Асинхронный двигатель с внешним ротором: Двигатель с внешним ротором AC: двигатели — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Моторы с внешним ротором не требуют редкоземельных магнитов

Рис.1

Электродвигатели с постоянным возбуждением основаны на постоянных магнитах в связи с их функцией. Особенно сильные магниты могут быть произведены в процессе спекания из соединений с редкоземельными материалами, такими, как кобальт и самарий или неодим, железо и бор. После искусственного дефицита этих материалов и, в результате, резкого роста затрат, цены сейчас снова падают. Однако, так как в настоящее время по-прежнему Китай контролирует большую часть поставляемого количества, необходимо продолжать считаться с резкими колебаниями цены. Кроме того, их наличие не гарантируется.

При этом, в будущем, затраты на редкоземельные магниты будут пустяковыми, но трудными для расчета производителями электродвигателей. Поэтому электродвигатели с постоянным возбуждением, которые являются особенно энергосберегающими, часто рассматриваются как дорогие в пользовательских кругах. Это не обязательно так, однако, каждый электрический привод с высокой эффективностью действительно зависит от мощных редкоземельных магнитов. ЕС-моторы с внешним ротором, например, которые используются в энергосберегающих вентиляторах, обходятся «простыми», экономически эффективными и, прежде всего, легко доступными ферритовыми магнитами, и они делают это с эффективностью более 90% в некоторых случаях.

Что такое ЕС мотор?
Поскольку термины в приводной технике не обязательно всегда используются с ясными и недвусмысленными определениям, имеет смысл во-первых выяснить, какие двигатели на самом деле имеются в виду в связи с обсуждением редких земель. Будь это бесщёточный привод постоянного тока (BLDC двигатель), BLPM двигатель или EC двигатель, это всегда означает, что это синхронный двигатель с постоянным возбуждением, который работает с силовой электроникой — питаемой от бытовой электросети или с источником питания постоянного тока. Так называемые BLDC/BLPM двигатели обычно работают с прямоугольными токами (блочная коммутация). ЕС-моторы могут работать с прямоугольными токами, а также с синусоидальными токами (синусоидальная коммутация). В последнем случае достигается значительное снижение уровня шума по сравнению с блочной коммутацией. Конструкция с синусоидальными токами соответствует классическому синхронному двигателю. Основные функции ЕС мотора легко понятны (рис. 1):

Ротор с постоянными магнитами вращается синхронно с вращающимся полем статора. В отличие от питающегося от сети асинхронного двигателя, частота вращения ротора не связана автоматически с частотой напряжения питания, но предопределена тем, что называется электронной коммутацией. Поэтому работа EC двигателя всегда требует дополнительной электроники. Именно она определяет угловую скорость вращающегося магнитного поля, в котором синхронно с ним вращается ротор. Корреляция между напряжением и скоростью, а также между током и моментом в основном линейная. Следовательно, в отношении его характеристики крутящий момент/скорость, двигатель работает как двигатель с параллельным возбуждением (DC shunt motor). Для определения положения ротора, либо в мотор встраиваются датчики положения ротора, либо электронный коммутатор измеряет положение ротора без датчиков через его параметры — напряжение на роторе или ток двигателя. Холостой ход зависит от приложенного напряжения и числа витков обмотки статора.

Рис.2

Таким образом, в пределах, которые определяются физическими параметрами (например, выходная мощность, крутящий момент, температура и т.д.), может быть реализована без проскальзывания почти произвольная рабочая скорость (синхронная с вращающимся магнитным полем статора), которая даже может быть выше частоты сети, в отличие от асинхронного двигателя.
Например, если работает вентилятор с EC двигателем, скорость может быть всегда адаптирована в соответствии с требованиями системы вентиляции или процесса. Следовательно, при частичной нагрузке потребление энергии может быть значительно уменьшено, потому что требуемая мощность вентилятора изменяется как третья степень от скорости. Помимо этого, ЕС двигатели имеют существенно более высокую эффективность (рис. 2), чем двигатели переменного тока, как при частичной, так и при полной нагрузках, и они обычно имеют меньшие размеры. Причиной этого является то, что EC двигатели не требуют тока намагничивания, текущие потери тепла ротора исчезают, и возможно реализовать специальную компоновку обмотки (single-tooth winding / toothcoil winding). Даже если обсуждение редкоземельных магнитов не в пользу этих двигателей, они просто лучший выбор с точки зрения энергоэффективности.

Динамические требования определяют выбор магнитов
С ЕС-моторами вас не вынуждают полагаться на мощные редкоземельные магниты, потому что их превосходные магнитные качества действительно необходимы только для очень динамичных сервоприводов, таких, как те, которые используются в робототехнике. С одной стороны, здесь необходимы компактные размеры, с другой стороны, однако, чтобы минимизировать момент инерции, требуется минимально возможная масса ротора. Эти требования могут быть достигнуты только с высокой остаточной намагниченностью и высокой коэрцитивностью редкоземельных магнитов. Поэтому сегодня производители таких сервоприводов в первую очередь сосредоточили внимание на сокращении необходимой массы и высоты магнита с помощью сложных оптимизаций, и они уже достигли здесь очень значительной экономии.

Специалисты по двигателям и вентиляторам компании ebm-papst Mulfingen со своими вентиляторами, которые оснащены энергосберегающими GreenTech EC двигателями, даже не сталкивались с этой проблемой. Несмотря на свою высокую эффективность, эти приводы сделаны без редкоземельных магнитов. Ключевым для этого является принцип двигателя с внешним ротором:

Ротор находится на внешней стороне

Рис.3

Здесь часть двигателя находится в покое, статор расположен внутри и окружен частью, которая движется, ротором (рис.3). Расположенный снаружи ротор вращается вокруг внутреннего статора. При таком расположении, мотор с внешним ротором может достичь более высокого крутящего момента, чем с внутренним ротором при той же длине модуля, той же самой магнитной системе и той же толщине магнита. При удачном использовании степеней свободы в области вентилятора, двигатель с внешним ротором с использованием магнитотвердых ферритовых магнитов может достичь крутящего момента и эффективности, которых двигатель с внутренним ротором может добиться только с редкоземельными магнитами с ограниченными степенями свободы (объём, масса). В отличие от сервоприводов, вентиляторы не требуют высокой динамики. Совсем наоборот; определенный момент инерции очень желателен для вентиляторов, чтобы иметь плавный запуск и определённую динамику. Поэтому можно без дальнейшей суеты отказаться от редкоземельных магнитов и использовать ферритовые магниты, которые не только значительно более рентабельным, но и имеют стабильные цены на рынке из-за их доступности.

Рис.4

Конструкция двигателя с внешним ротором является выгодной для вентиляторов также и в другом отношении, а именно, осевые или центробежные колёса могут быть установлены на вращающихся роторах, непосредственно на «корпусе» двигателя (рис. 4). Компактные размеры, особенно в осевом направлении, являются следствием этого и охлаждение становится проще, когда двигатель может использовать воздух, вытесняемый вентилятором, для собственного охлаждения. Конструкция с синусоидальной коммутацией также обеспечивает особенно низкий уровень шума. Следовательно, энергоэффективные GreenTech ЕС-вентиляторы совершенно не зависят от рыночной тенденции редкоземельных магнитов.

Источник: http://www.ebmpapst.com.cn

Асинхронный двигатель с внешним ротором

ЕС-моторы с внешним ротором, например, которые используются в энергосберегающих вентиляторах, обходятся «простыми», экономически эффективными и, прежде всего, легко доступными ферритовыми магнитами, и они делают это с эффективностью более 90% в некоторых случаях.

В последнем случае достигается значительное снижение уровня шума по сравнению с блочной коммутацией. Конструкция с синусоидальными токами соответствует классическому синхронному двигателю. Основные функции ЕС мотора легко понятны (рис. 1):

Холостой ход зависит от приложенного напряжения и числа витков обмотки статора.

Например, если работает вентилятор с EC двигателем, скорость может быть всегда адаптирована в соответствии с требованиями системы вентиляции или процесса. Следовательно, при частичной нагрузке потребление энергии может быть значительно уменьшено, потому что требуемая мощность вентилятора изменяется как третья степень от скорости. Помимо этого, ЕС двигатели имеют существенно более высокую эффективность (рис. 2), чем двигатели переменного тока, как при частичной, так и при полной нагрузках, и они обычно имеют меньшие размеры. Причиной этого является то, что EC двигатели не требуют тока намагничивания, текущие потери тепла ротора исчезают, и возможно реализовать специальную компоновку обмотки (single-tooth winding / toothcoil winding).

Даже если обсуждение редкоземельных магнитов не в пользу этих двигателей, они просто лучший выбор с точки зрения энергоэффективности.

Несмотря на свою высокую эффективность, эти приводы сделаны без редкоземельных магнитов. Ключевым для этого является принцип двигателя с внешним ротором:

Ротор находится на внешней стороне

Поэтому можно без дальнейшей суеты отказаться от редкоземельных магнитов и использовать ферритовые магниты, которые не только значительно более рентабельным, но и имеют стабильные цены на рынке из-за их доступности.

Асинхронные электродвигатели с внешним ротором
Ассортимент продукции включает 9 типовых размеров в диапазоне мощности от 0,1 до 7 кВт и 2 конструктивных исполнения для фланцевого или осевого крепления
Входное напряжение: 1

230 В/400 В D/Y 50 Гц, специальные напряжения и 60 Гц на заказ

Помехоэмиссия IP44, IP54

Качества и особенности:

Компактная и занимающая небольшое пространство при установке модель с внешней конструкцией ротора
Проверенная концепция привода — износостойкий электрический двигатель с короткозамкнутым ротором

100 % контроль скорости с преобразователем частоты (рекомендация: ZA Fcontrol)

для настоящих автомобилистов

Электродвигатели, работающие на том же законе, что и электромеханический преобразователь Якоби, тем не менее существенно от него отличаются. Электродвигатели разных типов обладают отличительными свойствами, которые обуславливают их область применения, в которой они наиболее полезны. Электрические двигатели становятся мощнее и компактнее, к тому же, их КПД значительно вырос. Так коэффициент полезного действия современного тягового электродвигателя может составлять 85-95 % в то время как максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания без вспомогательных систем едва дотягивает 45 %. Вот о том, какими бывают асинхронный и синхронный электродвигатели в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

Асинхронный электродвигатель

Асинхронный электродвигатель — основной привод, используемый в промышленности. К примеру, в автомобилестроении он используется в электроусилителях рулевого управления и в гибридных автомобилях. В следующем разделе представлена концепция работы асинхронного двигателя как индукционной машины. Приведен также энергетический анализ асинхронного двигателя в силу его явного преобладания среди приводов.

Устройство асинхронного электродвигателя

Различают двигатели с внешним ротором и внутренним ротором. У двигателей с внешним ротором статор находится внутри ротора, у двигателей с внутренним ротором наоборот — ротор находится внутри статора. На принципиальной схеме (рис. «Принцип работы асинхронного двигателя» ) показана принципиальная схема асинхронного двигателя с внутренним ротором.

Ротор состоит из короткозамкнутого каркаса с пакетом пластин (рис. «Короткозамкнутая клетка асинхронного электродвигателя» ), в качестве примера с четырьмя короткозамкнутыми стержнями). Пакет пластин полностью заполняет пространство короткозамкнутого каркаса (на рис. не показано). Он состоит из отдельных стальных листов, изолированных друг от друга, чтобы свести к минимуму потери вихревых токов.

Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя

Обмотка статора создает вращающееся поле с трехфазным переменным током. Между скоростью вращающегося поля и скоростью ротора возникает разница, создающая индукцию магнитно-эффективного тока в роторе, которая в свою очередь способствует созданию крутящего момента.

Физический принцип работы основан на законе магнитной индукции. На рис. «Двухполосный короткозамкнутый ротор» изображен ротор в виде упрощенного проводящего контура на вращающихся креплениях. Относительное перемещение между статором и ротором описывает угловая частота (o_s. Магнитное поле В_Е с угловой частотой, окружающее контур ротора, наводит напряжение в короткозамкнутом роторе в соответствии со вторым уравнением Максвелла:

ΦEds = -d/dt ∫∫ B_EdA (уравнение 12)

На основании этого уравнения и конструктивных переменных двигателя (см. рис. 13) получаем:

Е = I · А_nom/к (к — удельная электропроводность), напряжение создает магнитноэффективную мощность

в проводящем контуре, магнитное поле которого

и плотность потока (магнитная индукция)

ослабляет исходное вращающееся поле В_Е(индуктивное сопротивление). Нижеследующее уравнение применимо для получения результирующей магнитной индукции:

B_R= B_E-B_ind

В уравнении Максвелла (уравнение 13) вместо В_Е остается результирующая магнитная индукция B_R. На проводящий контур воздействует тангенциальная сила F_t:

F_t = i l B_R sin(ω_st) (уравнение 15)

(сила Лоренца). Она используется для вычисления крутящего момента. Для уравнений 14 и 15 справедливо следующее:

На рис. «Распределение крутящего момента асинхронного двигателя» показаны две характеристические кривые. Одна из них отображает крутящий момент под влиянием индуктивного сопротивления. На него может повлиять геометрия вала ротора и выбор материалов. Другая кривая отображает крутящий момент без влияния индуктивного сопротивления. Это ограниченный случай для технической реализации.

При увеличении угловой частоты индуктивное сопротивление сначала приводит к увеличению крутящего момента вплоть до достижения переломного момента. Это максимально возможный крутящий момент двигателя. Впоследствии он падает из-за увеличивающегося влияния индуктивного сопротивления. Рассеяние мощности Р_v, возникающее в проводящем контуре, вычисляется на основе сопротивления проводящего контура R_s и тока, наведенного в контуре i_s:

Таким образом, рассеяние мощности растет пропорционально квадрату наведенного тока.

Классы эффективности двигателей

СЕМЕР Европейский Комитет изготовителей электродвигателей и силовой электроники) ввел классификацию эффективности на базе трех классов (EFF1, EFF2 и EFF3). Классы эффективности применяются к трехфазным асинхронным двигателям с двумя и четырьмя полюсами, а также с выходной мощностью от 1,1 до 90 кВт (рис. «Эффективность и выходная мощность» ).

Синхронный электродвигатель

Синхронные электродвигатели используются, в основном, в качестве генераторов переменного тока с клювообразными полюсами. В качестве электродвигателей они используются, например, в электроусилителях руля, в электроприводах гибридных автомобилей и в электроприводах турбонагнетателей.

Устройство синхронного электродвигателя

В отличие от асинхронного двигателя, в синхронном ротор вращается синхронно с полем возбуждения с угловой скоростью ω_Φ_S. Магнитный поток Ф_R, создаваемый обмоткой ротора, и магнитный поток статора Ф_S накладываются друг на друга относительно результирующего магнитного потока Ф_RS (рис. «Базовая конструкция синхронного двигателя» ):

Поскольку ротор и статор работают намного ниже уровня магнитного насыщения (μ_r—> ∞), воздушный зазор δ между ротором и статором, а также угол а определяют сопротивление магнитной цепи R_m.

R_m = 2δ/μ_{A_r} = 2d/μ_{A_r cosa}(уравнение 16).

Коэффициент 2 используется потому, что между ротором и статором имеются два зазора. Если электродвигатель выдает крутящий момент, то ротор вращается с углом а из положения холостого хода (рис. «Силы на роторе» ).

Результирующий магнитный поток Ф_RS рассчитывается по формуле:

При R_m из уравнения 16 имеем:

При Θ_er = NI_er получаем:

Ф_RS = N I_er μ_{A_r cosa+2d Ф_S /2d} (Уравнение 17).

Θ_er — это магнитное «захлебывание» ротора, а I_еr— ток возбуждения, подаваемый на ротор через контактные кольца. Влияющая на крутящий момент тангенциальная сила F_t вычисляется по формуле полюсной силы Максвелла:

Тангенциальная сила используется для вычисления крутящего момента двигателя М_M:

M_M = 2F_t r (уравнение 19).

Уравнение 17 вставляется в уравнение 18 и результат в уравнении 19 дает следующую зависимость:

М м =-(r sin а/ μ 0 A r d 2 )· [ (N I er μ 0 A r cosa) 2 +4 N I er μ 0 A r d Ф S cosa + 4 d 2 Ф _S 2 ]

Первый член зависит только от тока возбуждения I _er и соответствует моменту от зубцовых гармонических помех поля. Второй член создает момент двигателя в решающей степени. Здесь можно увидеть линейную зависимость «захлебывания» ротора Θ = I_erN и магнитного потока статора Ф_s. Третий член также создает крутящий момент и зависит лишь от магнитного потока статора.

Рост внешнего нагружающего момента приводит к увеличению угла нагрузки а и, стало быть, к изменению момента двигателя М_м (рис. «Кривая момента и угла отклонения» ). Максимальный создаваемый двигателем момент обозначается как М_к в положении а_к. При превышении а_к электродвигатель «буксует».

Рабочие характеристики синхронного электродвигателя

Схема синхронного двигателя может быть выполнена в виде однофазной эквивалентной электрической схемы, где источником напряжения считается напряжение, индуцируемое ротором в статоре (напряжение на полюсном колесе U_p, а остаточные индуктивные сопротивления складываются, образуя синхронное сопротивление Х_S (рис. «Однофазная эквивалентная электрическая схема синхронного электродвигателя» ). Напряжение сверх синхронного сопротивления обозначается как U_s, а напряжение на клеммах — U. Направление тока указывается в соответствии с системой стрелок для устройств-потребителей. В то время как при работе двигателя ток течет к потребителям, при работе генератора он течет от генератора. Составив сеточное уравнение, получаем ток I

На напряжение на полюсном колесе влияет ток возбуждения. Формулы выводятся ниже. Имеем:

При косинусоидальном магнитном потоке Ф_R и

включая его временное дифференцирование, получаем:

Интенсивность создаваемого в роторе магнитного поля описывается законом Ампера. Напряжение на полюсном колесе:

в этом случае будет линейно зависимым от тока возбуждения I_{er .}Временно изменяемое напряжение на полюсном колесе преобразуется в эффективное по формуле:

На базе сеточного уравнения (уравнение 20) можно вывести три рабочих со ия синхронного двигателя в зависимости от напряжения на полюсном колесе (рис. «Рабочее состояние синхронного двигателя» ):

Первый случай имеет место, пока U_P U приводит к третьему случаю (избыточное возбуждение).

Все три случая относятся к работе двигателя и генератора. Для однофазной эквивалентной электрической схемы напряжение и ток обозначаются стрелками. Кроме того, определяется нагрузочный угол β между напряжениями U и U_s. Для работы двигателя нагрузочный угол β а = 2π n/m

Задача обмоток — создание вращающегося поля. Асинхронные двигатели имеют такую же конструкцию статора. В воздушном зазоре должно создаваться магнитное поле с постоянной амплитудой, вращающееся с постоянной угловой скоростью. Чтобы создать это поле, временные положения фаз токов должны совпадать с пространственными положениями соответствующих ветвей. У простой симметричной системы (п = 1) с т = 3 три ветви (обозначаемые как U, V и W) и, следовательно, обмотки должны быть равномерно распределены по окружности. На рис. «Обмотка двухполюсного двигателя с одной парой полюсов на каждую ветвь» показано расположение обмотки с тремя ветвями, с одной катушкой на каждую пару полюсов и ветвь. Схемы соединений фаз регламентируются стандартом DIN EN 60034, часть 8.

Создание вращающегося поля
Чтобы создать вращающееся поле в случае с простой симметричной системой (п = 1) с количеством ветвей т = 3, ветви должны быть геометрически смещены на электрически эффективный угол:
При одной катушке на каждую пару полюсов и ветвь создаваемое магнитное поле вращается против часовой стрелки, при этом «индикаторная полоска», смещающаяся вправо на рисунке а, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь» (при а = 90°), показывает ток фазы в каждой из ветвей на рис. Ь, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь» в направлении магнитного потока. Расположение образует пару полюсов. Соответствующие магнитные потоки проходят вертикально к плоскости ветвей обмотки (рис. Ь, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь»).
Поток Ф_Res (рис. с, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь»), получаемый из трех ветвей, а также его направление достигаются геометрическим сложением трех отдельных потоков Ф_U, Ф_V И Ф_W.
Продвижение индикаторной полоски на угол а = 180° приводит к реверсированию направления тока в ветви W и, следовательно, к дальнейшему повороту созданного поля Ф_Res вправо (рис. «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь 2»).
При использовании двух катушек на одну ветвь расположение проводников «удваивается». Если обмотка должна образовывать две пары полюсов (р = 2), то обмотки необходимо делить на группы (рис. «Обмотка с двумя парами полюсов на каждую ветвь» ). При этом устанавливается механически эффективный угол:
Электрически эффективный угол остается без изменения. В случае как двухполюсного, так и четырехполюсного расположения поле вращается против часовой стрелки (рис. «Создание вращающегося поля с двумя катушками на ветвь» ). Чаcтоту вращения поля:
можно вычислить на основании частоты в линии f_n и количества пар полюсов р. При р = 1 частота вращения поля равна частоте в линии (табл. «Частота вращающихся полей» ).
Вместе с количеством пар полюсов можно вычислить межполюсное расстояние:
как долю окружности статора, где d_si — внутренний диаметр статора. Он соответствует длине синусоидальной полуволны, которая соответствует распределению индукции поля ротора. В случае с двухполюсным двигателем (р = 1), межполюсное расстояние всегда равно a_ei = 180° (электрический угол) и совпадает с механическим углом a_m. Взаимозависимость этих двух углов показывает угол a_ei=p—a_m. Чтобы в обмотках наводилось одинаковое напряжение, ветви обмотки должны быть смещены относительно друг друга на угол a_ei = 120° или 2 τ_p / 3, а структура и количество катушек должны быть одинаковыми. На каждую ветвь приходится одна треть межполюсного расстояния.
Основы двигателя с внешним ротором: Конструкция и применение
Вы здесь: Главная / Часто задаваемые вопросы + основы / Основы двигателя с внешним ротором: Конструкция и применение

6 июня 2018 г. By Danielle Collins Оставить комментарий
Обычные бесщеточные двигатели постоянного тока имеют ротор с постоянными магнитами, расположенный внутри статора с обмоткой. Но один тип двигателя постоянного тока разработан с ротором снаружи и статором, размещенным внутри ротора . Постоянные магниты установлены на внутреннем диаметре корпуса ротора (иногда называемого «колоколом» или «чашкой»), а ротор вращается вокруг внутреннего статора с обмотками. Эту конструкцию часто называют двигателем с внешним ротором , но ее также можно назвать двигателем с внешним ротором, двигателем с внешним ротором или чашечным двигателем.
Как следует из названия, двигатель с внешним ротором имеет ротор снаружи и статор внутри ротора.
Изображение предоставлено Nidec Corporation
Конструкция с внешним ротором обеспечивает несколько преимуществ в производительности. Во-первых, для размещения статора ротор двигателя с внешним ротором по необходимости должен быть больше, чем ротор обычного двигателя постоянного тока. А больший ротор означает более высокую инерцию, что помогает гасить пульсации крутящего момента (обычная проблема для обычных двигателей постоянного тока) и обеспечивает плавную и стабильную работу даже на низких скоростях.
Еще одним преимуществом двигателей с внешним ротором является то, что они обычно могут создавать более высокий крутящий момент, чем двигатели с внутренним ротором сопоставимого размера. Напомним, что крутящий момент представляет собой произведение магнитной силы на радиус воздушного зазора (длину магнитного потока). Для данного диаметра двигателя двигатели с внешним ротором имеют большую площадь воздушного зазора, чем конструкции с внутренним ротором, а больший воздушный зазор позволяет создавать более высокое усилие. Они также имеют больший радиус воздушного зазора, что увеличивает «плечо рычага» для создания крутящего момента. Больший диаметр (и, следовательно, окружность) ротора в конструкциях с внешним ротором также означает, что ротор может вмещать больше полюсов, что еще больше увеличивает магнитный поток.
По сравнению с двигателем с внутренним ротором двигатель с внешним ротором имеет большую площадь для развития потока и больший радиус воздушного зазора, который действует как «рычаг» для создания крутящего момента.
Изображение предоставлено: Т. Райхерт, Лаборатория силовых электронных систем
Двигатели с внешним ротором в осевом направлении короче, чем двигатели с внутренним ротором с аналогичными рабочими характеристиками. Этот компактный размер и высокий крутящий момент делают их идеальными для непосредственного привода винтов дистанционно управляемых моделей самолетов и дронов. В высокоточных приложениях, таких как оптические приводы, их плавная и постоянная скорость является преимуществом по сравнению с другими типами двигателей. А в приложениях с переменными нагрузками, таких как промышленные электроинструменты, насосы, вентиляторы и воздуходувки, высокая инерция двигателей с внешним ротором может помочь «протолкнуть» колебания нагрузки и обеспечить стабильный выходной крутящий момент.
Вентиляторы и воздуходувки являются одним из наиболее распространенных применений двигателей с внешним ротором благодаря особому конструктивному преимуществу: внешний ротор может служить ступицей вентилятора или крыльчатки воздуходувки. Это обеспечивает компактность и позволяет крыльчатке действовать как большой вращающийся радиатор и способствовать охлаждению двигателя.
Но интеграция ротора в крыльчатку также увеличивает механическую постоянную времени двигателя — количество времени, необходимое двигателю для достижения 63,2 процента его конечной скорости при заданном напряжении — важный параметр для предотвращения перегрева двигателя.
τ _M = Механическая постоянная времени мотора
R = сопротивление обмотке
J = Rotor Inertia
K _E = констант EMF
K _E = Констант EMF
. константа
Как показано в уравнении, механическая постоянная времени двигателя частично зависит от инерции ротора. Когда ротор встроен в крыльчатку, инерция ротора и крыльчатки рассматривается вместе. Эта более высокая инерция приводит к более высокой механической постоянной времени и, следовательно, к более длительному времени, в течение которого двигатель достигает требуемой скорости.
Рубрики: Двигатели постоянного тока, Часто задаваемые вопросы + основы, Рекомендуемые
Что такое двигатель с фазным ротором и как он работает?
Электрические двигатели — машины, преобразующие электричество в механическую энергию — широко распространены в инженерном мире. Они являются краеугольным камнем инженерных достижений, таких как лифты, насосы и даже электромобили, благодаря способности использовать эффект электромагнитной индукции. Эти так называемые асинхронные двигатели используют переменный ток и электромагнетизм для создания вращательного движения и бывают разных конфигураций. Особое внимание в этой статье будет уделено асинхронному двигателю переменного тока особого типа, известному как двигатель с фазным ротором. Хотя эти двигатели используются только в особых сценариях, они имеют явное преимущество перед другими популярными вариантами (беличьей клеткой, синхронными двигателями и т. д.) благодаря своим уникальным характеристикам. Будут изучены устройство и работа этих двигателей, а также конкретные характеристики, которые делают их столь важными для приложений, где другие, более популярные асинхронные двигатели не могут быть реализованы.
Что такое двигатели с фазным ротором?
Двигатели с фазным ротором представляют собой особый тип двигателей переменного тока и работают почти так же, как и другие асинхронные двигатели. Они состоят из двух основных компонентов: внешнего статора и внутреннего ротора, разделенных небольшим воздушным зазором. Статор, как правило, одинаков для всех асинхронных двигателей и состоит из металлических пластин, которые удерживают на месте обмотки из медного или алюминиевого провода. В статоре есть три отдельные катушки, на которые подается трехфазный переменный ток, что просто означает, что каждая из них питается от отдельного переменного тока. Это не всегда так: некоторые двигатели являются однофазными, но двигатели с фазным ротором, как правило, всегда трехфазные. Тем не менее, эти три фазы генерируют магнитное поле, которое смещается вместе с переменными токами. Это создает вращающееся магнитное поле (RMF), которое действует на ротор. В двигателях с фазным ротором ротор «обмотан» проводом, как и статор, причем их концевые концы соединены с 3 контактными кольцами на выходном валу. Эти контактные кольца прикреплены к щеткам и блокам резисторов переменной мощности, где операторы могут изменять скорость двигателя, изменяя сопротивление катушек ротора. Эти контактные кольца позволяют регулировать скорость и крутящий момент и являются отличительной чертой двигателей с фазным ротором (именно поэтому эти двигатели часто называют двигателями с контактными кольцами).
Как работают двигатели с фазным ротором?
Мы рекомендуем прочитать нашу статью об асинхронных двигателях, чтобы понять основные законы, общие для всех асинхронных машин, но в этой статье мы кратко объясним науку, лежащую в основе работы двигателя с фазным ротором.
Эти двигатели классифицируются как асинхронные двигатели, в которых существует несоответствие (известное как «скольжение») между скоростью RMF статора (синхронная скорость) и выходной скоростью (номинальная скорость). При создании необходимого тока, напряжения и магнитной силы в обмотках ротора двигатель всегда будет испытывать проскальзывание между вращающимся полем и ротором. Не стесняйтесь посетить нашу статью о типах двигателей переменного тока, чтобы узнать больше.
Двигатели с фазным ротором отличаются тем, как их ротор взаимодействует со статором. Обмотки ротора подключены к вторичной цепи, содержащей токосъемные кольца, щетки и внешние резисторы, и питаются от отдельного трехфазного переменного тока. При пуске внешнее сопротивление этой вторичной цепи приводит к тому, что ток ротора снижает силу RMF статора (он протекает более «в фазе» с RMF статора). Это означает, что скорость вращения можно контролировать, изменяя сопротивление, когда двигатель достигает 100% скорости, что позволяет операторам выбирать пусковой момент и рабочие характеристики. Это приводит к плавному пуску, высокому начальному крутящему моменту, низкому начальному току и возможности регулировать скорость вращения, чего нельзя достичь в более простых конструкциях, таких как двигатели с короткозамкнутым ротором (более подробную информацию об этой конструкции можно найти в нашей статье). на двигателях с короткозамкнутым ротором).
Технические характеристики двигателя с фазным ротором
Спецификации для двигателя с фазным ротором включают в себя понимание спецификаций для всех асинхронных двигателей, которые можно просмотреть в нашей статье, посвященной асинхронным двигателям. В этой статье будут освещены важные концепции для двигателей с фазным ротором, которые необходимо понять перед покупкой одного из них, но знайте, что это не все включено.
Пусковой ток
RMF статора вращается на полной скорости при запуске трехфазного асинхронного двигателя, в то время как ротор изначально находится в состоянии покоя. Ротор испытывает наведенный ток, когда через него проходит среднеквадратичное магнитное поле статора, и единственным ограничивающим фактором для этого тока является сопротивление обмоток ротора (ток = напряжение/сопротивление). Это приводит к большему току в роторе, что увеличивает потребность в токе в статоре и, следовательно, вызывает «бросок» пускового тока в двигатель. Этот ток может в два-семь раз превышать номинальный ток, указанный на паспортной табличке, и может вызвать серьезные проблемы в сценариях с высоким напряжением. Когда двигатель достигает номинальной скорости, ротор создает «противоЭДС» в статоре, которая снижает ток статора до номинального уровня. Пусковой ток — это то, что минимизируется в двигателях с фазным ротором за счет увеличения сопротивления в обмотках ротора (I=V/R, где R увеличивается), и поэтому они имеют такие плавные пусковые характеристики.
Момент двигателя и кривая крутящий момент-скорость
Наиболее важной характеристикой двигателей с фазным ротором является то, как они работают после подачи питания, и это визуализируется с помощью графиков крутящий момент-скорость. Асинхронные двигатели могут значительно превышать номинальный крутящий момент и ток, когда скорость не равна 100%; кривые крутящего момента и скорости отображают это переходное поведение, а на рисунке 1 показана общая кривая крутящего момента для асинхронных двигателей с обозначенными важными точками.
Рис. 1: Кривая крутящий момент-скорость для асинхронных двигателей.

Пусковой крутящий момент — это крутящий момент, создаваемый начальным пусковым током, который всегда выше номинального крутящего момента. Момент отрыва — это максимальный крутящий момент, достигаемый перед установившимся режимом, а номинальный крутящий момент — это то, что обеспечивается, когда двигатель достигает скорости 100 %. Эта связанная скорость не совсем равна синхронной скорости RMF, и это проскальзывание показано на рисунке 1.
Двигатели
, использующие популярные конструкции с короткозамкнутым ротором, имеют ограниченный контроль над своими кривыми крутящий момент-скорость (узнайте больше в нашей статье о двигателях с короткозамкнутым ротором). Стержни ротора с короткозамкнутым ротором закорочены; это приводит к невозможности изменить сопротивление ротора, а это означает, что единственный способ повлиять на скорость вращения — это изменить напряжение (I=V/R, где R постоянно). Это может вызвать проблемы в больших двигателях, где необходимый входной ток может стать опасно высоким. Двигатели с фазным ротором решают эту проблему, изменяя сопротивление ротора с помощью вторичной цепи, присоединенной к блоку сопротивления переменной мощности и токосъемным кольцам. Увеличивая сопротивление в роторе через контактные кольца, крутящий момент может быть достигнут на гораздо более низких скоростях, что обеспечивает более высокий начальный крутящий момент и более низкий пусковой ток. При достижении синхронной скорости сопротивление ротора также может быть закорочено, в результате чего двигатель с фазным ротором будет вести себя так, как если бы это был двигатель с короткозамкнутым ротором. На рис. 2 показано влияние увеличения сопротивления ротора на выходной крутящий момент.

Рис. 2. Влияние изменения сопротивления ротора на пусковой момент и пусковой момент.
На этом графике видно, что двигатель с фазным ротором гораздо лучше справляется с управлением током, крутящим моментом и скоростью, чем другие конструкции. Изменяя сопротивление, этим двигателям потребуется меньший начальный пусковой ток для компенсации, они будут иметь более высокий пусковой момент и могут максимизировать свой пусковой момент, также сделав его пусковым моментом (пример кривой R2 на рис. 2). Результатом такого подхода является регулируемый по скорости двигатель с высоким пусковым моментом и низким пусковым током, с возможностью изменения этих характеристик по желанию оператора.
Применение и критерии выбора
Двигатели с фазным ротором могут выполнять то, что другие асинхронные двигатели не могут, а именно управление скоростью, током и крутящим моментом. Возможность увеличения сопротивления ротора при пуске двигателя позволяет плавно разгонять большие нагрузки до номинальной скорости. Когда пусковой ток должен быть сведен к минимуму или ограничение пускового тока ниже, чем могут выдержать двигатели с короткозамкнутым ротором/синхронные двигатели, рассмотрите возможность использования двигателя с фазным ротором.
У двигателей с фазным ротором есть недостатки, и они являются следствием их сложной конструкции. Вторичная цепь создает больше возможностей для ошибок, а щетки с контактными кольцами могут представлять угрозу безопасности, если их не проверять регулярно (изношенные щетки могут искрить и увеличивать риск возгорания). Эти двигатели также дороги в обслуживании, что увеличивает их и без того высокую цену. Их сложность также снижает общий КПД двигателя, и двигатель с короткозамкнутым ротором следует выбирать, если эффективность является основной задачей или конструктивным ограничением.
Несмотря на то, что двигатель с фазным ротором дорог и менее эффективен, его регулируемые характеристики крутящего момента и скорости отлично подходят для привода больших шаровых мельниц, больших прессов, насосов с регулируемой скоростью, кранов, подъемников и других нагрузок с высокой инерцией. Они также отлично подходят для любого приложения, которое требует плавного запуска и возможности изменения скорости. Они охватывают основы, недоступные другим асинхронным двигателям, и бесценны для разработчиков, которым необходим абсолютный контроль над выходной скоростью и крутящим моментом.
Резюме
В этой статье представлено понимание того, что такое двигатели с фазным ротором, как они работают и каковы их основные характеристики, определяющие, когда их следует выбирать по сравнению со стандартными асинхронными двигателями.