совершенной электрической машиной по отношению к потребленной из сети электроэнергии. В крановых установках этот параметр может варьироваться от 60 до 90%.
• Частота вращения – показывает количество оборотов вала, которые тот может совершать за единицу времени. Как правило, используется величина из расчета на одну минуту. Для каждой модели  обороты могут изменяться, поэтому параметр будет иметь диапазонное значение.
• Мощность на валу – определяет усилие, создаваемое крановым электродвигателем непосредственно на рабочем органе.
• Номинальное рабочее напряжение – обозначает разность потенциалов, которая должна подаваться на ввод электрической машины для приведения ее в движение.
• Масса и габаритные размеры – физические параметры, необходимые для установки в общую конструкцию крана.
• Степень пыле- влагозащищенности  — обозначается латинскими буквами IP и двумя цифрами, указывающими на возможность проникновения частиц внутрь корпуса.

Производители

Отечественный рынок крановых электродвигателей представляет довольно большой спектр предприятий, функционирующих на постсоветском пространстве, которые специализируются на выпуске электрических машин для сетей 220/380В с частотой 50Гц и прочих установок.

Среди наиболее известных следует выделить:

• Завод крупных электрических машин – специализируется на производстве приводов различной конструкции и принципа действия, выпускает около 100 типов моторов.
• Сибэлектролмотор – выпускает электродвигатели серии крановых машин асинхронного принципа.
• Сафоновский электромашиностроительный завод – производит различные электрические машины для любых сфер и отраслей.
• ЭЛМА – занимается не только производством, но и технической поддержкой в обслуживании электродвигателей.
• Мегаватт – охватывает большой спектр промышленного оборудования, включая электродвигатели МТФ и МТХ, а также МТКХ и МТКФ.

Бытовые электродвигатели | Электрика в квартире, ремонт бытовых электроприборов

Просмотров 756 Опубликовано 11.06.2018 Обновлено 15.06.2018

Бытовые электродвигатели являются неотъемлемой частью , практически, каждого бытового электроприбора — пылесос, стиральная машинка, электрическая дрель, сверлильный станок и т.д. Они помогают нам стирать, убирать помещения, спасают нас в жару и холод, становятся незаменимыми помощниками при благоустройстве квартиры и частного дома. Без бытовых электрических двигателей наша жизнь стала бы тяжёлой и некомфортной.

В данной своей статье хотелось бы более подробно раскрыть вопрос — а какими именно бытовыми электродвигателями мы пользуемся? Электродвигатели, как мы знаем, делятся на электродвигатели постоянного и переменного тока.

Электрические двигатели постоянного тока крайне редко используются в быту. Почему-то вспоминается только электродвигатели постоянного тока в автомобилях (печка, дворники, омыватель и т.д.). Это, наверное, потому что нам поставляется в наши квартиры и частные дома переменный ток, пользователями которого мы и становимся. Устанавливать у себя дома источник постоянного тока — вещь относительно затратная.
Совсем другое дело — электродвигатели переменного тока. Это именно они крутят, сверлят, перемешивают, дробят, стирают и т.д. Бытовые двигатели переменного тока можно разделить по устройству на коллекторные и роторные.

Коллекторные электродвигатели состоят из якоря, статора с полюсными катушками и щёткодержателей с токосъёмными графитовыми щётками. данные электродвигатели используются в бытовых электроприборах, где необходима скорость вращения вала — пылесосы, дрели, болгарки, миксеры, перфораторы и т.д. Именно коллекторные двигатели обладают большим количеством оборотов вала в секунду — их может быть 6 тыс. об/мин, 8 тыс. об/мин, 10 тыс. об/мин и т.д.

Техническое обслуживание бытовых электродвигателей данного типа, в основном, заключается в проверке целостности щёток и исправности подшипников, находящихся на якоре.

Роторные электродвигатели состоят из ротора (набор железа) и статора (набор железа + катушки обмотки). Данные двигатели переменного тока используются в более крупных бытовых электроприборах — дробилки, водяные электронасосы, различные обрабатывающие станки и т.д.
Роторные бытовые электродвигатели применяются в быту там, где необходима мощность и небольшая скорость вращения вала. Данные двигатели могут иметь следующие обороты — 1000 об/мин, 1500 об/мин и 3000 об/мин. Обслуживаются эти бытовые электродвигатели очень просто — необходимо вовремя смазывать подшипники и всё будет хорошо.

PropertyManager Двигатель — 2012 — Справка по SOLIDWORKS

Двигатели являются элементами исследования движения, которые двигают компоненты в сборке, путем моделирования эффектов различных типов двигателей.

Чтобы открыть PropertyManager Двигатель, в сборке выберите Двигатель (панель инструментов MotionManager).

Тип двигателя

	Вращающийся двигатель	Определяет роторный двигатель.
	Линейный двигатель (Исполнительный механизм)	Определяет линейный двигатель.
	Двигатель сопряжения пути (Только в Анализе движения)	Для выбранного сопряжения пути в сборке определяет перемещение, скорость или ускорение при движении тела по его пути.

Сопряжение/Направление

	Сопряжение пути	Выбирает сопряжение пути, которое определяет путь движения.
	Придать обратное направление	Изменяет направление движения на обратное.
	Компонент	Выбирает компонент, к которому необходимо применить движение.

Компонент/Направление

	Месторасположение двигателя	Выбирает элемент, в котором располагается двигатель.
	Придать обратное направление	Изменяет направление движения на обратное.
	Направление двигателя	При этом выделяется элемент (например, грань или кромка), определяющий ось направления двигателя.
	Компонент	Выбирает компонент, к которому необходимо применить движение.

Дополнительно

Используйте этот раздел для задания движения относительно другой детали и выберите компоненты для параметра несущие грани/кромки, чтобы передать их в SolidWorks Simulation.

Несущие грани/кромки

Определяет несущие нагрузки грани или кромки.

Заметки

Двигатели перемещают компоненты в выбранном направлении, но не являются силами. Сила двигателя не изменяется в зависимости от размера и массы компонентов. Например, небольшой куб перемещается с такой же скоростью, что и большой, если параметр Скорость установлен на одинаковое значение.

Если что-либо приводит к изменению направления точки ссылки двигателя, двигатель продолжает перемещать компонент в новом направлении. Это может произойти, например, если произошел конфликт между компонентом, который перемещается двигателем, и другим компонентом.

Не добавляйте более, чем один двигатель одного и того же типа в компонент.

Движение в результате действия двигателей отменяет движение в результате воздействия других элементов моделирования. Если есть двигатель, перемещающий компонент влево, и пружина, тянущая компонент вправо, то компонент перемещается влево, а потребление энергии двигателем увеличивается.

Роторный двигатель

— обзор

29.3.1 Механическая надежность

Благодаря такой простой и элегантной архитектуре устройства, приводимые в действие приводом UMA, обладают механической прочностью. Вместо преобразования высокоскоростного вращательного движения для низкоскоростных приложений линейного перемещения, как это обычно требуется для обычных роторных двигателей, UMA имеет возможность напрямую управлять устройствами линейного позиционирования на частотах от постоянного тока до нескольких сотен герц. Эта способность позволяет конструкторам устранять сложные, склонные к усталости редукторы и силовые передачи с преобразованием движения, что приводит к созданию систем, которые будут долговечными и более экономичными.Действительно, OEM-дизайнеры нередко используют устройства EPAM для сокращения количества деталей на 50% и более.

В то время как устройства EPAM способны к деформациям порядка нескольких сотен процентов в лабораторных условиях, для практических устройств AMI разрабатывает приводы EPAM с рабочими деформациями примерно 10%, чтобы удовлетворить требования клиентов AMI к сроку службы. Использование EPAM в этом режиме дает разработчику продукта наилучшее сочетание надежности и выходной мощности, при этом обеспечивая значительные преимущества по сравнению с традиционными решениями по приведению в действие.Одна из постоянных разработок AMI включает модификацию системы EPAM, чтобы позволить конструкторам достигать более высоких уровней силы и деформации без ущерба для надежности или механической выходной мощности.

В дополнение к приложениям с прямым приводом, технология EPAM также может использоваться для так называемых приложений с бесконечным ходом, таких как роторные двигатели и насосы. Эти приложения UMA преобразуют возвратно-поступательное движение привода UMA в одностороннее движение для двигателей и насосов посредством муфт или обратных клапанов, соответственно.Поскольку механические характеристики напрямую зависят от электрического управляющего сигнала, выходная скорость легко регулируется изменением частоты, а выходная амплитуда регулируется изменением амплитуды электрического сигнала. Таким образом, с добавлением нескольких простых частей и схем управления стандартная платформа UMA может использоваться в самых разных приложениях.

Одним из основных преимуществ конструкции UMA является присущая ей амортизация. В отличие от других технологий, которые передают механический удар от конца выходного вала обратно в сердце основной системы, подшипник привода EPAM UMA амортизирует и гасит внешние вибрации, сводя к минимуму нежелательную передачу энергии остальной части системы.Это неотъемлемое преимущество позволяет конструкторам заменять имеющиеся у них актуаторы, амортизирующие элементы и чрезмерно сконструированные детали на один прочный и элегантный актуатор UMA. Хорошим примером этой функции является конфигурация позиционирования объектива AMI UMA, в которой линза в модуле камеры мобильного телефона легко выдерживает стандартное испытание на падение с высоты 1,5 м благодаря амортизирующим характеристикам конфигурации позиционера объектива UMA (см. Рис. 29.6). .

Рисунок 29.6. Позиционер объектива на базе UMA для модулей камеры.

Во многих случаях конструкторы могут использовать встроенный в UMA подшипник выходного вала без трения вместо обычного подшипника. Этот подшипник на основе пленки позволяет конструкторам автоматически самоцентрироваться и ограничивать UMA-конец выходного вала без дополнительных деталей или функций, как это потребовалось бы при использовании традиционной технологии привода. Простота UMA, а также меньшее количество компонентов системы способствуют повышению механической прочности по сравнению с традиционными решениями.

Ошибка 404

DE английский Открытый выбор страны и языка

близко Закрыть выбор страны и языка

Выбор страны и языка

Вы уже вошли в систему.Вы можете изменить языковые настройки в разделе «Личные данные».

Страна / регион

Если вы выберете другую страну / регион, вы можете потерять несохраненные данные, например в корзине.

[# / languages.languages.length #] [# country #] [# /languages.length #]. [# # languages.length #] Хотите перейти на сайт [# country #]

? [# /languages.length #] [# # languages.length #] Язык [# #languages ​​#] [# имя #] [# / languages ​​#] [# / languages.длина #] [# #адрес #]

[# # address.lines #]

[#. #]

[# /address.lines #]
[# # address.tel #]

тел. [# address.tel #]

[# /address.tel #] [# # address.fax #]

Факс: [# address.fax #]

[# /address.fax #] [# #адрес.Эл. адрес #]

Электронная почта: [# address.email #]

[# /address.email #] [# # address.url #]

На сайт

[# /address.url #]

[# /адрес #] [# # languages.length #] [# /languages.length #] [# /при поддержке #] [# #продажи #]

[# имя #] обслуживается дилером по адресу [# адрес.страна #] ..

[# #адрес #]

[# # address.lines #]

[#. #]

[# /address.lines #]
[# # address.tel #]

тел. [# address.tel #]

[# /address.tel #] [# # address.fax #]

Факс: [# address.fax #]

[# /адрес.факс №] [# # address.email #]

Электронная почта: [# address.email #]

[# /address.email #] [# # address.url #]

На сайт

[# /address.url #]

[# /адрес #] [# /продажи #] [# #sales_partner #]

[# name #] обслуживается партнером по продажам в [# sales_partner.country #] ..

[# #адрес #]

[# # address.lines #]

[#. #]

[# /address.lines #]
[# # address.tel #]

тел. [# address.tel #]

[# /address.tel #] [# # address.fax #]

Факс: [# address.fax #]

[# /address.fax #] [# #адрес.Эл. адрес #]

Электронная почта: [# address.email #]

[# /address.email #] [# # address.url #]

На сайт

[# /address.url #]

[# /адрес #] [# / sales_partner #] [# #service_partner #]

[# name #] обслуживается партнером по обслуживанию в [# service_partner.country #] ..

[# #адрес #]

[# #адрес.строки #]

[#. #]

[# /address.lines #]
[# # address.tel #]

тел. [# address.tel #]

[# /address.tel #] [# # address.fax #]

Факс: [# address.fax #]

[# /address.fax #] [# # address.email #]

Электронная почта: [# address.email #]

[# /адрес.Эл. адрес #] [# # address.url #]

На сайт

[# /address.url #]

[# /адрес #] [# / service_partner #] [# #sales_service_partner #]

[# name #] обслуживается партнером по продажам и обслуживанию в [# sales_service_partner.country #] ..

[# #адрес #]

[# #адрес.строки #]

[#. #]

[# /address.lines #]
[# # address.tel #]

тел. [# address.tel #]

[# /address.tel #] [# # address.fax #]

Факс: [# address.fax #]

[# /address.fax #] [# # address.email #]

Электронная почта: [# address.email #]

[# /адрес.Эл. адрес #] [# # address.url #]

На сайт

[# /address.url #]

[# /адрес #] [# / sales_service_partner #] [# #recommended_dealer #]

[# name #] обслуживается Рекомендованным дилером в [# Recommended_dealer.country #] ..

[# #адрес #]

[# # address.lines #]

[#.#]

[# /address.lines #]
[# # address.tel #]

тел. [# address.tel #]

[# /address.tel #] [# # address.fax #]

Факс: [# address.fax #]

[# /address.fax #] [# # address.email #]

Электронная почта: [# address.email #]

[# /address.email #] [# #адрес.url #]

На сайт

[# /address.url #]

[# /адрес #] [# / Recommended_dealer #] [# #место нахождения #]

Контактные данные от [# name #]:

[# #адрес #]

[# # address.lines #]

[#. #]

[# /address.lines #]
[# #адрес.тел #]

тел. [# address.tel #]

[# /address.tel #] [# # address.fax #]

Факс: [# address.fax #]

[# /address.fax #] [# # address.email #]

Электронная почта: [# address.email #]

[# /address.email #] [# # address.url #]

На сайт

[# /address.url #]

[# /адрес #] [# /место нахождения #] Электродвигатель

— Энциклопедия Нового Света

Вращающееся магнитное поле как сумма магнитных векторов от трех фазных катушек

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в кинетическую.Обратная задача — преобразование кинетической энергии в электрическую — выполняется генератором или динамо-машиной. Во многих случаях два устройства различаются только своим применением и незначительными деталями конструкции, а некоторые приложения используют одно устройство для выполнения обеих ролей. Например, тяговые двигатели, используемые на локомотивах, часто выполняют обе задачи, если локомотив оснащен динамическими тормозами.

Большинство электродвигателей работают за счет электромагнетизма, но также существуют двигатели, основанные на других электромеханических явлениях, таких как электростатические силы и пьезоэлектрический эффект.Фундаментальный принцип, на котором основаны электромагнитные двигатели, заключается в том, что на любой токоведущий провод, находящийся внутри магнитного поля, действует механическая сила. Сила описывается законом силы Лоренца и перпендикулярна как проводу, так и магнитному полю.

Большинство магнитных двигателей являются вращающимися, но существуют и линейные двигатели. В роторном двигателе вращающаяся часть (обычно внутри) называется ротором, а неподвижная часть — статором. Ротор вращается, потому что провода и магнитное поле расположены так, что вокруг оси ротора создается крутящий момент.Двигатель содержит электромагниты, намотанные на раму. Хотя эту раму часто называют арматурой, этот термин часто используют ошибочно. Правильно, якорь — это та часть двигателя, на которую подается входное напряжение. В зависимости от конструкции машины в качестве якоря может выступать либо ротор, либо статор.

Двигатели постоянного тока

Электродвигатели различных типоразмеров. Ротор от маленького мотора постоянного тока 3В. У этого мотора 3 катушки, а на ближнем конце виден коммутатор.

Один из первых электромагнитных роторных двигателей был изобретен Майклом Фарадеем в 1821 году и состоял из свободно висящего провода, погруженного в бассейн с ртутью. Постоянный магнит был помещен в середину ртутной ванны. Когда через провод пропускался ток, он вращался вокруг магнита, показывая, что ток порождал круговое магнитное поле вокруг провода. Этот двигатель часто демонстрируется на школьных уроках физики, но иногда вместо токсичной ртути используется рассол (соленая вода).Это простейшая форма класса электродвигателей, называемых униполярными двигателями. Более поздняя доработка — Колесо Барлоу.

В другой ранней конструкции электродвигателя использовался поршень возвратно-поступательного действия внутри переключаемого соленоида; концептуально его можно рассматривать как электромагнитную версию двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Томас Давенпорт построил небольшой электродвигатель постоянного тока в 1834 году, используя его для управления игрушечным поездом по круговой дороге. Он получил на нее патент в 1837 году.

Современный двигатель постоянного тока был изобретен случайно в 1873 году, когда Зеноб Грамм соединил вращающуюся динамо-машину со вторым аналогичным устройством, приведя его в действие как двигатель.Машина Грамма была первым промышленно полезным электродвигателем; более ранние изобретения использовались в качестве игрушек или лабораторных диковинок.

Классический двигатель постоянного тока имеет вращающийся якорь в виде электромагнита. Поворотный переключатель, называемый коммутатором, меняет направление электрического тока дважды за цикл, чтобы он протекал через якорь, так что полюса электромагнита толкаются и притягиваются к постоянным магнитам на внешней стороне двигателя. Когда полюса электромагнита якоря проходят через полюсы постоянных магнитов, коммутатор меняет полярность электромагнита якоря.В этот момент переключения полярности импульс поддерживает классический двигатель в нужном направлении. (См. Диаграммы ниже.)

• Вращение двигателя постоянного тока

• Простой электродвигатель постоянного тока. Когда катушка запитана, вокруг якоря создается магнитное поле. Левая сторона якоря отодвигается от левого магнита и тянется вправо, вызывая вращение.

• Якорь продолжает вращаться.

• Когда якорь выравнивается по горизонтали, коммутатор меняет направление тока через катушку на противоположное, изменяя направление магнитного поля.Затем процесс повторяется.

Электродвигатель постоянного тока с возбуждением от возбуждения

Постоянные магниты на внешней стороне (статоре) двигателя постоянного тока могут быть заменены электромагнитами. Изменяя ток возбуждения, можно изменять соотношение скорость / крутящий момент двигателя. Обычно обмотка возбуждения размещается последовательно (последовательная обмотка) с обмоткой якоря для получения низкоскоростного двигателя с высоким крутящим моментом, параллельно (шунтирующая обмотка) с якорем для получения высокоскоростного двигателя с низким крутящим моментом, или имеют обмотку частично параллельно, а частично последовательно (составная обмотка) для баланса, обеспечивающего стабильную скорость в широком диапазоне нагрузок. Раздельное возбуждение также является обычным, с фиксированным напряжением поля, скорость регулируется изменением напряжения якоря. Дальнейшее уменьшение тока возбуждения возможно для получения еще более высокой скорости, но, соответственно, более низкого крутящего момента, что называется режимом «слабого поля».

Теория

Если вал двигателя постоянного тока вращается под действием внешней силы, двигатель будет действовать как генератор и создавать электродвижущую силу (ЭДС). Это напряжение также генерируется при нормальной работе двигателя.Вращение двигателя создает напряжение, известное как противо-ЭДС (CEMF) или противо-ЭДС, поскольку оно противодействует приложенному напряжению на двигателе. Следовательно, падение напряжения на двигателе состоит из падения напряжения из-за этой CEMF и паразитного падения напряжения, возникающего из-за внутреннего сопротивления обмоток якоря.

Поскольку CEMF пропорциональна скорости двигателя, при первом запуске или полном останове электродвигателя CEMF отсутствует. Следовательно, ток через якорь намного выше.Этот высокий ток создаст сильное магнитное поле, которое запустит вращение двигателя. По мере вращения двигателя CEMF увеличивается до тех пор, пока не станет равным приложенному напряжению за вычетом паразитного падения напряжения. В этот момент через двигатель будет протекать меньший ток.

Регулировка скорости

Обычно скорость вращения двигателя постоянного тока пропорциональна приложенному к нему напряжению, а крутящий момент пропорционален току. Регулировка скорости может быть достигнута с помощью регулируемых выводов аккумуляторной батареи, переменного напряжения питания, резисторов или электронного управления.Направление двигателя постоянного тока с обмоткой возбуждения можно изменить, поменяв местами подключения возбуждения или якоря, но не то и другое вместе. Обычно это делается с помощью специального набора контакторов (контакторов направления).

Эффективное напряжение можно изменять, вставляя последовательный резистор или переключающее устройство с электронным управлением, состоящее из тиристоров, транзисторов или, ранее, ртутных дуговых выпрямителей. В цепи, известной как прерыватель, среднее напряжение, приложенное к двигателю, изменяется путем очень быстрого переключения напряжения питания.Поскольку отношение «включено» к «выключено» изменяется для изменения среднего приложенного напряжения, скорость двигателя изменяется. Процент времени включения, умноженный на напряжение питания, дает среднее напряжение, приложенное к двигателю.

Поскольку двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением развивает максимальный крутящий момент на низкой скорости, он часто используется в тяговых устройствах, таких как электровозы и трамваи. Другое применение — стартеры для бензиновых и небольших дизельных двигателей. Серийные двигатели никогда не должны использоваться в приложениях, где привод может выйти из строя (например, ременные передачи).По мере ускорения двигателя ток якоря (и, следовательно, возбуждения) уменьшается. Уменьшение поля заставляет двигатель ускоряться (см. «Слабое поле» в последнем разделе), пока он не разрушит себя. Это также может быть проблемой для железнодорожных двигателей в случае потери сцепления, поскольку, если быстро не взять под контроль двигатели, они могут развивать скорость намного выше, чем при нормальных обстоятельствах. Это может вызвать проблемы не только для самих двигателей и шестерен, но и из-за разницы скоростей между рельсами и колесами, это может также вызвать серьезные повреждения рельсов и ступеней колес, поскольку они быстро нагреваются и охлаждаются.Ослабление поля используется в некоторых электронных элементах управления для увеличения максимальной скорости электромобиля. В простейшей форме используется контактор и резистор ослабления поля, электронное управление контролирует ток двигателя и подключает резистор ослабления поля в цепь, когда ток двигателя уменьшается ниже заданного значения (это будет, когда двигатель работает на полной расчетной скорости). Как только резистор включен в цепь, двигатель увеличит скорость выше своей нормальной скорости при номинальном напряжении. Когда ток двигателя увеличивается, система управления отключает резистор и становится доступным крутящий момент на низкой скорости.

Одним из интересных методов управления скоростью двигателя постоянного тока является управление Уорда-Леонарда. Это метод управления двигателем постоянного тока (обычно с шунтирующей или составной обмоткой) и был разработан как метод обеспечения двигателя с регулируемой скоростью от источника переменного тока (переменного тока), хотя он не лишен своих преимуществ в схемах постоянного тока. Источник переменного тока используется для привода двигателя переменного тока, обычно асинхронного двигателя, который приводит в действие генератор постоянного тока или динамо-машину. Выход постоянного тока из якоря напрямую подключен к якорю двигателя постоянного тока (обычно идентичной конструкции).Шунтирующие обмотки возбуждения обеих машин постоянного тока возбуждаются через переменный резистор от якоря генератора. Этот переменный резистор обеспечивает исключительно хорошее управление скоростью от состояния покоя до полной скорости и постоянный крутящий момент. Этот метод управления был методом de facto с момента его разработки до момента его замены на твердотельные тиристорные системы. Она нашла применение практически в любой среде, где требовалось хорошее управление скоростью, от пассажирских лифтов до обмотки головок большой шахты и даже промышленного технологического оборудования и электрических кранов.Его основным недостатком было то, что для реализации схемы требовалось три машины (пять в очень больших установках, поскольку машины постоянного тока часто дублировались и управлялись тандемным переменным резистором). Во многих случаях установка мотор-генератор часто оставалась постоянно работающей, чтобы избежать задержек, которые в противном случае были бы вызваны ее запуском по мере необходимости. Есть множество устаревших установок Ward-Leonard, которые все еще используются.

Универсальные двигатели

Вариантом электродвигателя постоянного тока с обмоткой является универсальный электродвигатель . Название происходит от того факта, что он может использовать переменный ток или постоянный ток, хотя на практике они почти всегда используются с источниками переменного тока. Принцип заключается в том, что в двигателе постоянного тока с обмоткой поля ток как в поле, так и в якоре (и, следовательно, результирующие магнитные поля) будут чередоваться (обратная полярность) в одно и то же время, и, следовательно, генерируемая механическая сила всегда в одном и том же направлении. . На практике двигатель должен быть специально разработан для работы с переменным током (необходимо учитывать импеданс, а также пульсирующую силу), и получаемый в результате двигатель обычно менее эффективен, чем эквивалентный чистый двигатель DC .При работе на нормальных частотах линии электропередачи максимальная мощность универсальных двигателей ограничена, а двигатели мощностью более одного киловатта встречаются редко. Но универсальные двигатели также составляют основу традиционного железнодорожного тягового двигателя. В этом приложении для поддержания высокого электрического КПД они работали от очень низкочастотных источников переменного тока с частотой 25 Гц и 16 ² / ₃ Гц. Поскольку это универсальные двигатели, локомотивы, использующие эту конструкцию, также обычно могли работать от третьего рельса с питанием от постоянного тока.

Преимущество универсального двигателя заключается в том, что источники питания переменного тока могут использоваться на двигателях, которые имеют типичные характеристики двигателей постоянного тока, в частности, высокий пусковой момент и очень компактную конструкцию, если используются высокие скорости вращения. Отрицательный аспект — проблемы с обслуживанием и коротким сроком службы, вызванные коммутатором. В результате такие двигатели обычно используются в устройствах переменного тока, таких как миксеры для пищевых продуктов и электроинструменты, которые используются только с перерывами. Непрерывное управление скоростью универсального двигателя, работающего от переменного тока, очень легко достигается с помощью тиристорной схемы, в то время как ступенчатое регулирование скорости может быть выполнено с помощью нескольких отводов на катушке возбуждения.Бытовые блендеры, рекламирующие множество скоростей, часто сочетают в себе катушку возбуждения с несколькими ответвлениями и диод, который может быть вставлен последовательно с двигателем (в результате чего двигатель работает на полуволновом постоянном токе с 0,707 среднеквадратичного напряжения линии питания переменного тока).

В отличие от двигателей переменного тока, универсальные двигатели могут легко превышать один оборот за цикл сетевого тока. Это делает их полезными для таких приборов, как блендеры, пылесосы и фены, где требуется высокая скорость работы. Моторы многих пылесосов и триммеров для сорняков превышают 10 000 об / мин, Dremel и другие подобные миниатюрные измельчители часто превышают 30 000 об / мин.Теоретический универсальный двигатель, которому разрешено работать без механической нагрузки, будет превышать скорость, что может привести к его повреждению. В реальной жизни, однако, различное трение подшипников, «парусность» якоря и нагрузка любого встроенного охлаждающего вентилятора — все это предотвращает превышение скорости.

Из-за очень низкой стоимости полупроводниковых выпрямителей в некоторых приложениях, в которых раньше использовался универсальный двигатель, теперь используется чистый двигатель постоянного тока, обычно с полем постоянного магнита. Это особенно верно, если полупроводниковая схема также используется для регулирования скорости.

Преимущества универсального двигателя и распределения переменного тока сделали установку низкочастотной системы распределения тягового тока экономичной для некоторых железнодорожных установок. На достаточно низких частотах характеристики двигателя примерно такие же, как если бы двигатель работал от постоянного тока.

Двигатели переменного тока

В 1882 году Никола Тесла определил принцип вращающегося магнитного поля и впервые применил вращающееся силовое поле для работы машин.Он использовал этот принцип для разработки уникального двухфазного асинхронного двигателя в 1883 году. В 1885 году Галилео Феррарис независимо исследовал эту концепцию. В 1888 году Феррарис опубликовал свое исследование в докладе Королевской академии наук в Турине.

Введение двигателя Теслы с 1888 года и далее положило начало тому, что известно как Вторая промышленная революция, сделав возможным эффективное производство и распределение электроэнергии на большие расстояния с использованием системы передачи переменного тока, также изобретенной Тесла (1888 г.).До изобретения вращающегося магнитного поля двигатели работали, непрерывно пропуская проводник через постоянное магнитное поле (как в униполярных двигателях).

Тесла предположил, что коммутаторы из машины могут быть удалены, и устройство может работать во вращающемся силовом поле. Его учитель профессор Пошель заявил, что это было бы похоже на создание вечного двигателя. ^[1] Тесла позже получит патент США 0416194 (PDF), Электродвигатель (декабрь 1889 г.), который напоминает двигатель, изображенный на многих фотографиях Теслы.Этим классическим электромагнитным двигателем переменного тока был асинхронный двигатель .

Энергия статора	Энергия ротора	Всего поставлено энергии	Развиваемая мощность
10	90	100	900
50	50	100	2500

В асинхронном двигателе , поле и якорь в идеале имели равные напряженности поля, а сердечники поля и якоря были одинакового размера.Полная энергия, потребляемая для работы устройства, равнялась сумме энергии, затраченной на якорь и катушку возбуждения. ^[2] Мощность, развиваемая при работе устройства, равна произведению энергии, затраченной в катушках якоря и возбуждения. ^[3]

Михаил Осипович Доливо-Добровольский позже изобрел трехфазный «клеть-ротор» в 1890 году. Успешная коммерческая многофазная система генерации и передачи на большие расстояния была спроектирована Алмерианом Декером в Mill Creek No.1 ^[4] в Редлендс, Калифорния. ^[5]

Составные части и типы

Типичный двигатель переменного тока состоит из двух частей:

1. Внешний неподвижный статор с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля, и;
2. Внутренний ротор, прикрепленный к выходному валу, которому крутящий момент создается вращающимся полем.

В зависимости от типа используемого ротора существует два основных типа двигателей переменного тока:

• Синхронный двигатель, который вращается точно с частотой питающей сети или долей частоты питающей сети, и;
• Асинхронный двигатель, который вращается немного медленнее и обычно (хотя и не всегда) имеет форму двигателя с короткозамкнутым ротором.

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока мощностью 1 л.с. (746 Вт) и 25 Вт с небольшими двигателями от проигрывателя компакт-дисков, игрушек и привода считывателя компакт-дисков и DVD-дисков.

Там, где имеется многофазный источник питания, обычно используется трехфазный (или многофазный) асинхронный двигатель переменного тока, особенно для двигателей большей мощности. Разность фаз между тремя фазами многофазного источника питания создает вращающееся электромагнитное поле в двигателе.

Посредством электромагнитной индукции вращающееся магнитное поле индуцирует ток в проводниках в роторе, который, в свою очередь, создает уравновешивающее магнитное поле, которое заставляет ротор вращаться в направлении вращения поля.Ротор всегда должен вращаться медленнее, чем вращающееся магнитное поле, создаваемое многофазным источником питания; в противном случае в роторе не будет создаваться уравновешивающее поле.

Асинхронные двигатели являются рабочими лошадками промышленности, и двигатели мощностью до 500 кВт (670 лошадиных сил) производятся в строго стандартизированных типоразмерах, что делает их почти полностью взаимозаменяемыми между производителями (хотя стандартные размеры в Европе и Северной Америке различаются). Очень большие синхронные двигатели могут иметь выходную мощность в десятки тысяч кВт для трубопроводных компрессоров, приводов в аэродинамической трубе и наземных преобразовательных систем.

В асинхронных двигателях используются два типа роторов.

Роторы с короткозамкнутым ротором: В большинстве двигателей переменного тока используется ротор с короткозамкнутым ротором, который можно найти практически во всех бытовых и легких промышленных двигателях переменного тока. Беличья клетка получила свое название от своей формы — кольца на обоих концах ротора, с перемычками, соединяющими кольца по всей длине ротора. Обычно это литой алюминий или медь, залитые между железными пластинами ротора, и обычно видны только концевые кольца.Подавляющее большинство токов ротора будет проходить через стержни, а не через ламинаты с более высоким сопротивлением и обычно покрытые лаком. Очень низкие напряжения при очень высоких токах типичны для шин и концевых колец; В высокоэффективных двигателях часто используется литая медь, чтобы уменьшить сопротивление ротора.

В работе двигатель с короткозамкнутым ротором можно рассматривать как трансформатор с вращающейся вторичной обмоткой — когда ротор не вращается синхронно с магнитным полем, индуцируются большие токи ротора; большие токи ротора намагничивают ротор и взаимодействуют с магнитными полями статора, чтобы синхронизировать ротор с полем статора.Двигатель с короткозамкнутым ротором без нагрузки при синхронной скорости будет потреблять электроэнергию только для поддержания скорости ротора с учетом потерь на трение и сопротивление; по мере увеличения механической нагрузки будет увеличиваться и электрическая нагрузка — электрическая нагрузка по своей природе связана с механической нагрузкой. Это похоже на трансформатор, где электрическая нагрузка первичной обмотки связана с электрической нагрузкой вторичной обмотки.

Вот почему, например, двигатель вентилятора с короткозамкнутым ротором может приглушать свет в доме при запуске, но не приглушает свет, когда его вентиляторный ремень (и, следовательно, механическая нагрузка) снимается.Кроме того, остановившийся двигатель с короткозамкнутым ротором (перегруженный или с заклинившим валом) будет потреблять ток, ограниченный только сопротивлением цепи, при попытке запуска. Если что-то еще не ограничивает ток (или не отключает его полностью), вероятным результатом является перегрев и разрушение изоляции обмотки.

Практически каждая стиральная машина, посудомоечная машина, отдельный вентилятор, проигрыватель и т. Д. Использует какой-либо вариант двигателя с короткозамкнутым ротором.

Ротор с обмоткой: Альтернативная конструкция, называемая ротором с обмоткой, используется, когда требуется регулировка скорости.В этом случае ротор имеет такое же количество полюсов, что и статор, а обмотки выполнены из проволоки, соединенной с контактными кольцами на валу. Угольные щетки подключают контактные кольца к внешнему контроллеру, например, к переменному резистору, который позволяет изменять скорость скольжения двигателя. В некоторых мощных приводах с регулируемой скоростью вращения ротора энергия частоты скольжения улавливается, выпрямляется и возвращается в источник питания через инвертор.

По сравнению с роторами с короткозамкнутым ротором, двигатели с фазным ротором дороги и требуют обслуживания контактных колец и щеток, но они были стандартной формой для регулирования скорости до появления компактных силовых электронных устройств.Транзисторные инверторы с частотно-регулируемым приводом теперь можно использовать для управления скоростью, а двигатели с фазным ротором становятся все реже. (Транзисторные инверторные приводы также позволяют использовать более эффективные трехфазные двигатели, когда доступен только однофазный сетевой ток, но это никогда не используется в бытовых приборах, поскольку может вызывать электрические помехи и из-за высоких требований к мощности.)

Используются несколько способов запуска многофазного двигателя. Там, где допустимы большой пусковой ток и высокий пусковой момент, двигатель можно запустить через линию, подав полное линейное напряжение на клеммы (Direct-on-line, DOL).Там, где необходимо ограничить пусковой пусковой ток (если двигатель большой по сравнению с мощностью короткого замыкания источника питания), используется пуск с пониженным напряжением с использованием последовательных катушек индуктивности, автотрансформатора, тиристоров или других устройств. Иногда используется метод пуска со звезды на треугольник, когда катушки двигателя сначала соединяются звездой для ускорения нагрузки, а затем переключаются на треугольник, когда нагрузка достигает скорости. Этот метод более распространен в Европе, чем в Северной Америке.Транзисторные приводы могут напрямую изменять приложенное напряжение в зависимости от пусковых характеристик двигателя и нагрузки.

Этот тип двигателя становится все более распространенным в тяговых приложениях, таких как локомотивы, где он известен как асинхронный тяговый двигатель.

Скорость в этом типе двигателя традиционно изменялась за счет наличия дополнительных наборов катушек или полюсов в двигателе, которые можно включать и выключать для изменения скорости вращения магнитного поля. Однако развитие силовой электроники означает, что частота источника питания теперь также может быть изменена, чтобы обеспечить более плавное управление скоростью двигателя.

Трехфазные синхронные двигатели переменного тока

Если соединения с обмотками ротора трехфазного двигателя сняты на контактных кольцах и подают отдельный ток возбуждения для создания непрерывного магнитного поля (или если ротор состоит из постоянного магнита), результат называется синхронным. двигатель, потому что ротор будет вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым многофазным источником питания.

Синхронный двигатель также может использоваться как генератор переменного тока.

В настоящее время синхронные двигатели часто приводятся в действие транзисторными частотно-регулируемыми приводами. Это значительно облегчает запуск массивного ротора большого синхронного двигателя. Они также могут запускаться как асинхронные двигатели с использованием обмотки с короткозамкнутым ротором, которая имеет общий ротор: как только двигатель достигает синхронной скорости, ток в обмотке с короткозамкнутым ротором не индуцируется, поэтому он мало влияет на синхронную работу двигателя. , помимо стабилизации скорости двигателя при изменении нагрузки.

Синхронные двигатели иногда используются в качестве тяговых двигателей.

Двухфазные серводвигатели переменного тока

Типичный двухфазный серводвигатель переменного тока имеет короткозамкнутый ротор и поле, состоящее из двух обмоток: 1) главной обмотки постоянного напряжения (AC) и 2) обмотки управляющего напряжения (AC) в квадратуре с основная обмотка так, чтобы создавать вращающееся магнитное поле. Электрическое сопротивление ротора намеренно повышено, чтобы кривая скорость-крутящий момент была достаточно линейной.Двухфазные серводвигатели по своей сути являются высокоскоростными устройствами с низким крутящим моментом, которые в значительной степени приспособлены для управления нагрузкой.

Однофазные асинхронные двигатели переменного тока

Трехфазные двигатели по своей природе создают вращающееся магнитное поле. Однако, когда доступна только однофазная мощность, вращающееся магнитное поле должно создаваться другими способами. Обычно используются несколько методов.

Обычным однофазным двигателем является двигатель с экранированными полюсами, который используется в устройствах, требующих низкого крутящего момента, таких как электрические вентиляторы или другие небольшие бытовые приборы.В этом двигателе небольшие одновитковые медные «затеняющие катушки» создают движущееся магнитное поле. Часть каждого полюса окружена медной катушкой или лентой; индуцированный ток в перемычке противодействует изменению потока через катушку (закон Ленца), так что максимальная напряженность поля перемещается через поверхность полюса в каждом цикле, создавая необходимое вращающееся магнитное поле.

Другой распространенный однофазный двигатель переменного тока — это асинхронный двигатель с расщепленной фазой , обычно используемый в основных бытовых приборах, таких как стиральные машины и сушилки для одежды.По сравнению с двигателями с экранированными полюсами эти двигатели обычно могут обеспечивать гораздо больший пусковой крутящий момент за счет использования специальной пусковой обмотки в сочетании с центробежным переключателем.

В электродвигателях с расщепленной фазой пусковая обмотка спроектирована с более высоким сопротивлением, чем рабочая обмотка. Это создает цепь LR, которая немного сдвигает фазу тока в пусковой обмотке. Когда двигатель запускается, пусковая обмотка подключается к источнику питания через набор подпружиненных контактов, на которые нажимает еще не вращающийся центробежный переключатель.

Фаза магнитного поля в этой пусковой обмотке сдвинута по сравнению с фазой сетевого питания, что позволяет создать движущееся магнитное поле, которое запускает двигатель. Когда двигатель достигает скорости, близкой к расчетной, срабатывает центробежный выключатель, размыкая контакты и отсоединяя пусковую обмотку от источника питания. В этом случае двигатель работает только на ходовой обмотке. Пусковую обмотку необходимо отключить, так как это приведет к увеличению потерь в двигателе.

В конденсаторном пусковом двигателе , пусковой конденсатор вставлен последовательно с пусковой обмоткой, создавая LC-цепь, которая способна к гораздо большему фазовому сдвигу (и, следовательно, гораздо большему пусковому крутящему моменту). Конденсатор, естественно, увеличивает стоимость таких двигателей.

Другой вариант — двигатель с постоянным разделенным конденсатором (PSC) (также известный как конденсаторный двигатель запуска и работы). Этот двигатель работает аналогично двигателю с конденсаторным пуском, описанному выше, но здесь нет переключателя центробежного пуска, а вторая обмотка постоянно подключена к источнику питания.Двигатели PSC часто используются в кондиционерах, вентиляторах и воздуходувках, а также в других случаях, когда требуется регулируемая скорость.

Отталкивающие двигатели — однофазные двигатели переменного тока с фазным ротором, аналогичные универсальным двигателям. В отталкивающем двигателе щетки якоря закорочены вместе, а не соединены последовательно с полем. Было произведено несколько типов отталкивающих двигателей, но наиболее часто использовался асинхронный двигатель с отталкивающим пуском и индукционным приводом (RS-IR).Двигатель RS-IR оснащен центробежным переключателем, который замыкает все сегменты коммутатора, так что двигатель работает как асинхронный после разгона до полной скорости. Двигатели RS-IR используются для обеспечения высокого пускового момента на ампер в условиях низких рабочих температур и плохого регулирования напряжения источника. По состоянию на 2006 год продано немного отталкивающих двигателей любого типа.

Однофазные синхронные двигатели переменного тока

Небольшие однофазные двигатели переменного тока также могут быть спроектированы с намагниченными роторами (или несколькими вариантами этой идеи).Роторы в этих двигателях не требуют индуцированного тока, поэтому они не скользят назад против частоты сети. Вместо этого они вращаются синхронно с частотой сети. Из-за высокой точности скорости такие двигатели обычно используются для питания механических часов, проигрывателей виниловых пластинок и ленточных накопителей; раньше они также широко использовались в приборах точного времени, таких как ленточные самописцы или механизмы привода телескопов. Синхронный двигатель с расщепленными полюсами — это одна из версий.

Моментные двигатели

Моментный двигатель — это особый вид асинхронного двигателя, который может работать неограниченное время при остановке (с заблокированным от вращения ротором) без повреждений.В этом режиме двигатель будет прикладывать постоянный крутящий момент к нагрузке (отсюда и название). Обычное применение моментного двигателя — это двигатели подающей и приемной катушек в ленточном накопителе. В этом приложении, приводимые в действие низким напряжением, характеристики этих двигателей позволяют приложить к ленте относительно постоянное легкое натяжение независимо от того, протягивает ли ведущую ленту мимо головок ленты. Управляемые более высоким напряжением (и, следовательно, обеспечивающие более высокий крутящий момент), моментные двигатели также могут работать в режиме быстрой перемотки вперед и назад, не требуя каких-либо дополнительных механизмов, таких как шестерни или муфты.В компьютерном мире моментные двигатели используются с рулевыми колесами с обратной связью по усилию.

Шаговые двигатели

По конструкции тесно связаны с трехфазными синхронными двигателями переменного тока шаговые двигатели, в которых внутренний ротор, содержащий постоянные магниты или большой железный сердечник с выступающими полюсами, управляется набором внешних магнитов, которые переключаются электронно. Шаговый двигатель также можно рассматривать как нечто среднее между электродвигателем постоянного тока и соленоидом. Поскольку каждая катушка поочередно получает питание, ротор выравнивается с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения под напряжением.В отличие от синхронного двигателя, в его применении двигатель не может вращаться непрерывно; вместо этого он «шагает» из одного положения в другое, поскольку обмотки возбуждения последовательно включаются и отключаются. В зависимости от последовательности ротор может вращаться вперед или назад.

Двигатель с постоянными магнитами

Двигатель с постоянными магнитами аналогичен обычному двигателю постоянного тока, за исключением того факта, что обмотка возбуждения заменена постоянными магнитами. Таким образом, двигатель будет действовать как двигатель постоянного тока с постоянным возбуждением (двигатель постоянного тока с независимым возбуждением).

Эти двигатели обычно имеют небольшую мощность, до нескольких лошадиных сил. Они используются в небольших приборах, транспортных средствах с батарейным питанием, в медицинских целях, в другом медицинском оборудовании, таком как рентгеновские аппараты. Эти двигатели также используются в игрушках и в автомобилях в качестве вспомогательных двигателей для регулировки сиденья, электрических стеклоподъемников, люка в крыше, регулировки зеркал, электродвигателей вентилятора, вентиляторов охлаждения двигателя и т.п.

Последние разработки — двигатели ПСМ для электромобилей.- Высокая эффективность — Минимальный фиксирующий момент и крутящий момент неровности поверхности — Небольшая занимаемая площадь, компактные размеры — Низкий вес источник [3]

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Многие ограничения классического коллекторного двигателя постоянного тока связаны с необходимостью прижимания щеток к коммутатору. Это создает трение. На более высоких скоростях щеткам становится все труднее поддерживать контакт. Щетки могут отскакивать от неровностей поверхности коллектора, создавая искры.Это ограничивает максимальную скорость машины. Плотность тока на единицу площади щеток ограничивает мощность двигателя. Неидеальный электрический контакт также вызывает электрические помехи. Щетки со временем изнашиваются и требуют замены, а сам коллектор подлежит износу и техническому обслуживанию. Сборка коммутатора на большой машине — дорогостоящий элемент, требующий точной сборки многих деталей.

Эти проблемы устранены в бесщеточном двигателе. В этом двигателе механический «вращающийся переключатель» или узел коммутатора / щеточного устройства заменен внешним электронным переключателем, синхронизированным с положением ротора.Бесщеточные двигатели обычно имеют КПД 85-90 процентов, тогда как двигатели постоянного тока с щеткой обычно имеют КПД 75-80 процентов.

На полпути между обычными двигателями постоянного тока и шаговыми двигателями лежит область бесщеточных двигателей постоянного тока. Построенные аналогично шаговым двигателям, они часто используют внешний ротор с постоянным магнитом , три фазы управляющих катушек, одно или несколько устройств на эффекте Холла для определения положения ротора и соответствующую приводную электронику. В специализированном классе контроллеров бесщеточных двигателей постоянного тока для определения положения и скорости используется обратная связь по ЭДС через основные фазовые соединения вместо датчиков Холла.Эти двигатели широко используются в электрических радиоуправляемых транспортных средствах и упоминаются моделистами как двигатели outrunner (поскольку магниты находятся снаружи).

Бесщеточные двигатели постоянного тока обычно используются там, где требуется точное управление скоростью, в дисководах компьютеров или в видеомагнитофонах, шпинделях в приводах компакт-дисков, компакт-дисков (и т. Д.), А также в механизмах офисных изделий, таких как вентиляторы, лазерные принтеры и копировальные аппараты. . У них есть несколько преимуществ перед обычными моторами:

• По сравнению с вентиляторами переменного тока, использующими двигатели с экранированными полюсами, они очень эффективны и работают намного холоднее, чем эквивалентные двигатели переменного тока.Такой холодный режим работы приводит к значительному увеличению срока службы подшипников вентилятора.
• Без изнашиваемого коммутатора срок службы бесщеточного двигателя постоянного тока может быть значительно больше по сравнению с двигателем постоянного тока, использующим щетки и коммутатор. Коммутация также имеет тенденцию вызывать большое количество электрических и радиочастотных помех; без коммутатора или щеток бесщеточный двигатель может использоваться в электрически чувствительных устройствах, таких как звуковое оборудование или компьютеры.
• Те же устройства на эффекте Холла, которые обеспечивают коммутацию, также могут обеспечивать удобный сигнал тахометра для приложений с замкнутым контуром (сервоуправлением).В вентиляторах сигнал тахометра может использоваться для получения сигнала «вентилятор исправен».
• Двигатель можно легко синхронизировать с внутренними или внешними часами, что позволяет точно регулировать скорость.
• Бесщеточные двигатели не имеют шансов на искрение, в отличие от щеточных двигателей, что делает их более подходящими для сред с летучими химическими веществами и топливом.

Современные бесщеточные двигатели постоянного тока имеют мощность от долей ватта до многих киловатт. В электромобилях используются более мощные бесщеточные двигатели мощностью до 100 кВт.Они также находят значительное применение в высокопроизводительных электрических моделях самолетов.

Двигатели постоянного тока без сердечника

Ничто в конструкции любого из описанных выше двигателей не требует, чтобы железные (стальные) части ротора действительно вращались; крутящий момент действует только на обмотки электромагнитов. Этим фактом пользуется бесщеточный электродвигатель постоянного тока , специализированная форма щеточного электродвигателя постоянного тока. Эти двигатели, оптимизированные для быстрого разгона, имеют ротор без железного сердечника.Ротор может иметь форму заполненного обмоткой цилиндра внутри магнитов статора, корзины, окружающей магниты статора, или плоского блина (возможно, сформированного на печатной монтажной плате), проходящего между верхним и нижним магнитами статора. Обмотки обычно стабилизируются путем пропитки эпоксидной смолой.

Поскольку ротор намного легче по весу (массе), чем обычный ротор, сформированный из медных обмоток на стальных пластинах, ротор может ускоряться намного быстрее, часто достигая механической постоянной времени менее 1 мс.Это особенно верно, если в обмотках используется алюминий, а не более тяжелая медь. Но поскольку в роторе нет металлической массы, которая могла бы служить радиатором, даже небольшие двигатели без сердечника часто должны охлаждаться принудительным воздухом.

Эти двигатели обычно использовались для привода приводов магнитных лент и до сих пор широко используются в высокопроизводительных системах с сервоуправлением.

Двигатели линейные

Линейный двигатель — это, по сути, электродвигатель, который «раскручен» так, что вместо создания крутящего момента (вращения) он создает линейную силу по всей своей длине, создавая бегущее электромагнитное поле.

Линейные двигатели чаще всего представляют собой асинхронные двигатели или шаговые двигатели. Вы можете найти линейный двигатель в поезде на магнитной подвеске (Transrapid), где поезд «летит» над землей.

Электродвигатель с двойным питанием

Электродвигатели с двойным питанием или Электромашины с двойным питанием включают в себя две группы многофазных обмоток с независимым питанием, которые активно участвуют в процессе преобразования энергии (т. скорость от субсинхронной до сверхсинхронной.В результате электродвигатели с двойной подачей питания представляют собой синхронные машины с эффективным диапазоном скорости с постоянным крутящим моментом, который в два раза превышает синхронную скорость для данной частоты возбуждения. Это вдвое больше диапазона скоростей с постоянным крутящим моментом, чем у электрических машин с одиночным питанием, в которых используется одна активная обмотка. Теоретически этот атрибут имеет привлекательные разветвления по стоимости, размеру и эффективности по сравнению с электрическими машинами с одинарным питанием, но двигатели с двойным питанием трудно реализовать на практике.

Электромашины с двойным питанием и бесщеточным ротором с двойным питанием, бесщеточные электрические машины с двойным питанием и так называемые бесщеточные электрические машины с двойным питанием — единственные примеры синхронных электрических машин с двойным питанием.

Электродвигатель с однополярным питанием

Электродвигатели с однополярным питанием или электрические машины с однополярным питанием включают в себя набор с одной многофазной обмоткой, которые активно участвуют в процессе преобразования энергии (т. Е. С однополярным питанием). Электромашины с однополярным питанием работают либо по индукционным (т.е. асинхронным), либо по синхронным принципам. Комплект активной обмотки может иметь электронное управление для оптимальной производительности. Индукционные машины демонстрируют пусковой момент и могут работать как автономные машины, но синхронные машины должны иметь вспомогательные средства для запуска и практической работы, такие как электронный контроллер.

Асинхронные двигатели (т. Е. С короткозамкнутым ротором или с фазным ротором), синхронные двигатели (т. Е. С возбуждением от поля, двигатели с постоянным магнитом или бесщеточные двигатели постоянного тока, реактивные двигатели и т. Д.), Которые обсуждаются на этой странице, являются примеры двигателей с однополярным питанием. Безусловно, двигатели с однополярным питанием — это преимущественно устанавливаемые двигатели.

Двигатель с двумя механическими портами

Электродвигатели с двумя механическими портами (или электродвигатели DMP) считаются новой концепцией электродвигателей.Точнее, электродвигатели DMP — это на самом деле два электродвигателя (или генератора), занимающие один и тот же корпус. Каждый двигатель работает по традиционным принципам электродвигателя. Электрические порты, которые могут включать в себя электронную опору электродвигателей, связаны с одним электрическим портом, в то время как два механических порта (вала) доступны снаружи. Теоретически ожидается, что физическая интеграция двух двигателей в один увеличит удельную мощность за счет эффективного использования в противном случае ненужной площади магнитного сердечника.Механика интеграции, например, для двух механических валов, может быть довольно экзотической.

Наномотор с нанотрубками

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли разработали подшипники вращения на основе многослойных углеродных нанотрубок. Прикрепив золотую пластину (размером порядка 100 нм) к внешней оболочке подвешенной многослойной углеродной нанотрубки (например, вложенных углеродных цилиндров), они могут электростатически вращать внешнюю оболочку относительно внутреннего ядра.Эти подшипники очень прочные; Устройства колебались тысячи раз без признаков износа. Работа была сделана на месте в SEM. Эти наноэлектромеханические системы (НЭМС) являются следующим шагом в миниатюризации, которая в будущем может найти свое применение в коммерческих целях.

На этом рендере можно увидеть процесс и технологию.

Пускатели двигателя

Противо-ЭДС помогает сопротивлению якоря ограничивать ток через якорь. При первом подаче питания на двигатель якорь не вращается.В этот момент противоэдс равна нулю, и единственным фактором, ограничивающим ток якоря, является сопротивление якоря. Обычно сопротивление якоря двигателя меньше одного Ом; поэтому ток через якорь при подаче питания будет очень большим. Этот ток может вызвать чрезмерное падение напряжения, что повлияет на другое оборудование в цепи. Или просто отключите устройства защиты от перегрузки.

• Следовательно, возникает необходимость в дополнительном сопротивлении, включенном последовательно с якорем, для ограничения тока до тех пор, пока вращение двигателя не сможет создать противоэдс.По мере увеличения вращения двигателя сопротивление постепенно снижается.

Пускатель трехточечный

Входящая мощность обозначается как L1 и L2. Компоненты, обозначенные пунктирными линиями, образуют трехточечный стартер. Как следует из названия, есть только три соединения с пускателем. Подключения к якорю обозначены как A1 и A2. Концы катушки возбуждения (возбуждения) обозначены как F1. и F2. Для управления скоростью полевой реостат соединен последовательно с шунтирующим полем.Одна сторона линии соединена с рычагом стартера (на схеме обозначена стрелкой). Рычаг подпружинен, поэтому он вернется в положение «Выкл.», Которое не удерживается ни в каком другом положении.

• На первом этапе плеча полное линейное напряжение прикладывается к полю шунта. Поскольку полевой реостат обычно устанавливается на минимальное сопротивление, скорость двигателя не будет чрезмерной; кроме того, двигатель будет развивать большой пусковой крутящий момент.
• Стартер также соединяет электромагнит последовательно с шунтирующим полем.Он будет удерживать рычаг в положении, когда рычаг соприкасается с магнитом.
• Между тем это напряжение подается на шунтирующее поле, а пусковое сопротивление ограничивает прохождение тока к якорю.
• По мере того, как двигатель набирает скорость, нарастает противо-ЭДС, рычаг медленно перемещается в положение короткого замыкания.

Стартер четырехпозиционный

Четырехточечный стартер устраняет недостаток трехточечного стартера. В дополнение к тем же трем точкам, которые использовались с трехточечным стартером, другая сторона линии, L1, является четвертой точкой, подведенной к стартеру.Когда рычаг перемещается из положения «Выкл.», Катушка удерживающего магнита подключается к линии. Удерживающий магнит и пусковые резисторы работают так же, как и в трехпозиционном пускателе.

• Возможность случайного размыкания цепи возбуждения весьма мала. Четырехточечный пускатель обеспечивает защиту двигателя от обесточивания. В случае сбоя питания двигатель отключается от сети.

См. Также

Компоненты:

• Центробежный переключатель
• Коммутатор (электрический)
• Контактное кольцо

Ученые и инженеры:

Приложения:

• Пила настольная
• Электромобиль
• Коррекция коэффициента мощности

Другое:

• Электротехника
• Электрический элемент
• Электрогенератор
• Список тем по электронике
• Список технологий
• Теорема о максимальной мощности
• Мотор-генератор
• Контроллер мотора
• Способ движения
• Электроэнергия однофазная
• Хронология развития двигателей и двигателей

Примечания

1. ↑ Tesla’s Early Years PBS.org .
2. ↑ Патент США 0416194, «Электродвигатель», декабрь 1889 г.
3. ↑ Патент США 0416194, «Электродвигатель», декабрь 1889 г.
4. ↑ [1] electrichistory.com .
5. ↑ [2] redlandsweb.com .

Список литературы

• Бедфорд Б. Д., Р. Г. Хофт и др. 1964. Принципы инверторных цепей. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0471061344. (Для управления скоростью двигателя с регулируемой частотой используются схемы инвертора)
• Чиассон, Джон Н.2005. Моделирование и высокопроизводительное управление электрическими машинами. , Нью-Йорк, Нью-Йорк: Wiley-IEEE Press. ISBN 047168449X.
• Fink, Donald G .; Бити, Х. Уэйн (1978). Стандартный справочник для инженеров-электриков, одиннадцатое издание. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 007020974X.
• Фицджеральд, А. Э., Чарльз Кингсли младший, Стивен Д. Уманс. 2002. Электрические машины. Колумбус, Огайо: McGraw-Hill Science / Engineering / Math. ISBN 0073660094.
• Хьюстон, Эдвин Дж.; Артур Кеннелли, (1902) Последние типы динамо-электрических машин. , авторское право — American Technical Book Company 1897, Нью-Йорк, Нью-Йорк: P.F. Кольер и сыновья. ASIN: B000874XH6
• Купхальдт, Тони Р. Уроки электрических цепей — Том II. 2000-2006. Глава 13 ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. дата обращения 11 апреля 2006 г.
• Пелли, Б. Р. (1971). Тиристорные преобразователи с фазовым управлением и циклоконвертеры. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN 0471677906
• Шейнфилд Д.Дж. (2001). Промышленная электроника для инженеров, химиков и техников. Норвич, Нью-Йорк: Издательство Уильяма Эндрю. ISBN 0815514670.
• Смит, А.О. Электродвигатели переменного и постоянного тока. [4]. accessdate 11.04.2006

Внешние ссылки

Все ссылки получены 18 сентября 2017 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света Писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Что определяет скорость вращения двигателя?

Электродвигатели отличаются разнообразием и широким диапазоном типоразмеров. Существуют двигатели с дробной мощностью (л.с.) для небольших бытовых приборов и двигатели мощностью в тысячи л.с. для тяжелого промышленного использования. Другие характеристики, указанные на паспортных табличках двигателей, включают их входное напряжение, номинальный ток, энергоэффективность и скорость в об / мин.

Скорость вращения электродвигателя зависит от двух факторов: его физической конструкции и частоты (Гц) источника питания.Инженеры-электрики выбирают скорость двигателя в зависимости от потребностей каждого приложения, подобно тому, как механическая нагрузка определяет требуемую мощность.

---

Убедитесь, что в вашем здании есть подходящий электродвигатель для каждого применения.

---

Как частота напряжения соотносится со скоростью двигателя

В зависимости от страны источник питания будет иметь частоту 60 Гц или 50 Гц. Хотя трехфазный двигатель будет вращаться с обоими входами мощности, возникнут проблемы с производительностью, если двигатель указан для одной частоты и будет использоваться с другой.

Поскольку источник напряжения 60 Гц переключает полярность на 20% быстрее, чем источник питания 50 Гц, двигатель, рассчитанный на 50 Гц, будет вращаться на 20% выше об / мин. Крутящий момент двигателя остается относительно постоянным, а более высокая скорость приводит к более высокой мощности на валу. Двигатель также выделяет больше тепла, но охлаждающий вентилятор также ускоряется вместе с валом, помогая отводить лишнее тепло. Двигатель также имеет тенденцию потреблять больше реактивного тока, что снижает его коэффициент мощности.

Подключение двигателя 60 Гц к источнику питания 50 Гц — более тонкий вопрос.Снижение скорости при том же напряжении может привести к насыщению магнитопровода двигателя, увеличению тока и перегреву агрегата. Самый простой способ предотвратить насыщение — снизить входное напряжение, и в идеале соотношение В / Гц должно оставаться постоянным:

• Двигатель 60 Гц, работающий при 50 Гц, имеет 83,3% номинальной частоты.
• Чтобы поддерживать постоянное соотношение В / Гц, входное напряжение также следует уменьшить до 83,3%.
• Если электродвигатель обычно работает при 240 В и 60 Гц, входное напряжение при 50 Гц должно быть 200 В, чтобы соотношение составляло 4 В / Гц.

Электропроводка двигателя и количество полюсов

Постоянный магнит имеет два полюса, но двигатели могут быть подключены так, чтобы их магнитное поле имело большее количество полюсов. Двухполюсный двигатель совершает полный оборот с одним изменением полярности, в то время как четырехполюсный двигатель вращается только на 180 ° с одним переключателем полярности. Чем больше полюсов, тем ниже скорость двигателя: если все остальные факторы равны, 4-полюсный электродвигатель будет вращаться со скоростью, вдвое меньшей, чем 2-полюсный электродвигатель.

• Источник питания 60 Гц меняет полярность 60 раз в секунду, а двухполюсный двигатель будет вращаться со скоростью 3600 об / мин при подключении к этому источнику.Четырехполюсный двигатель будет вращаться только со скоростью 1800 об / мин.
• Для двигателей с частотой 50 Гц скорость составляет 3000 об / мин с 2 полюсами и 1500 об / мин с 4 полюсами.

Эту концепцию можно резюмировать следующим уравнением:

Используя это уравнение, 4-полюсный двигатель с частотой 60 Гц имеет скорость 1800 об / мин, а 6-полюсный двигатель с частотой 50 Гц имеет скорость 1000 об / мин. Однако на самом деле это скорость магнитного поля, называемая синхронной скоростью, которая не всегда равна скорости вала.

• В синхронном двигателе , ротор использует постоянный магнит или электромагнит для вращения с расчетной скоростью.
• С другой стороны, асинхронный двигатель будет работать немного ниже расчетной скорости вращения. Так работает электромагнитная индукция, и ее не следует рассматривать как неисправность.

Если электродвигатель имеет скорость вращения на паспортной табличке 1800 об / мин, можно сделать вывод, что это 4-полюсный синхронный двигатель, рассчитанный на 60 Гц.С другой стороны, если скорость на паспортной табличке имеет меньшее значение, например 1760 об / мин, это асинхронный двигатель.

Преобразователь частоты может управлять скоростью двигателя, регулируя входную частоту, как следует из его названия. ЧРП также может модулировать напряжение, чтобы поддерживать соотношение В / Гц ниже точки, в которой магнитный сердечник насыщается. Благодаря этой функции частотно-регулируемый привод не повреждает двигатель, даже если скорость снижается ниже значения, указанного на паспортной табличке. Основным недостатком частотно-регулируемых приводов являются гармонические искажения, поскольку они являются нелинейными нагрузками, но это можно компенсировать с помощью фильтров гармоник.

Электродвигатели | Урок | Академия роботов

Основным физическим принципом, лежащим в основе всех электродвигателей, является магнетизм. Итак, давайте быстро рассмотрим, что мы знаем о магнитах.

У каждого магнита есть южный полюс и северный полюс, так называемый, потому что северный полюс притягивается к северному полюсу нашей планеты. Если я соединю два магнита вот так, мы узнаем, что противоположные полюса притягиваются, а подобные полюса отталкиваются. А теперь давайте представим, что мы берем два магнита, кладем один на другой и прикрепляем их булавками так, чтобы верхний магнит мог свободно вращаться.Затем происходит то, что одинаковые полюса отталкиваются, и верхний магнит имеет тенденцию вращаться, так что северный полюс верхнего магнита лежит над южным полюсом нижнего магнита.

Это основной принцип роторных электродвигателей. Давайте повторим предыдущий пример, и верхний магнит снова повернется. А когда он почти остановился, мы делаем трюк и переворачиваем нижний магнит.

Итак, теперь это выглядит так. И теперь верхний магнит будет продолжать вращаться, так что его северный полюс будет притягиваться к южному полюсу, и затем мы снова проделаем тот же трюк.

Таким образом, мы можем держать верхний магнит вращающимся бесконечно, и этот трюк называется коммутацией. Это основополагающий принцип всех электрических роторных двигателей. Итак, это очень похоже на то, как собака гоняется за хвостом. Он никогда не доберется до места назначения. Когда верхний магнит приближается к месту назначения, мы меняем его и продолжаем делать это снова и снова.

Вот изображение первого в истории электродвигателя. Он был изобретен в 1827 году в Венгрии. Это было почти 200 лет назад.Итак, основные компоненты этого электродвигателя — это, во-первых, Статор. Это стационарный электромагнит, который здесь выделен, а вектор магнитного поля у него обозначен красным.

Теперь есть еще один электромагнит, и он вращается. Мы называем это ротором, и у него есть магнитное поле, обозначенное синим вектором. Законы магнитного притяжения и отталкивания заставляют ротор вращаться так, что магнитные поля выравниваются. Когда магнитные поля почти выровнены, коммутатор меняет направление тока, протекающего через электромагнит ротора, который меняет направление магнитного поля, так что ротор продолжает вращаться, чтобы, опять же, попытаться выровнять его магнитное поле с магнитным полем статора, и это процесс повторяется бесконечно.Итак, коммутатор — это ключевое нововведение, которое позволяет вращающемуся электродвигателю работать.

Если мы посмотрим на современный электродвигатель, то увидим, что у него точно такие же компоненты. Он имеет стационарный электромагнит, который мы называем статором. Он имеет вращающийся электромагнит, который мы называем ротором. И на этом конце двигателя у нас есть коммутатор. Современные электродвигатели отличаются низкой стоимостью, компактностью и надежностью. Мы можем рассматривать их как устройство, которое преобразует ток, протекающий в двигатель, в крутящий момент, приложенный к выходному валу двигателя, и это соотношение является линейным.Альтернативный способ рассмотреть электродвигатель — это устройство, которое преобразует входное напряжение в омега скорости вращения, которая является скоростью вращения выходного вала двигателя.

Двигатели, которые мы обсуждали до сих пор, являются роторными. То есть на выходе получается вращательное движение. Но часто в реальных приложениях нам требуется линейное движение, а не вращательное движение. Есть несколько способов добиться этого. Один из них — преобразовать вращательное движение вращающегося электродвигателя в линейное движение с помощью зубчатой ​​рейки.Альтернативой является линейный электродвигатель или линейный привод. И в этом типе устройства вал перемещается в корпус привода и выходит из него, как в гидравлических и пневматических приводах, которые мы рассматривали ранее.

Вот пример современного электродвигателя. Эти устройства очень эффективны, очень надежны и очень и очень дешевы. Это роторный двигатель. Итак, когда я пропускаю ток по этим проводам, выходной вал вращается либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки.

Вот пример интегрированного узла двигателя и энкодера. Итак, в передней части находится двигатель постоянного тока, а здесь выходной вал. А сзади находится инкрементальный энкодер, который дает контроллеру сигнал о том, в каком направлении и с какой скоростью вращается двигатель. Здесь у нас еще более интегрированная сборка. Здесь есть электродвигатель. Есть редуктор и инкрементальный энкодер на этом конце сборки. Таким образом, это довольно распространенное устройство во многих роботах в системах мехатроники, в интегрированном двигателе-редукторе и сборке энкодера.

Наконец, у нас есть пример серводвигателя для хобби-класса, и это одно из колесных приводов маленького робота, которого я создавал. Это даже более интегрированная сборка, чем предыдущая, на которую мы смотрели. Он содержит электродвигатель, коробку передач, энкодер и небольшой компьютер, который фактически управляет двигателем, и двигатель управляет сигналами, проходящими через него, трехжильным кабелем, который обеспечивает питание, а также сигналом управления скоростью.

Электродвигатель — Технический центр Эдисона

В электродвигатель был впервые разработан в 1830-х годах, через 30 лет после первая батарея.Интересно, что мотор был разработан до появления первых динамо-машина или генератор.

Выше: Первый мотор Davenport

1.) История и изобретатели: 1834 — Томас Дэвенпорт из Вермонта разработал первый настоящий электродвигатель («настоящее» значение достаточно мощный, чтобы выполнить задачу) хотя Джозеф Генри и Майкл Фарадей создал ранние устройства движения с использованием электромагнитных полей.Ранние «моторы» создавали вращающиеся диски или рычаги, которые качался взад и вперед. Эти устройства не могли сделать никакой работы для человечества. но были важны для того, чтобы проложить путь к лучшим двигателям в будущем. Различные двигатели Давенпорта были возможность запускать модельную тележку по круговой колее и другие задачи. Позже тележка оказалась первым важным приложением. электроэнергии (это была не лампочка).Рудиментарный полноразмерные электрические тележки были наконец построены через 30 лет после смерти Давенпорта в 1850-х годах. Влияние электродвигателя на мир перед лампочками: Тележки и подключенные энергосистемы стоили очень дорого. строили, но перевозили миллионы людей на работу в 1880-е годы. До рост электросети в 1890-х гг. большинство людей (средний и низкие классы) даже в городах не было электрического света в дом. Только в 1873 году электродвигатель наконец добился коммерческого успеха. С 1830-х годов тысячи инженеров-новаторов улучшили двигатели и создали много вариаций. См. Другие страницы для получения более подробной информации об огромной истории электродвигателя.

Выводы двигателя к генератору:
После слабые электродвигатели были разработаны Фарадеем и Генри, другой Первопроходец по имени Ипполит Пикси понял это, запустив двигаясь задом наперед, он мог создавать импульсы электричества.К 1860-м годам разрабатывались мощные генераторы. Электротехническая промышленность не могла начаться, пока генераторы были разработаны, потому что батареи не были экономичным способом получения энергии потребности общества. Подробнее о генераторах и динамо здесь>

2.) Как работают моторы Электродвигатели могут работать от переменного (AC) или постоянного (DC) тока.Двигатели постоянного тока были разработаны первыми и имеют определенные преимущества и недостатки. Каждый тип мотора работает по-разному, но все они используют силу электромагнитного поля. Мы поговорим об основных принципах электромагнитных полей. в двигателях, прежде чем вы сможете перейти к различным типам двигателей. переменного тока электродвигатели используют вторичную и первичную обмотку (магнит), первичную подключен к сети переменного тока (или непосредственно к генератору) и находится под напряжением.Вторичный получает энергию от первичной обмотки, не касаясь ее напрямую. Это делается с помощью сложные явления, известные как индукция. Справа: инженер работает над кастомными модификациями дрона-октокоптера. Восемь крошечных DC двигатели создают достаточно мощности, чтобы поднять килограммы полезной нагрузки. Более новые конструкции двигателей, подобные этому, используют редкоземельные металлы в статоре для создания более сильных магнитных полей в небольших и легких пакеты.

Выше: универсальный двигатель, обычно используемый в большинстве электроинструментов. Имеет тяжелый плотный ротор.	Выше: асинхронный двигатель может иметь «беличью клетку» или полый вращающийся катушка или тяжелый якорь.

2.a) Детали электродвигателя:

Есть много видов электродвигателей, но в целом они имеют похожие части. Каждый мотор имеет статор , который может быть постоянным магнитом (как показано выше в «универсальном двигателе») или намотанными изолированными проводами. (электромагнит, как на фото вверху справа). Ротор находится посередине (большую часть времени) и подлежит к магнитному полю создается статором.Ротор вращается, поскольку его полюса притягиваются и отталкиваются полюсами статора. Смотрите наши видео ниже, показывающее, как это работает. В этом видео рассматривается бесщеточный двигатель постоянного тока, ротор которого находится снаружи, в других двигателях. тот же принцип обратный, с электромагнитами снаружи. Видео (1 минута):

Мощность мотора:
Сила двигателя (крутящий момент) определяется напряжением и длина провода электромагнита в статоре, чем длиннее провод (что означает больше катушек в статоре), тем сильнее магнитное поле.Это означает больше мощности для повернуть ротор. Смотрите наше видео, которое относится как к генераторам, так и к двигателям. Узнать больше.

Арматура — вращающаяся часть двигателя — это раньше называлось ротором, это поддерживает вращающиеся медные катушки. На фото ниже вы не видите катушки, потому что они плотно заправлены в якорь. Гладкий корпус защищает катушки от повреждений.

Статор — Корпус и катушки, составляющие внешнюю часть двигателя. В статор создает стационарное магнитное поле.

Выше: В этом статоре отчетливо видны четыре отдельные катушки (якорь был удалено)

Обмотка или «Катушка» — медные провода, намотанные на сердечник для создания или получить электромагнитную энергию.

Провода, используемые в обмотки ДОЛЖНЫ быть изолированы. На некоторых фото вы увидите, что выглядит как обмотки из голого медного провода, это не так, это просто эмалированная с прозрачным покрытием.

Медь это самый распространенный материал для обмоток. Алюминий также используется но должен быть толще, чтобы нести такую ​​же электрическую безопасно загружать.Медные обмотки позволяют использовать двигатель меньшего размера. Подробнее о меди>

Перегорание мотора, устранение неисправностей:
Если двигатель работает слишком долго или с чрезмерной нагрузки, он может «сгореть». Это означает, что высокая температура вызвала изоляция обмотки может сломаться или оплавиться, а затем обмотки закорочены когда они касаются друг друга, и двигатель выходит из строя. Вы также можете сжечь двигатель, подав на него большее напряжение, чем обмоточные провода рассчитаны на.В этом случае проволока расплавится в самом слабом месте, разорвав соединение. Вы можете проверьте двигатель, чтобы увидеть, не перегорел ли он таким образом, проверив сопротивление (сопротивление) с помощью мультиметра. Как правило, при проверке двигателя вы должны искать черные метки на обмотках.

Squirrel Cage — вторая катушка в асинхронном двигателе, см. Ниже чтобы увидеть, как это работает
Индукция — генерация электродвижущей силы в замкнутом цепь изменяющимся магнитным потоком через цепь.В сети переменного тока уровень мощности повышается и понижается, это заряжает обмотку на момент создания магнитного поля. Когда мощность падает в цикле магнитное поле не может поддерживаться, и оно схлопывается. Это действие передает мощность через магнетизм на другую обмотку или катушку. УЧИТЬСЯ БОЛЬШЕ об индукции здесь.

3.) Типы электродвигателей переменного тока

Двигатели переменного тока:

3.а) Индукция Двигатель
3.b) Универсальный двигатель (можно использовать постоянный или переменный ток)
3.c) Синхронные двигатели
3.d) Двигатели с экранированными полюсами

См. Нашу страницу, посвященную асинхронным двигателям, здесь>

Это мощный двигатель, который можно использовать с мощность переменного и постоянного тока.

Преимущества :
-Высокий пусковой крутящий момент и небольшой размер (хорошо для общего использования в бытовые электроинструменты)
-Может работать на высоких скоростях (отлично подходит для стиральных машин и электродрелей)

Недостатки:
— Щетки со временем изнашиваются

Использует: приборы, ручной электроинструмент

Посмотреть видео ниже:

3.в) синхронный Моторы (Selsyn Motor)

Этот мотор аналогичен асинхронному двигателю, за исключением того, что он движется с частотой сети.

Мотор Selsyn был разработан в 1925 году и сейчас известен как Synchro. Узнать больше о их здесь .

Преимущества: Обеспечивает постоянную скорость, которая определяется количество полюсов и частота подаваемого переменного тока.
Недостатки: Не может работать с переменным крутящим моментом, этот двигатель будет остановиться или «вытащить» с заданным крутящим моментом.
Использует: и часы использует синхронные двигатели для обеспечения точной скорости вращения Руки. Это аналог двигателя , и хотя скорость точная, шаговый двигатель лучше подходит для работы с компьютерами, так как он функционирует на жестких «ступенях» разворота.

Этот мотор одинарный фазный двигатель переменного тока.Имеет только одну катушку с поворотным валом. в центре, отставание потока, проходящего вокруг катушки, вызывает сила магнита, чтобы двигаться по катушке. Это получает центральный вал с вращением вторичной обмотки. Цилиндр изготовлен из стали и имеет медные стержни, встроенные по длине в цилиндр поверхность.

Преимущества: достигает высокого уровня крутящего момента, когда ротор начал быстро вращаться.
Используется в вентиляторах, приборах

Недостатки: медленный запуск, низкий крутящий момент для запуска. Используется в вентиляторах, обратите внимание на медленный старт фанатов.
Этот двигатель также используется в стоках стиральных машин, открывателях консервных банок и прочая бытовая техника.
Другие виды двигателей лучше подходят для более мощных нужд выше 125 Вт.

Посмотреть видео ниже:

4.) Двигатели постоянного тока (DC):

Двигатели постоянного тока были первым видом электродвигателей. Обычно они составляют 75-80% эффективный. Они хорошо работают на регулируемых скоростях и обладают большим крутящим моментом.

4.a) Общая информация
4.b) Щеточные двигатели постоянного тока
4.b.1) Двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой
4.b.2) Двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой
4.b.3) Двигатели для блинов
4.b.4) Двигатель постоянного тока с постоянным магнитом
4.b.5) С раздельным возбуждением (Sepex)
4.c) Бесщеточные двигатели постоянного тока
4.c.1) Шаговый двигатель
4.c.2) Двигатели постоянного тока без сердечника / без сердечника

Матовый Двигатели постоянного тока:

Первый DC двигатели использовали щетки для передачи тока на другую сторону двигателя. Кисть названа так потому, что сначала имела форму метлы.Маленькие металлические волокна терлись о вращающуюся часть мотора. поддерживать постоянный контакт. Проблема с кистями в том, что они изнашиваются со временем из-за механики. Кисти будут создавать искры из-за трения. Парки часто плавили изоляцию и становились причиной коротких замыканий. в арматуре и даже переплавил коммутатор.

Первые моторы использовались на уличных железных дорогах.

Использует сплит кольцевой коммутатор со щетками.
Преимущества:
-Используется во множестве приложений, имеет простой контроль скорости с помощью уровня напряжения для управления.
-Обладает высоким пусковым моментом (мощный пуск)
Ограничения: щетки создают трение и искры, это может привести к перегреву устройство и плавить / сжигать щетки, поэтому максимальная скорость вращения ограничено. Искры также вызывают радиочастоты. вмешательство. (RFI)

Есть пять типов двигателей постоянного тока с щетками:
Двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой
Двигатель с обмоткой серии постоянного тока
Составной двигатель постоянного тока — совокупный и дифференциально смешанный двигатель
Двигатель постоянного тока с постоянным магнитом
Двигатель с раздельным возбуждением
Блинный двигатель

Бесщеточный Двигатели постоянного тока:

Щетка заменен внешним электрическим выключателем, который синхронизируется с положение двигателя (он изменит полярность по мере необходимости, чтобы сохранить вал двигателя вращается в одном направлении)
— Более эффективен, чем щеточные двигатели
— Используется, когда необходимо точное регулирование скорости (например, в дисководах, ленте машины, электромобили и т. д.)
-Долгий срок службы, так как работает при более низкой температуре и нет щеток изнашиваться.

Типы бесщеточные двигатели постоянного тока:
Шаговый двигатель
Двигатели постоянного тока без сердечника / без сердечника

4.b) ЩЕТОЧНЫЙ ДВИГАТЕЛИ постоянного тока:

4.b.1) DC Шунтирующий двигатель

Шунт постоянного тока Электродвигатель подключен так, что катушка возбуждения подключена параллельно с арматура.Обе обмотки получают одинаковое напряжение. Катушка шунтирующего поля намотан множеством витков тонкой проволоки для создания высокого сопротивления. Этот гарантирует, что катушка возбуждения будет потреблять меньше тока, чем якорь (ротор).

Арматура (как видно выше, это длинная толстая цилиндрическая вращающаяся часть) имеет толстую медные провода, чтобы через них проходил большой ток, завести мотор.

Как арматура витков (см. фото ниже) ток ограничен противоэлектродвижущим сила.

Сила катушки шунтирующего поля определяет скорость и крутящий момент двигателя.

Преимущества: Шунтирующий двигатель постоянного тока регулирует свою скорость. Это означает, что если загрузка При добавлении якоря замедляется, КЭДС уменьшается, в результате чего якорь ток увеличивается. Это приводит к увеличению крутящего момента, что помогает переместить тяжелый груз. При снятии нагрузки якорь ускоряется, CEMF увеличивается, что ограничивает ток, а крутящий момент уменьшается.

Конвейер Пример ленты : Представьте, что конвейерная лента движется с заданной скоростью, затем в пояс входит тяжелая коробка. Этот тип двигателя будет поддерживать движение ремня. с постоянной скоростью независимо от того, сколько коробок движется по ленте.

Посмотреть видео ниже, показывающее действие параллельного двигателя постоянного тока !:

4.б.2) DC двигатель с последовательным заводом

Двигатель с серийной обмоткой — это двигатель постоянного тока с самовозбуждением. Обмотка возбуждения подключена внутри последовательно с обмоткой ротора. Таким образом обнажается обмотка возбуждения в статоре. до полного тока, создаваемого обмоткой ротора.

Этот тип двигателя похож на двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой, за исключением того, что обмотки возбуждения сделаны из более тяжелого провода, поэтому он может выдерживать более высокие токи.

Применение: Этот тип двигателя используется в промышленности в качестве пускового двигателя из-за большого крутящего момента.

Узнайте больше о двигателе с последовательным заводом:
Артикул 1
Артикул 2

4.b.3) Блин Двигатель постоянного тока (также известный как двигатель с печатным якорем)

Блин мотор — мотор без железа.Большинство двигателей имеют медную обмотку. железный сердечник.

Видео с демонстрацией примеры мотора-блинчика:

Преимущества:
Точное регулирование скорости, плоский профиль, не имеет зубцов, которые возникают утюгом в электромагните

Недостатки:
плоская форма не подходит для всех приложений

Имеет обмотку в форме плоского эпоксидного диска между двумя магнитами с сильным магнитным потоком.Это полностью без железа, что делает большую эффективность. Используется в сервоприводах, был первым спроектирован как моторы стеклоочистителя и видеоиндустрии, так как он был очень плоским в профиль и имел хороший контроль скорости. Компьютеры и видео / аудио запись всей использованной магнитной ленты, точный и быстрый контроль скорости был был нужен, поэтому для этого был разработан мотор-блин. Сегодня это используется во множестве других приложений, включая робототехнику и сервосистемы.

4.b.4) Составной двигатель постоянного тока (накопительный и дифференциально-составной)

Это еще один самовозбуждающийся двигатель с последовательными и шунтирующими катушками возбуждения. Он имеет эффективное регулирование скорости и приличный пусковой крутящий момент.

Узнайте больше об этом типе двигателя здесь.

4.b.5) Двигатель постоянного тока с постоянным магнитом

Этот тип двигателя хорошо работает на высоких оборотах и ​​может быть очень компактным.
Область применения: компрессоры, другое промышленное применение.

Узнайте больше об этом типе двигателя здесь.

4.б.6) Отдельно возбужденный (сепекс)

SepEx имеет обмотку возбуждения, которая питается отдельно от якоря с прямым текущий сигнал. Полевой магнит также имеет собственный источник постоянного тока. В результате вы увидите это Тип двигателя имеет четыре провода — 2 для возбуждения и 2 для якоря.

Этот двигатель — щеточный двигатель постоянного тока. который имеет более широкие кривые крутящего момента, чем двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой.

Узнайте больше об этом типе двигателя здесь.

4.c) Бесщеточные двигатели постоянного тока:

4.c.1) Шаговый Мотор

Степпер мотор — это тип бесщеточного мотора, который перемещает центральный вал один часть хода за раз.Это делается с помощью зубчатых электромагнитов. вокруг куска железа в форме централизованной шестерни. Есть много видов шаговых двигателей. Они используются в системах, которые перемещают объекты с высокой точностью. положение, как сканер , дисковод и промышленная лазерная резьба устройства .

Посмотреть видео шагового двигателя в действии ниже:

4.в.2) Без сердечника / Двигатели постоянного тока без железа

Медь намотанная или алюминиевый сердечник вращается вокруг магнита без использования железа. Этот делается путем придания цилиндрической формы.
Преимущество: легкий и быстрый запуск отжима (используется в компьютере жестких дисков)
Недостаток: легко перегревается, так как железо обычно действует как радиатор, для охлаждения необходим вентилятор.

Узнайте больше об этом типе двигателя здесь.

Источники:
Документы Джозефа Генри — Смитсоновский институт
Denver Electric Motor Company
Стив Нормандин
Википедия
Томас Давенпорт — доктор Фрэнк Уикс мл.
DIY Электромобиль

Связанные темы:

Основы универсальных электродвигателей

Для работы роторного электродвигателя должны быть два магнитных поля: одно связано со статором, а другое — с ротором.По крайней мере, одно из этих полей должно двигаться, чтобы магнитное поле ротора постоянно преследовало магнитное поле статора, создавая таким образом вращательное механическое движение и выход энергии.

Одно из магнитных полей может быть стационарным, создаваемым постоянными магнитами или напряжением постоянного тока (в случае щеточного двигателя постоянного тока), приложенным непосредственно к обмоткам статора. Или это может быть создано с помощью щеток и контактных колец к ротору.

Другой альтернативой является вращение обоих магнитных полей, как в асинхронном двигателе.Чтобы это работало, магнитные поля должны вращаться с разной скоростью. Если бы эти поля были точно синхронизированы, (гипотетически) не было бы взаимодействия магнитных полей и вращательного движения.

В асинхронном двигателе из-за сопротивления трения или нагрузки на вал ротор вращается медленнее, чем поле вращения статора. Разница в скорости известна как «проскальзывание» и является необходимым условием для работы асинхронного двигателя.

Схема универсального мотора довольно проста.Обмотки статора соединяются последовательно с обмотками ротора с помощью угольных щеток.

В универсальном двигателе ситуация разительно иная. Универсальный двигатель содержит обмотки статора и обмотки ротора. Ток в обмотках ротора не является результатом индуктивной связи, как в асинхронном двигателе. Отличительной особенностью универсального двигателя в отношении его конструкции является то, что обмотки статора и ротора соединены последовательно. Это служит для создания разницы напряжений между ними, чтобы ротор мог преследовать вращающееся магнитное поле статора.Ток передается в ротор через щетки.

Универсальные двигатели теоретически могут работать как от переменного, так и от постоянного тока. Однако устройство, описанное выше, будет работать на постоянном токе, но не будет эффективно работать на переменном токе. Чтобы нормально работать от сети переменного тока, двигатель нуждается в доработке. Добавлена ​​компенсирующая обмотка, а полюсные наконечники ламинированы для предотвращения неэффективного циркулирующего тока и сопутствующего повышения температуры. По сравнению с универсальным двигателем, предназначенным для работы на постоянном токе, в якоре больше катушек и пластин с меньшим количеством обмоток в каждой катушке.Целью проектирования является уменьшение дополнительной индуктивности, возникающей в результате работы на переменном токе.

Электродвигатели с последовательной обмоткой (универсальные) реагируют на большую нагрузку замедлением — ток увеличивается, затем крутящий момент увеличивается пропорционально квадрату тока, потому что в обмотках статора и ротора протекает один и тот же ток. Скорость почти полностью зависит от крутящего момента, необходимого для движения нагрузки.

Универсальный двигатель переменного тока широко используется дома и на рабочем месте. Он подходит для небольших приборов и инструментов, требующих сравнительно большой мощности.Примеры включают переносные ручные инструменты, блендеры, пылесосы и швейные машины.

Универсальный двигатель можно распознать по характерному жужжанию во время работы. Если отмечается плохая работа, такая как сбой при запуске, ответ — заменить щетки, которые доступны без разборки двигателя. Если это отложить, будет гораздо более дорогостоящее повреждение коммутатора.

.