Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, варианты конструкций

Содержание:

Бесколлкторные двигатели постоянного тока (бдпт) являются разновидностью синхронных двигателей с постоянными магнитами, которые питаются от цепи постоянного тока через инвертор, управляемый контроллером с обратной связью. Контроллер подаёт на фазы двигателя напряжения и токи, необходимые для создания требуемого момента и работы с нужной скоростью. Такой контроллер заменяет щёточно-коллекторный узел, используемый в коллекторных двигателях постоянного тока. Бесколлекторные двигатели могут работать как с напряжениями на обмотках в форме чистой синусоиды, так и кусочно-ступенчатой формы (например, при блочной коммутации).

Появились бесколлекторные двигатели постоянного тока как попытка избавить коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами от их слабого места – щёточно-коллекторного узла. Этот узел, представляющий собой вращающийся электрический контакт, является слабым местом у коллекторных двигателей с точки зрения надёжности и в ряде случаев ограничивает их параметры.

Принцип работы и устройство бесколлекторного двигателя

Как и остальные двигатели, бесколлекторный двигатель состоит из двух основных частей – ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть).  На статоре располагается трёхфазная обмотка. Ротор несёт на себе постоянный магнит, который может иметь одну или несколько пар полюсов. Когда к обмотке статора приложена трёхфазная система напряжений, то обмотка создаёт вращающееся магнитное поле. Оно взаимодействует с постоянным магнитом на роторе и приводит его в движение. По мере того как ротор поворачивается, вектор его магнитного поля проворачивается по направлению к магнитному полю статора. Управляющая электроника отслеживает направление, которое имеет магнитное поле ротора и изменяет напряжения, приложенные к  обмотке статора, таким образом чтобы магнитное поле, создаваемое обмотками статора, повернулось, опережая магнитное поле ротора. Для определения направления магнитного поля ротора используется датчик положения ротора, поскольку магнит, создающий это поле жёстко закреплён на роторе. Напряжения на обмотках бесколлекторного двигателя можно формировать различными способами: простое переключение обмоток через каждые 60° поворота ротора или формирование напряжений синусоидальной формы при помощи широтно-импульсной модуляции.

Варианты конструкции двигателя

 

Обмотка двигателя может иметь различную конструкцию. Обмотка классической конструкции наматывается на стальной сердечник. Другой вариант конструкции обмотки – это обмотка без стального сердечника. Проводники этой обмотки равномерно распределяются вдоль окружности статора. Характеристики обмотки получаются различными, что отражается и на характеристиках двигателя. Кроме того, обмотки могут быть выполнены на различное число фаз и с различным количеством пар полюсов.

Бесколлекторные двигатели также могут иметь конструкции, различающиеся по взаимному расположению ротора и статора. Наиболее распространена конструкция, когда ротор охватывается статором снаружи – двигатели с внутренним ротором. Но также возможна, и встречается на практике конструкция в которой ротор расположен снаружи статора – двигатели с внешним ротором. Третий вариант – статор расположен параллельно ротору и оба располагаются перпендикулярно оси вращения двигателя. Такие двигатели называют двигателями аксиальной конструкции.

Датчик положения, который измеряет угловое положение ротора двигателя — это важная часть приводной системы, построенной на бесколлекторном двигателе. Этот датчик может быть самым разным как по типу, так и по принципу действия. Традиционно используемый для этой цели тип датчиков – датчики Холла с логическим выходом, устанавливаемые на каждую фазу двигателя. Выходные сигналы этих датчиков позволяют определить положение ротора с точностью до 60° — достаточной реализации самых простых способов управления обмотками. Для реализации способов управления двигателем, предполагающих формирование на обмотках двигателя системы синусоидальных напряжений при помощи ШИМ необходим более точный датчик, например, энкодер. Инкрементные энкодеры, очень широко используемые в современном электроприводе, могут обеспечить достаточно информации о положении ротора только при использовании их вместе с датчиками Холла. Если бесколлекторный двигатель оснащён абсолютным датчиком положения – абсолютным энкодером или резольвером (СКВТ), то датчики Холла становятся не нужны, так как любой из этих датчиков обеспечивает полную информацию о положении ротора.

Можно управлять бесколлекторным двигателем, и не используя датчика положения ротора – бездатчиковая коммутация. В этом случае информация о положении ротора восстанавливается на основании показаний других датчиков, например, датчиков фазных токов двигателя или датчиков напряжения. Такой способ управления часто влечёт за собой ряд недостатков (ограниченный диапазон скоростей, высокая чувствительность к параметрам двигателя, специальная процедура старта), что ограничивает его распространение.

Преимущества и недостатки

Высокая надёжность вследствие отсутствия коллектора. Это основное отличие бесколлекторных двигателей от коллекторных. Щёточно-коллекторный узел, является подвижным электрическим контактом и сам по себе имеет невысокую надёжность и устойчивость к влиянию различных воздействий со стороны окружающей среды.

Отсутствие необходимости обслуживания коллекторного узла

. Является особенно актуальным для двигателей среднего и крупного габарита. Для микроэлектродвигателей, проведение ремонта экономически оправдано далеко не во всех случаях, поэтому для них этот пункт не является актуальным.

Сложная схема управления. Прямое следствие переноса функции переключения токов обмотки во внешний коммутатор. Если в простейшем случае для управления коллекторным двигателем необходимо иметь только источник питания, то для бесколлекторного двигателя такой подход не работает – контроллер нужен даже для решения самых простых задач управления движением. Однако, когда речь идёт о решении для сложных случаев (например, задачи позиционирования), то контроллер становится необходим для всех типов двигателей.

Высокая скорость вращения. В коллекторных двигателях скорость перемещения щётки по коллектору ограничена, хотя и различна для различных конструкций этих двух деталей и различных используемых материалов. Предельная скорость перемещения щёток по коллектору сильно ограничивает скорость вращения коллекторных двигателей. Бесколлекторные двигатели не имеют такого ограничения, что позволяет выполнять их для работы на скоростях до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту – цифра недостижимая для коллекторных двигателей.

Большая удельная мощность. Возможность  достичь большой удельной мощности является следствием высокой скорости вращения, доступной для бесколлекторного двигателя.

Хороший отвод тепла от обмотки. Обмотка бесколлекторных двигателей неподвижно закреплена на статоре и есть возможность обеспечить хороший тепловой контакт её с корпусом, который передаёт тепло, выделяемое в двигателе, в окружающую среду. У коллекторного двигателя обмотка установлена на роторе, и её тепловой контакт с корпусом гораздо хуже, чем у бесколлекторного двигателя.

Больше проводов для подключения. Когда двигатель расположен близко от контроллера, то это конечно не повод для огорчения. Однако если условия окружающей среды, в которых работает двигатель очень сложны, то вынесение управляющей электроники на значительное расстояние (десятки и сотни метров) от двигателя является подчас единственным доступным вариантом для разработчиков системы. В таких условиях каждая дополнительная цепь для подключения двигателя, будет требовать дополнительных жил в кабеле, увеличивая его размеры и массу.

Уменьшение электромагнитных помех, исходящих от двигателя. Щёточно-коллекторный контакт создаёт при работе достаточно сильные помехи. Частота этих помех зависит от частоты вращения двигателя, что осложняет борьбу с ними. У бесколлекторного двигателя единственным источником помех является ШИМ силовых ключей, частота которого обычно постоянна.

Присутствие сложных электронных компонентов

. Электронные компоненты (датчики Холла, например) более остальных составных частей двигателя уязвимы для действия жёстких условий со стороны внешней среды, будь то высокая температура, низкая температура или ионизирующие излучения. Коллекторные двигатели не содержат электроники и у них подобная уязвимость отсутствует.

Где применяются бесколлекторные двигатели

К настоящему времени бесколлекторные двигатели получили широкое распространение, как благодаря своей высокой надёжности, высокой удельной мощности и возможности работать на высокой скорости, так и из-за быстрого развития полупроводниковой техники, сделавшей доступными мощные и компактные контроллеры для управления этими двигателями.

Бесколлекторные двигатели широко применяются в тех системах где их характеристики дают им преимущество перед двигателями других типов. Например, там, где требуется скорость вращения несколько десятков тысяч оборотов в минуту. Если от изделия требуется большой срок службы, а ремонт невозможен или ограничен из-за особенностей эксплуатации изделия, то и тогда бесколлекторный двигатель будет хорошим выбором.

Читать дальше:

Устройство и принцип работы электроинструмента

Содержание:

1. 1. Коллекторный электродвигатель постоянного тока
1. 1.1. Принцип действия
2. 1.2. Недостатки
2. 2. Бесколлекторный двигатель
3. 3. Редуктор
1. 3.1. Особенности редукторов
4. 4. Устройства управления
5. 5. Для безопасной работы

Двигатель, редуктор, устройства управления и детали для безопасной работы — вот основные узлы каждого электроинструмента. Для ручной машины важно, что бы она была как можно легче и меньше. Кроме того, от нее требуется высокая скорость, которую можно регулировать. Этим условиям отвечают двигатели постоянного тока. Они подразделяются на коллекторные и вентильные.

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Что бы понять, как электрическая энергия превращается в механическую, познакомимся с устройством двигателя. Его основные узлы: статор (индуктор), ротор (якорь) и примыкающий к нему щеточноколлекторный узел.

Статор — неподвижная стальная деталь, к которой прикрепляются главные и добавочные полюсы. Обмотка главных полюсов создает магнитное поле, а добавочная улучшает работу коллектора.

Вращающийся ротор устанавливается на валу. Он состоит из сердечника и обмотки. Ее концы соединяются с пластинами коллектора, к которому, в свою очередь, примыкают щетки — через них обмотка якоря соединяется с внешней цепью. Щетки занимают определенное положение по отношению к полюсам двигателя. В некоторых электроинструментах имеется поворотный щеткодержатель-траверса, благодаря ему положение щеток можно изменять. Это позволяет сохранить мощность при работе в режиме реверса. В остальных случаях вращение в обратном режиме включают электронные магнитные пускатели.

Принцип действия

Двигатель работает за счет электромагнитной индукции. При подаче напряжения на графитовые щетки, они замыкаются с ротором. По его обмотке проходит электрический ток. Так как ротор находится внутри магнитного поля статора, на него начинают действовать силы Ампера. На концах якоря они направлены в противоположные стороны, что создает крутящий момент. Ротор поворачивается на 180°. В этот момент крутящий момент становится равным нулю. Что бы вращение продолжалось необходимо переключить направление тока — провести коммутацию. По коллектору, который начал вращаться вместе с ротором, скользят щетки, в нужный момент они переходят с одной пластины на другую, меняя направление тока в обмотках ротора.

Частота вращения двигателя регулируется за счет изменения магнитного поля статора, которое в свою очередь генерируется током возбуждения двигателя. На этот ток можно повлиять реостатом, транзистором, т. е. любым устройством с активным сопротивлением. Таким образом, осуществляется электронная регулировка скорости.

Недостатки

Слабое место коллекторного двигателя — графитовые щетки, в процессе эксплуатации они истираются. При интенсивной нагрузке их приходится часто заменять. Кроме того, такой двигатель шумит и вибрирует во время работы, особенно на больших скоростях. Бороться с этими недостатками помогает использование в конструкциях качественных деталей и внешних антивибрационных элементов.

Бесколлекторный двигатель

Существует вид двигателей постоянного тока, в которых отсутствует щеточно-коллекторный узел. Ток в них изменяется с помощью электронных переключателей, что избавляет конструкцию от наличия щеток. Такие моторы называют вентильными. Принцип их работы аналогичен описанному выше. От коллекторных их отличает конструкция: магниты размещены на роторе, а обмотка на статоре.

Датчик углового положения ротора указывает электронному блоку, когда нужно менять направление тока. Единственный недостаток вентильного двигателя — дорогостоящие детали. По этой причине в ручных электроинструментах в основном используются коллекторные двигатели, с вентильным — лишь единичные модели: компании Makita и Hitachi предлагают аккумуляторные ударные шуруповерты, называя их инструментами будущего.

Редуктор

Механическую энергию, которую вырабатывает двигатель, нужно передать на рабочий орган машины (шпиндель). Эту функцию выполняет редуктор. Часто его называют понижающим. Скорость вращения входного вала высокая, механическая передача (одна или несколько) преобразует ее так, что на выходном валу получается меньшее число оборотов, но высокий крутящий момент.

В ручных машинах применяют разнообразные виды механических передач: зубчатая, ременная, цепная, планетарная. В большинстве случаев на выходе получается вращение. Но есть инструменты, в которых этот вид движения преобразуется в другой.

Ударный механизм перфоратора работает следующим образом. На валу установлен «пьяный» подшипник — качающийся привод, которой преобразует вращательное движение от двигателя в поступательное — цилиндра. В пространстве между цилиндром, поршнем и бойком, находится воздух. Он сжимается и заставляет поршень перемещаться сначала вперед к бойку, а затем возвращает его в исходное положение.

Редуктор электролобзика преобразует вращение вала двигателя в возвратно-поступательное движение ползуна. Расположенный вертикально ползун перемещает пилку вниз и вверх. Пилка опирается на опорный ролик. Наличие функции маятникового хода означает, что опорный ролик и вилка, на которой он держится, могут отклоняться назад. В результате пилка, кроме основного, совершает движение вперед и назад. Это увеличивает скорость прямолинейного реза. Ступени маятникового хода задаются степенью отклонения ролика.

В вибрационных шлифмашинах эксцентрик, установленный на валу, так преобразует вращательное движение, что подошва всего лишь колеблется с маленькой амплитудой. В эксцентриковых шлифовальных машинах вращательное движение рабочего органа сохраняется, но эксцентрик добавляет ему колебания. Такие преобразования позволяют выполнять с помощью этих инструментов тонкую шлифовку.

Особенности редукторов

Для пользователя имеет значение, из каких деталей изготовлен редуктор, от этого зависит его надежность и срок службы всего электроинструмента. В моделях бытового класса часто используются шестерни из пластмассы, в профессиональных — редуктор полностью металлический. Преимуществом считается, если и корпус то же выполнен из металла. В этом случае инструмент лучше выдерживает большие нагрузки и удары.

Важной функцией, которую может выполнять редуктор, является ступенчатое изменение частоты вращения выходного вала. Она доступна на отдельных моделях дрелей, шуруповертов. Механическое переключение скоростей позволяет работать с меньшей скоростью и большим крутящим моментом на первой передаче и с более высоким числом оборотов — на второй. Если сравнить технические характеристики в цифрах, то можно сразу заметить, что инструменты с двухскоростным (трехскоростные встречаются редко) редуктором отличаются большим числом оборотов по сравнению с обычными моделями, в которых обороты регулируются только электроникой. Эта особенность обеспечивает высокую производительность и оптимальный подбор режима работы.

Устройства управления

Для питания двигателя в электроинструментах используются различные схемы, в том числе микропроцессорные электроприводы. Обязательным элементом любой системы является выпрямитель. Он преобразует переменный ток сети в постоянный, который подается на электродвигатель. В аккумуляторных инструментах, которые питаются от батарей, выпрямитель не требуется.

Скорость вращения регулирует преобразователь частоты. Самый простой его вариант — это несколько реле, с помощью которых число оборотов можно установить вручную. В систему так же могут входить магнитные пускатели с кнопкой для изменения направления вращения двигателя (функция реверса). Устройство управления двигателем размещают под рукояткой или вблизи нее, где на корпус выводятся курок-выключатель, колесико регулировки скорости, кнопка реверса.

Для безопасной работы

К ручным инструментам предъявляются особые требования, связанные с безопасностью работы. Электропроводящие детали покрывают специальным материалом для защиты пользователя от поражения током. Многие производители, кроме основной изоляции, на случай ее повреждения, применяют дополнительную, получая, таким образом, двойную. Остальные защитные устройства, такие как муфты, фиксаторы применяются в зависимости от вида инструмента.

Двигатель электромобиля — принцип работы, устройство, виды

По планам многих автоконцернов – именно за тяговым двигателем для электромобиля – будущее. Так известно, что в плане развития известного гиганта Bentley Motors значится, что к 2030-му году компания полностью трансформируется в производителя электроавтомобилей. На электродвигатели ставки также делают такие известные на весь мир компании, как Nissan, Volvo, Aston Martin. 

Тенденции таковы, что в массовом производстве сейчас больше представлены легковые электромобили и городской электротранспорт (согласно планам, в ряде таких стран как, к примеру, Франция и Норвегия в 2025-2030-м гг. автобусы в городах будут полностью заменены на электротранспорт).

Но чувствуется интерес и к установке электромоторов на грузовой транспорт. Особенно электродвигатели интересны производителям городских развозных фургонов, терминальных тягачей и коммунальных грузовиков.

На весь мир уже хорошо известен седельный тягач капотного типа Tesla Semi, в коммунальном хозяйстве США активно не первый год используют мусоровозы PETERBILT на электротяге, в Евросоюзе возрастает интерес к седельному тягачу с электродвигателем Emoss Mobile Systems B.V. и Renault Trucks –развозному автомобилю для продуктов.

На постсоветском пространстве свой коммерческий электротранспорт пока только начинает появляться, но уже активно говорят про грузовик МАЗ-4381Е0 (на грузовике установлен асинхронный тяговый электродвигатель мощностью 70 кВт (95 л.с.), ориентированный на транспортировку грузов в черте города, и электрогрузовик Moskva опытно-конструкторского бюро Drive Electro (главное назначение — доставка товаров в магазины). Не за горами время, когда этот коммерческий транспорт с электромоторами будет активно востребован автопарками, логистическими центрами, предприятиями.

Также, безусловно, давно, как данность мы принимаем, что на электродвигателе работают трамваи, троллейбусы, погрузчики на складах и локомотивы. Трёхфазный асинхронный двигатель помогает двигаться на давно полюбившихся поездах «Ласточка» и «Сапсан».

Принцип работы

Принцип работы двигателя электромобиля основан на преобразовании электроэнергии в механическую энергию вращения. Главные участники преобразования энергии – статор и ротор.

Как работает традиционный электромотор?

1. Магнитное поле статора действует на обмотку ротора.
2. Возникает вращающий момент.
3. Ротор начинает двигаться.

Наглядная схема двигателя электромобиля в системе электропривода представлена ниже:

Важная особенность классического электрокара – отсутствие дифференциала, коробки передач, передаточных устройств с шестеренками. Энергия от электромотора поступает прямо на колеса.

Без коробки передач – и большинство «гибридов» с электродвигателем и ДВС. Исключение – «гибриды» с параллельной схемой передачи на колёса крутящего момента. К ней мы ещё вернёмся в этой статье в разделе, посвящённом гибридным автомобилям.

Принцип работы любого электродвигателя базируется на процессах взаимного притяжения и отталкивания полюсов магнитов на роторе и статоре. Движение осуществляется под действием самого магнитного поля и инерции.

Устройство

Как устроен двигатель электромобиля?

При описании принципа работы электродвигателя, уже было упомянуто, что главные компоненты двигателя электромобиля– ротор и статор.

1. Ротор – это вращающийся компонент двигателя.
2. Статор находится в неподвижном состоянии. Он ответственен за создание неподвижного магнитного поля.

Ротор

Классический ротор автомобиля состоит из сердечника, обмотки и вала. У некоторых электродвигателей в состав ротора также входит коллектор.

• Сердечник – это металлический стержень, на периферии которого располагается обмотка. Непосредственно через сердечник происходит замыкание магнитной цепи электродвигателя. Сердечник изготавливается из стальных пластин круглой формы. По структуре похож на слоёный пирог. При производстве сердечников используют изолированные листы стали с присадками кремния. В этом случае обеспечены увеличение КПД электродвигателя, наименьшие удельные потери в металле на единицу массы, снижение величины размагничивающих вихревых токов Фуко, которые возникают из-за перемагничивания сердечника. На поверхности сердечника есть продольные пазы. Через них прокладывается обмотка.
• Вал – металлический стержень, который непосредственно передаёт вращающий момент. Также изготавливается из электротехнической стали. Служит основой для насаживания сердечника. На концах вала есть резьба, выемки под шестерёнки, подшипники качения, шкивы.
• Коллектор – блок, крепящийся на валу. Представляет собой систему медных пластин. Изолирован от вала. Служит выпрямителем переменного тока, переключателем-автоматом направления тока (в зависимости от вида электродвигателя).

Статор (индуктор)

Статор состоит из станины, сердечника и обмотки:

• Станина статора – корпус статора. Как правило, корпус бывает алюминиевым или чугунным. Алюминиевые станины популярны у электродвигателей легковых авто, чугунные – у спецтехники, которая вынуждена работать в условиях высокой вибрации. Станина служит базой крепления основных и добавочных полюсов.
• Сердечник статора – цилиндр из профилированных стальных листов. Фиксируется винтами внутри станины. Снабжён пазами для обмотки.
• Обмотка. Создаёт магнитный поток. При пересечении проводников ротора наводит в них электродвижущую силу.

Виды

Электродвигатели классифицируют по типу питания привода, конструкции щеточно-коллекторного узла, количеству фаз для запитывания:

• По типу питания привода. Устройства делятся на моторы переменного и постоянного тока. Двигатели постоянного тока способны обеспечить более точную и плавную регулировку оборотов, высокий КПД. Двигатели переменного тока выручают, когда важна высокая перегрузочная способность. Это удачный вариант для подъёмно-транспортных машин. Впрочем, существуют и универсальные моторы, которые функционируют от переменного и постоянного тока.
• По конструкции щеточно-коллекторного узла. Выпускаются бесколлекторные и коллекторные моторы. Бесколлекторный мотор работает за счёт движения ротора с постоянным магнитом. У конструкции нет щеточно-коллекторного узла. Решение обеспечивает достойный крутящий момент, широкий диапазон скоростей и высокий КПД. Важные преимущества бесколлекторного мотора – надёжность, способность к самосинхронизации, возможность подпитываться при переменном напряжении. Ресурс бесколлекторного мотора ограничен исключительно ресурсом подшипников. У коллекторных моторов присутствует щелочно-коллекторный узел. Удобство решения связано с тем, что он может использоваться и в качестве переключателя тока в обмотках, и как извещатель положения ротора, нет необходимости в контролле. Проблема коллекторных моделей – в том, что они зависимы от постоянных магнитов, которые, как известно, со временем, к огромному сожалению, теряют свои свойства.
• По количеству фаз для запитывания. В зависимости от того, как запитывается обмотка, электродвигатели бывают однофазными и трёхфазными. В автомобилестроении широкое распространение получили трёхфазные решения, это связано с рядом технических характеристик (мощность, перегрузочная способность, частота вращения на холостом ходу).

Обратите внимание! Работать трёхфазные моторы могут синхронно и асинхронно, а в качестве ротора используются как короткозамкнутые, так и фазные модели. Самый популярный вариант – трехфазные асинхронные моторы с короткозамкнутым ротором. Они стоят на большинстве современных электрокаров.

Асинхронные и синхронные двигатели

Синхронные моторы – двигатели переменного тока, у которых частота вращения ротора идентична частоте вращения магнитного поля (измерение производится в воздушном зазоре). В автомобилестроении синхронные моторы встретить можно нечасто (хотя в мире техники – это, в целом, очень популярное решение – особенно в климатотехнике, насосных системах).

Но есть производители авто, которые при производстве электрокаров предпочитают устанавливать на свои машины именно синхронные двигатели. Яркий пример – концерн Renault. Синхронными двигателями на электромагнитах он оснастил электрокар Renault Zoe. На электромагниты подаётся постоянный ток. Полярность магнитов ротора стабильна. Полярность магнитов статора при этом изменяется и обеспечивает бесперебойное вращение.

Преимущество синхронных двигателей на электромагнитах у авто – максимальная оптимизация рекуперации энергии торможения. И главный «конёк» авто с таким типом электродвигателя – полная безопасность при буксировке.

Гораздо более популярный вариант – асинхронные двигатели. Это двигатели переменного тока, у которых потенциал напряжения – магнитного поля не совпадает с частотой вращения ротора. Типичным 3-фазным асинхронным двигателем оснащены, например, хорошо известные автомобили Tesla S и Tesla Х.

Иногда асинхронные моторы называют индукционными, так как в роторе в соответствие с законом Ленца у них индуцируется электромагнитная сила.

Двигатель-колесо

Обособленно среди электромоторов стоит двигатель-колесо. Особенность двигателя- колеса – ориентир крутящего момента и силы напряжения на конкретное колесо.

Такие решения можно встретить в плагин-гибридных автомобилях («гибридах» с параллельной схемой, при описании устройства гибридных авто ниже по тексту мы остановимся на них подробнее). Работает двигатель-колесо в паре с ДВС.

У первых плагин-гибридных автомобилей с двигателем-колесом агрегат был монтирован в ступицу колеса, а работа осуществлялась исключительно в паре с внутренним зубчатым редуктором.

Некоторые же современные модели моторов, монтируемые внутри колёс, вполне могут работать без зубчатого редуктора. Это увеличивает управляемость, позволяет избежать увеличения удельного веса шасси, уменьшить риски, повышает КПД.

Преимущества и недостатки электродвигателей

Преимуществ у электродвигателей существенно больше, нежели недостатков. Более того, за счёт усовершенствования и конструктивных особенностей самих электроприводов, и инфраструктуры, связанной с зарядкой, многие вещи, которые вчера ещё казались критичными, сегодня теряют свою актуальность.

Преимущества

• Не требуется «раскачка». Крутящий момент достигает максимума непосредственно при включении. Именно по этой причине электрический двигатель электромобиля не требует наличия стартеров и сцеплений – неотъемлемых спутников ДВС.
• Удобство. Для включения заднего хода (то есть коррекции со стороны вращения мотора) достаточно поменять полярность, сложная коробка передач не требуется.
• Высокий КПД. У машин с электродвигателями он достигает 95 %.
• Независимость. На любой отметке скорости достигается максимальный показатель крутящего момента.
• У мотора – малый вес. Производители могут себе легко позволить создавать компактные автомобили.
• Есть все возможности для рекуперации энергии торможения. Если у авто с ДВС кинетическая энергия просто уходит в колодки (и стирает их), то у электромобиля в режиме рекуперации мотор может функционировать как генератор. В режиме генерации электроэнергия просто трансформируется в другую форму и быстро накапливается в АКБ. Особенно решение эффективно для транспортных средств с длинным тормозным путем. На объём генерируемой и накопленной энергии существенно влияет маршрут (рельеф, в частности наличие холмистых участков на дороге и уклон дороги).
• Снижение расходов на эксплуатацию машины. Зарядку можно производить от электросети. Это существенно дешевле, нежели использование дизеля, бензина. Выгода очевидна даже по сравнению с бензиновыми авто эконом-класса.
• Малый уровень шума.
• В большинстве случаев для мотора не требуется принудительное охлаждение.
• Экологичность. Использование транспорта с электродвигателем снижает количество выхлопных газов в воздухе.

Недостатки

Долгое время считалось, что самый большой минус использования электродвигателя – его зависимость от аккумуляторов, которые быстро выходят из строя. Теперь это неактуально. Современные батареи электрокаров, представленных в массовом выпуске, гарантируют пробег автомобиля 150-200 тыс. км. Потерял актуальность и тот фактор, что машины с электродвигателем существенно уступают бензиновым по мощности. Электротяга современных электромоторов уже не уступает ДВС.

Поэтому недостатки электродвигателей сейчас правильно свести не к недостаткам конструкции, а к плохо развитой инфраструктуре для того, чтобы подзаряжать электромобили. Если в США, Скандинавии подзарядить электрокар легко, то до недавнего момента даже в Западной и Центральной Европе с инфраструктурой для подзарядки таких машин были проблемы.

В России, Беларуси, Украине, Казахстане, пока, увы, с инфраструктурой ситуация ещё хуже. Хотя, например, в России число заправок для электрокаров с 2018 по 2020 год возросло в 3 раза, но полотно покрытия площадками для зарядки очень неоднородное. В Москве – более плотное, в регионах – слабое. Даже разрыв с такими городами-гигантами как Санкт-Петербург и Челябинск — колоссальный.

Устройство электромобиля

Рассматривая электродвигатель, важно остановиться на устройстве электромобиля в целом, изучение электродвигателя не самого по себе, а как части системы электропривода, где электродвигатель – один из его базовых компонентов, его «сердце». Но «организм», функционирует только тогда, когда в порядке все другие «органы» – части электропривода:

• Аккумуляторная батарея.
• Бортовое зарядное устройство. Его функция – обеспечение возможности заряжать аккумуляторную батарею от бытовой электрической сети.
• Трансмиссия. Распространены трансмиссия с одноступенчатым зубчатым редуктором (чаще всего встречающийся и наиболее простой вариант) и бесступенчатая трансмиссия с гидротрансформатором (для старта с места), плавно изменяющие отношение скоростей вращения и вращающих моментов мотора и ведущих колес транспортного средства во всём рабочем диапазоне скоростей и тяговых усилий.
• Инвертор. Назначение инвертора – трансформирование высокого напряжения постоянного тока аккумулятора в трехфазное напряжение переменного тока.
• Преобразователь постоянного тока. Функция – зарядка дополнительной батареи, которая используется для системы освещения, кондиционирования, аудиосистемы.
• Электронная система управления (блок управления). Отвечает за управление функциями, связанными с энергосбережением, безопасностью комфортом. В её «подчинении» – оценка заряда АКБ, оптимизация режимов движения, регулирование тяги, контроль за использованной энергией и за напряжением, управлением ускорением и рекуперативным торможением.

Аккумуляторная батарея

Аккумуляторная батарея (аккумулятор) – один из наиболее дорогих компонентов системы. По своей значимости играет такую же роль, как бензобак для ДВС. Электромобиль движется за счёт электричества, полученного от электросети во время зарядки и хранящегося в АКБ.

При этом важно помнить, что у большинства электромобилей устанавливаются одновременно два аккумулятора: один тяговой – он питает именно мотор и стартерный (как и в машинах с ДВС, он помогает системе освещения, системе подогрева). Эти аккумуляторы разные не только по назначению, но и техническим характеристикам.
Тяговый аккумулятор электрического двигателя электромобиля предназначен для питания мотора, запуска двигателя. У него нет высокого пускового тока, но он заточен на длительную работу, выдерживает большое количество циклов заряда-разряда.

Типичная тяговая АКБ – моноблочная секционная конструкция. Тяговая АКБ состоит из толстых электронных пластин – пористых сепараторов и электролитного вещества.
Самые распространенные аккумуляторы – литий-ионные. У них – наиболее высокая энергетическая плотность, не требуется обслуживание, достаточно низкий саморазряд.

Устройство и особенности гибридных систем

Свои особенности – у гибридных систем. В гибридных системах электродвигатель может рассматриваться и как «партнёр» ДВС, и как допэлемент, помогающий добиться экономии топлива и при этом повышения мощности.

Устройство «гибрида» отличается в зависимости от реализованной схемы передачи на колёса крутящего момента.

• Параллельная. Аккумуляторы передают энергию электромотору, бак – топливо для ДВС. Оба агрегата равноправны и способны создать условия для перемещения авто. Но работает такая схема только при наличии коробки передач. Параллельная схема успешно реализована у автомобиля Honda Civic. Нередко гибриды с параллельной схемой выделяют в отдельную группу и называют плагин-гибридными.

• Последовательная. Любое действие начинается с включения ДВС. Он же отвечает за последующие действия: поворот генератора для запуска электромотора, зарядку аккумуляторов.

• Последовательно-параллельная. Через планетарный редуктор соединены ДВС, электродвигатель и генератор. В зависимости от условий движения может использоваться тяга электродвигателя или ДВС. Режим выбирается программно системой управления транспортного средства. Среди хорошо известных последовательно-параллельных «гибридов» – Toyota Prius, Lexus-RX 400h.

Классический гибридный автомобиль использует интегрированный в трансмиссию электрический мотор-генератор.

При этом для получения электрической тяги у гибридных систем задействованы четыре базовых компонента:

• Мотор-генератор. Является обратимой силовой установкой. Может работать в двух режимах: непосредственно тягового мотора и генератора для зарядки высоковольтной аккумуляторной батареи. При работе в режиме мотора возможно создание крутящего момента и мощности, которых хватит для старта и движения автомобиля с выключенным ДВС, при работе устройства в режиме генератора продуцируется высоковольтная электроэнергия.
• Высоковольтные силовые кабели. Изолированные электрические кабели большого сечения. Важны для переноса энергии между компонентами высоковольтных электроцепей.
• Высоковольтные аккумуляторные батареи. Включенные в последовательную цепь аккумуляторные элементы. Позволяют накопить в батарее большой объём электроэнергии.
• Высоковольтный силовой модуль управления для управления потоком электроэнергии для движения транспортного средства на электрической тяге.

Гибридные авто открывают новые эксплуатационные возможности, с одной стороны можно быть максимально экологичным, радоваться комфортной езде и сэкономить на топливе, а с другой стороны, при разряде аккумулятора владелец авто не попадёт впросак, если невозможно подзарядить мотор: в работу вступит ДВС.

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях напрямую связаны с тем, насколько активно будет развиваться инфраструктура. Там, где она не обеспечена, использование электрокаров действительно ограничено. Ведь без подзарядки у многих авто – малая дальность пробега.

Впрочем, даже последняя проблема активно решаемая. Немецкие и японские разработчики (компании DBM Energy, Lekker Energie, Japan Electric Vehicle Club) сумели доказать миру: потенциал у электродвигателей, аккумуляторов без подзарядки может достигать 500 -1000 тысяч километров пробега. Правда, пока что 1 000 тысяч км пробега без подзарядки возможны только в теории, а 500-600 уже на практике.

На данный момент доступность такого транспорта – на уровне инженерно-конструкторской работы, экспериментальных выпусков, но есть перспективы что их подхватят автогиганты, и не за горизонтом – серийное производство.

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях очень тесно связаны и с политикой отдельных государств. Например, в Норвегии обладатели электромобилей освобождены от уплаты ежегодного налога на транспорт, пользования платными дорогами, паромными переправами и даже большинством парковок. С учётом того, что налоги и тарифы в Скандинавии одни из самых высоких, мотивация приобрести именно авто с электродвигателем, а не ДВС – очень высокая.

Обратите внимание, что на базе LCMS ELECTUDE есть специальный раздел “Электрический привод”, в нём подробно разбираются электродвигатели, виды электропривода, системы зарядки, особенности обслуживания транспорта с электромотором. Кроме комплексных теоретических знаний в обучающих модулях приводятся многочисленные практические примеры.

Коллекторный двигатель постоянного тока: конструкция и принцип действия

Коллекторные электродвигатели довольно распространены в быту и на производстве. Они используются для привода различных механизмов, электроинструмента, в автомобилях. Отчасти популярность обусловлена простой регулировкой оборотов ротора, но есть и некоторые ограничения их применения и конечно же недостатки. Давайте разберемся что такое коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ), какие бывают разновидности данного вида электродвигателей и где они используются.

Определение и устройство

В справочниках и энциклопедиях приводят, такое определение:

«Коллекторным называется электродвигатель, у которого датчиком положения вала и переключателем обмоток является одно и то же устройство – коллектор. Такие двигатели могут работать либо только на постоянном токе, либо и на постоянном, и на переменном.»

Коллекторный электродвигатель, как и любой другой, состоит из ротора и статора. В этом случае ротор – является якорем. Напомним, что якорем называется та часть электрической машины, которая потребляет основной ток, и в которой индуцируется электродвижущая сила.

Для чего нужен и как устроен коллектор? Коллектор расположен на валу (роторе), и представляет собой набор продольно расположенных пластин, изолированных от вала и друг от друга. Их называют ламелями. К ламелям подключаются отводы секций обмоток якоря (устройство якорной обмотки КДПТ вы видите на группе рисунков ниже), а точнее к каждой из них подключен конец предыдущей и начало следующей секции обмотки.

Ток к обмоткам подаётся через щетки. Щётки образуют скользящий контакт и во время вращения вала соприкасаются то с одной, то с другой ламелью. Таким образом происходит переключение обмоток якоря, для этого и нужен коллектор.

Щеточный узел состоит из кронштейна с щеткодержателями, непосредственно в них и устанавливаются графитовые или металлографитовые щетки. Для обеспечения хорошего контакта щетки прижимаются к коллектору пружинами.

На статоре устанавливаются постоянные магниты или электромагниты (обмотка возбуждения), которые создают магнитное поле статора. В литературе по электрическим машинам вместо слова «статор» чаще используют термины «магнитная система» или «индуктор». На рисунке ниже изображена конструкция ДПТ в разных проекциях. Теперь же давайте разберемся как работает коллекторный двигатель постоянного тока!

Принцип действия

Когда ток протекает через обмотку якоря, возникает магнитное поле, направление которого можно определить с помощью правила буравчика. Постоянное магнитное поле статора взаимодействует с полем якоря, и он начинает вращаться благодаря тому, что одноименные полюса отталкиваются, притягиваясь к разноимённым. Что отлично иллюстрирует рисунок ниже.

При переходе щеток на другие ламели ток начинает протекать в обратную сторону (если рассматривать приведенный выше пример), магнитные полюса меняются местами и процесс повторяется.

В современных коллекторных машинах не используется двухполюсная конструкция из-за неравномерности вращения, в момент переключения направления тока силы, действующие на якорь, будут минимальны. А если включить двигатель, вал которого остановился в этом «переходном» положении — он может и не начать вращаться совсем. Поэтому на коллекторе современного двигателя постоянного тока расположено значительно больше полюсов и секций обмоток, уложенных в пазах шихтованного сердечника, таким образом достигаются оптимальные плавность движения и момент на валу.

Принцип работы коллекторного двигателя простым языком для чайников раскрыт в следующем видеоролике, убедительно рекомендуем ознакомиться.

Виды КДПТ и схемы соединения обмоток

По способу возбуждения коллекторные двигатели постоянного тока различают двух типов:

1. С постоянными магнитами (маломощные двигатели мощностью десятки и сотни Ватт).
2. С электромагнитами (мощные машины, например, на грузоподъёмных механизмах и станках).

Различают такие типы КДПТ по способу соединения обмоток:

• Последовательного возбуждения (в старой отечественной литературе и от старых электриков можно услышать название «Сериесные», от англ. Serial). Здесь обмотка возбуждения подключена последовательно с обмоткой якоря. Высокий пусковой момент – преимущество такой схемы, а её недостаток – падение частоты вращения с увеличением нагрузки на валу (мягкая механическая характеристика), и то что двигатель идёт вразнос (неконтролируемый рост оборотов с последующим повреждением опорных подшипников и якоря) если работают на холостом ходу или с нагрузкой на валу в меньше 20-30% от номинальной.
• Параллельного (также называют «шунтовые»). Соответственно обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря. На низких оборотах на валу высокий момент и стабилен в относительно широком диапазоне оборотов, а с увеличением оборотов он уменьшается. Преимущество — стабильные обороты в широком диапазоне нагрузки на валу (ограничивается его мощностью), а недостаток – при обрыве в цепи возбуждения может пойти вразнос.
• Назависимого. Обмотки возбуждения и якоря питаются от разных источников. Такое решение позволяет точнее регулировать обороты вала. Особенности работы похожи на ДПТ с параллельным возбуждением.
• Смешанного. Часть обмотки возбуждения подключена параллельно, а часть последовательно с якорем. Совмещают достоинства последовательного и параллельного типов.

Условное графическое обозначение на схеме вы видите ниже.

В иностранной и современной отечественной литературе, а также на схемах можно встретить и другое представление УГО для КДПТ, как было приведено на предыдущем рисунке в виде круга с двумя квадратами, где круг обозначает якорь, а два квадрата – щетки.

Схема подключения и реверс

Схема соединения обмоток статора и ротора определяется при изготовлении, и, в зависимости от того, где применяется конкретный двигатель, нужно выбирать соответствующее решение. В определенных режимах работы (тормозной режим, например) схемы включения обмоток могут изменяться или вводиться дополнительные элементы.

Включают маломощные коллекторные двигатели постоянного тока с помощью: полупроводниковых ключей (транзисторов), тумблеров или кнопок, специализированных микросхем-драйверов или с помощью маломощных реле. Крупные мощные машины подключаются к сети постоянного тока через двухполюсные контакторы.

Ниже вы видите реверсивную схему подключения двигателя постоянного тока к сети 220В. На практике, на производстве схема будет аналогичной, но диодного моста в ней не будет, поскольку все линии для подключения таких двигателей прокладываются от тяговых подстанций, где переменный ток выпрямляется.

Реверс осуществляется путем смены полярности на обмотке возбуждения или на якоре. Изменить полярность и там, и там нельзя, поскольку направление вращения вала не изменится, как это происходит с универсальными коллекторными двигателями при работе на переменном токе.

Для плавного пуска двигателя в цепь питания обмотки якоря или обмотки якоря и обмотки возбуждения (в зависимости от схемы их соединения) вводят регулировочное устройство, например, реостат, таким же образом регулируют и частоту вращения вала, но вместо реостата чаще используют набор постоянных резисторов, подключаемых с помощью набора контакторов.

В современных приложениях частота оборотов изменяется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и полупроводникового ключа, именно так это и сделано в аккумуляторном электроинструменте (шуруповёрт, например). КПД такого способа значительно выше.

Сфера применения

Коллекторные двигатели постоянного тока применяются повсеместно как в быту, так и в промышленных устройствах и механизмах, давайте кратко рассмотрим их область применения:

• В автомобилях используют 12В и 24В коллекторные ДПТ для привода щеток стеклоочистителей (дворников), в стеклоподъёмниках, для запуска двигателя (стартер — это коллекторный двигатель постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения) и приводах другого назначения.
• В грузоподъёмных механизмах (краны, лифты и пр.) используются КДПТ, которые работают от сети постоянного тока с напряжением 220В или любым другим доступным напряжением.
• В детских игрушках и радиоуправляемых моделях малой мощности используются КДПТ с трёхполюсным ротором и постоянными магнитами на статоре.
• В ручном аккумуляторном электроинструменте — разнообразные дрели, болгарки, электроотвертки и т.д.

Отметим, что в современный дорогой электроинструмент устанавливают не коллекторные, а бесколлекторные электродвигатели.

Достоинства и недостатки

Разберем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

1. Соотношение размеров к мощности (массогабаритные показатели).
2. Простота регулировки оборотов и реализации плавного пуска.
3. Пусковой момент.

Недостатки у КДПТ следующие:

1. Износ щеток. Высоконагруженные двигатели, которые регулярно эксплуатируются, требуют регулярного осмотра, замены щеток и обслуживания коллекторного узла.
2. Коллектор изнашивается из-за трения щеток.
3. Возможно искрение щеток, что ограничивает применение в опасных местах (тогда используют КДПТ взрывозащищенного исполнения).
4. Из-за постоянного переключения обмоток этот тип двигателей постоянного тока вносит помехи и искажения в питающие цепи или электросеть, что приводит к сбоям и проблемам в работе других элементов схемы (особенно актуально для электронных схем).
5. У ДПТ на постоянных магнитах магнитные силы со временем ослабевают (размагничиваются) и эффективность двигателя снижается.

Вот мы и рассмотрели, что такое коллекторный двигатель постоянного тока, как он устроен и какой у него принцип действия. Если остались вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Материалы по теме:

Коллекторный двигатель: устройство, управление, регулирование

Мы часто встречаемся с электродвигателями. Они обеспечивают работу бытовой и строительной техники, являются составной частью производственного оборудования. Немалая часть устройств имеет в составе коллекторный двигатель. Это один из простых и недорогих движков, который имеет хорошие характеристики. Именно этим, да ещё невысокой ценой, обусловлена его популярность. 

Содержание статьи

Что такое коллекторный двигатель и его особенности

Коллектором называют часть двигателя, контактирующую со щётками. Этот узел обеспечивает передачу электроэнергии в рабочую часть агрегата. Коллекторным называется двигатель, у которого хотя бы одна обмотка ротора соединена со щётками и коллектором. Коллекторные электродвигатели бывают:

• постоянного тока;
• переменного тока;
• универсальные.

Коллекторный двигатель может быть постоянного и переменного тока. Есть универсальные модели, которые могут работать от источника напряжения любого типа

Последние универсальные, работают как от постоянного, так и от переменного тока. Они сохраняют популярность, даже несмотря на то, что наличие щёток отрицательный момент, так как щётки стираются и искрят. За этим узлом требуется постоянное наблюдение, техническое обслуживание. К плюсам коллекторных двигателей относят возможность плавной регулировки скорости в широких пределах, невысокую стоимость.

Как и другие электромоторы, коллекторный состоит из статора и ротора (часто называют «якорь»). Его отличительной чертой является наличие на валу коллекторного узла, через который на машину передаётся электропитание. Устройство коллекторных моторов постоянного и переменного тока похожи, но имеют определённые отличия, потому рассмотрим подробнее их по отдельности.

Общее устройство коллекторных двигателей

Как и любой электродвигатель, коллекторный преобразует электрическую энергию в механическую. Он состоит из неподвижной части – статора и подвижной – ротора. В статоре располагаются обмотки возбуждения, ротор отвечает за передачу возникающей механической энергии. Одна из составляющих частей ротора – вал. С одной стороны, на валу размещён коллекторный узел, с помощью которого на обмотки ротора передаётся электрическая энергия.

Коллекторный двигатель: устройство

Статор состоит из корпуса, который защищает компоненты мотора от повреждений. Сверху и снизу корпуса крепятся магнитные полюса. Они необходимы для поддержания магнитного потока между статором и ротором.

Ротор коллекторного двигателя

Ротор коллекторного двигателя состоит из вала, на который насаживается сборный магнитопровод. С одной стороны, на вал крепится коллекторный узел, с другой, лопасти вентилятора. Для обеспечения лёгкого вращения и для фиксации в корпусе на вал с двух сторон надеваются подшипники. Для нормальной работы электродвигателя, необходимо чтобы ротор был отлично сбалансирован. Потому к изготовлению этой части подходят особенно скрупулёзно.

Подвижная (вращающаяся) часть

Роторная обмотка

Сердечник ротора собирается из металлических пластин, отштампованных из магнитного металла. Толщина пластин 0,35-0,5 мм, каждая из них залита слоем диэлектрического лака, для избавления от паразитных токов. Пластины по внешнему краю имеют пазы, в которые затем укладываются витки медной проволоки. Эти пластины насаживаются на вал и закрепляются на нём, собирается пакет требуемого размера. Эта система является магнитопроводом.

Так выглядит ротор коллекторного двигателя

В пазы магнитопровода укладывается витки медного обмоточного провода. Выходы обмоток выводятся на коллекторный узел, где и происходит их переключение.

Как устроен коллекторный узел и как он работает

Коллекторный узел стоит рассмотреть подробнее. Иначе понять, как вращается ротор, сложно. Коллектор имеет цилиндрическую форму и набран из медных пластин (иногда называют ламелями), которые изолированы друг от друга слюдяными или текстолитовыми прокладками. Нет электрического контакта и с осью вала, к которому  он крепится.

Коллектор имеет вид цилиндра, который набран из медных пластин. Пластины сделаны в виде секторов, разделены диэлектрическими прокладками

Получается, коллектор собран из медных секторов и без обмотки электрически друг с другом не связанных. К каждой пластине коллектора крепится вывод одной рамки обмотки ротора. К плоскости двух противоположных рамок коллектора прижимается две щетки. Они плотно прилегают к поверхности медной пластины коллектора, что даёт хороший контакт. На эти щётки подаётся потенциал, который и передаётся в тот виток обмотки ротора, который подключён к этим пластинам.

К парным пластинам коллектора прижимаются графитовые щетки

Так как ротор с некоторой скоростью вращается, одна пара пластин сменяется другой. Таким образом, напряжение передаётся на все обмотки ротора. При этом возникающие друг за другом поля поддерживают вращение ротора, «проталкивая» его в нужном направлении.

Принцип работы

Вот теперь, после того как рассмотрели устройство ротора, можно поговорить о том, как работает коллекторный двигатель. Собственно, принцип действия не отличается от других моторов, ротор начинает вращаться в магнитном поле благодаря наведенным на нём токам. Но как именно и почему эти тока наводятся? Для понимания надо вспомнить, как возникает электродвижущая сила в постоянном магнитном поле. Если в поле постоянного магнита ввести прямоугольную рамку, под действием возникающего в ней тока она начинает вращение. Направление вращения определяется по правилу буравчика. Для постоянного поля оно гласит так, если ввести правую руку в поле так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, вытянутые пальцы укажут направление движения.

Иллюстрация к пояснению принципа работы коллекторного двигателя постоянного тока

Если посмотреть на устройство ротора, то видим, что каждая обмотка представляет собой такую рамку. Только состоит она не из одного провода, а из нескольких, но сути это не меняет. При помощи коллекторного узла, в какой-то момент времени, обмотка подключается к питанию, по ней протекает ток и вокруг проводника возникает магнитное поле. Оно взаимодействует с полем статора. В зависимости от типа, стоят там постоянные магниты или тоже протекает постоянный ток в обмотках, генерируя на полюсах собственное магнитное поле. Поля ротора и статора рассчитаны так, что при взаимодействии они «проталкивают» ротор в нужном направлении. Вот, коротко и без особых подробностей описание работы коллекторного двигателя постоянного тока.

Обмотки на роторе подключаются к пластинам коллектора. Когда с пластинами контактируют щетки, получаем замкнутый контур, по которому течет ток

Если немного вдуматься, можно понять, почему коллекторный двигатель позволяет легко и плавно регулировать скорость. Чем больше напряжение подается на обмотки ротора, тем более мощное поле генерирует статор, тем сильнее их взаимодействие и быстрее крутится ротор, так как его толкают с большей силой. Если напряжение уменьшить, взаимодействие меньше, результирующая скорость вращения тоже. Так что все что нужно регулировать напряжение, а это может даже простой потенциометр (переменное сопротивление).

Достоинства и недостатки

Как водится, начнём с перечисления плюсов. Достоинства коллекторных электромоторов такие:

• Простое устройство.
• Высокая скорость до 10 000 об/мин.
• Хороший крутящий момент даже на малых оборотах.
• Невысокая стоимость.
• Возможность регулировать скорость в широких пределах.
• Невысокие пусковые токи и нагрузки.

Схема коллекторного двигателя

Неплохие качества, но есть и недостатки, причём они не менее серьёзные. Минусы коллекторных электродвигателей такие:

• Высокий уровень шумов при работе. Особенно на высоких скоростях. Щетки трутся о коллектор, дополнительно создавая шумы.
• Искрение щёток, их износ.
• Необходимость частого обслуживания коллекторного узла.
• Нестабильность показателей при изменении нагрузки.
• Высокая частота отказов из-за наличия коллектора и щёток, малый срок службы этого узла.

В целом, коллекторный двигатель неплохой выбор, иначе его не ставили бы на бытовой технике. Справедливости ради стоит сказать, что при нормальном качестве исполнения, работают такие двигатели годами. Могут и 10-15 лет проработать без проблем.

Коллекторный двигатель постоянного тока с магнитами

В коллекторных двигателях постоянного тока постоянное магнитное поле обеспечивают:

• постоянные магниты;
• обмотки возбуждения.

Магниты и обмотки располагаются на корпусе статора, и чаще всего, вверху и внизу. Если говорить о маломощных моторах, то более популярны коллекторные двигатели с постоянными магнитами. Они проще в производстве, дешевле, быстро реагируют на изменение напряжения, что позволяет плавно регулировать скорость. Недостаток моторов с постоянными магнитами является их невысокая мощность, а еще то, что со временем или при перегреве магниты теряют свои свойства и это приводит к ухудшению характеристик двигателя.

Устройство коллекторного двигателя постоянного тока

 

Такие моторы имеют небольшую мощность, от единиц до сотен Ватт. Они используются в технике, для которой важна плавная регулировка скоростей. Это обычно детские игрушки, некоторые виды бытовой техники (в основном вентиляторы). Недостатком коллекторного мотора с магнитами является постепенная потеря мощности, магниты со временем становятся слабее, и без того небольшая мощность падает. Но в последнее время появились новые магнитные сплавы с большой магнитной силой, позволяющие создавать двигатели с большой мощностью.

С обмотками возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока с обмотками возбуждения нашли более широкое применение. От двигателей этого типа работает аккумуляторный электроинструмент: болгарки, дрели, шуруповерты т.д. Обмотки возбуждения делают из изолированного медного провода (в лаковой оболочке). В качестве основы используются канавки в полюсных наконечниках. На них как на основу наматываются обмотки.

Коллекторный двигатель с системой обмоточного возбуждения

Если посмотреть на устройство коллекторного двигателя, мы видим два несвязанных между собой устройства, ротор и обмотки возбуждения. От способа их подключения зависят характеристики и свойства двигателя. Различают четыре способа соединения ротора и обмоток возбуждения. Эти способы называют способами возбуждения. Вот они:

• Независимое. Возможно только если напряжения на обмотке возбуждения и на якоре неравны (бывает очень редко). Если они равны, используется схема параллельного возбуждения.
• Параллельное. Хорошо регулируется скорость, стабильная работа на низких оборотах, постоянные характеристики, независимы от времени. К недостаткам подключения этого типа относится нестабильность двигателя при падении тока индуктора ниже нуля.
• Последовательное. При таком подключении нельзя включать двигатель с нагрузкой на валу ниже 25% от номинальной. При отсутствии нагрузки скорость вращения сильно возрастает, что может разрушить двигатель. Потому с ременной передачей такой тип подключения не используют, при обрыве ремня мотор разрушается. Схема последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах, но не слишком хорошо работает на высоких, управлять скоростью сложно.
• Смешанное. Считается одним из лучших. Хорошо управляется, имеет высокий крутящий момент на низких оборотах, редко выходит из-под контроля. Из недостатков самая высокая цена по сравнению с другими типами.

Способы подключения обмоток возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока могут иметь КПД от 8-10% до 85-88%. Зависит от типа подключения. Но высокопродуктивные отличаются высокими оборотами (тысячи оборотов в минуту, реже сотни) и низким моментом, так что они идеальны для вентиляторов. Для любой другой техники используют низкооборотистые модели с малым КПД, либо к продуктивным моделям добавляют редуктор, другого решения пока не нашли.

Универсальные коллекторные двигатели

Несмотря на то, что коллекторный узел можно назвать самым слабым местом электродвигателя, подобные модели нашли широкое применение. Все благодаря невысокой цене и легкости управления скоростью. Коллекторные двигатели переменного тока стоят практически в любой бытовой технике, как крупной, так и мелкой. Миксеры, блендеры, кофемолки, строительные фены, даже стиральные машины (привод барабана).

Универсальный коллекторный двигатель работает от постоянного и переменного напряжения

По строению универсальные коллекторные двигатели не отличаются от моделей постоянного тока с обмотками возбуждения. Разница, безусловно есть, но она не в устройстве, а в деталях:

• Схема возбуждения всегда последовательная.
• Магнитные системы ротора и статора для компенсации магнитных потерь делают шихтованного типа (единая система без сплошных разрезов).
• Обмотка возбуждения состоит из нескольких секций. Это необходимо, чтобы режимы работы на постоянном и переменном напряжении были схожи.

Работа коллекторных электродвигателей универсального типа основана на том, что если одновременно (или почти одновременно) поменять полярность питания на обмотках статора и ротора, направление результирующего момента останется тем же. При последовательной схеме возбуждения полярность меняется с очень небольшой задержкой. Так что направление вращения ротора остается тем же.

Достоинства и недостатки

Хотя универсальные коллекторные двигатели активно используются, они имеют серьёзные недостатки:

• Более низкий КПД при работе на переменном токе (если сравнивать с работой на постоянном такого же напряжения).
• Сильное искрение коллекторного узла на переменном токе.
• Создают радиопомехи.
• Повышенный уровень шума при работе.

Во многих моделях строительной техники

Но все эти недостатки нивелируются тем, что при частоте питающего напряжения в 50 Гц они могут вращаться со скоростью 9000-10000 об/мин. По сравнению с синхронными и асинхронными двигателями это очень много, максимальная их скорость — 3000 об/мин. Именно это обусловило использование этого типа моторов в бытовой технике. Но постепенно они заменяются современными бесщеточными двигателями. С развитием полупроводников их производство и управление становится всё более дешёвым и простым.

Как работает мотор-колесо? Об электровелосипедах

Мотор-колесо – бесщеточный синхронный электромотор постоянного тока, интегрированный в ступицу колеса. Электрические моторы данного типа не используют вспомогательных механизмов для передачи мощности от электродвигателя к колесу и лишены компонентов, подверженных трению, кроме подшипников в редукторных моделях. Электромотор, передаточный механизм и колесо объединены в общий узел, что придает ему высокую эксплуатационную надежность.

Типы мотор-колес

Ступичные электродвигатели предназначаются для монтажа в переднюю или заднюю вилку велосипеда (с различными размерами дропаута оси), бывают разной мощности, с выполненной заспицовкой в обод или без нее. В зависимости от внутреннего устройства они бывают:

1. Редукторные – с интегрированным планетарным редуктором. Такие модели компактны и легковесны, не создают сопротивление при езде с отключенным мотором, имеют отличные тяговые качества и обеспечивают уверенное преодоление подъемов. Но они производятся небольшой мощности – 250–500 Вт, поэтому высокие скорости развить не позволяют. 
2. Прямого привода – безредукторные. Производятся мощностью от 500 В до нескольких киловатт и позволяют получить скорость вплоть до 100 км/ч и более. Но прямоприводные моторы уступают редукторным моделям по тяговым характеристикам, а в отключенном состоянии оказывают сопротивление при накате. Для комфортных поездок по холмистой местности мощность МК прямого привода должна составлять не менее 1500 Вт.

Различия в устройстве мотор-колес

При наличии планетарного редуктора возрастает крутящий момент мотор-колеса, но ограничиваются его скоростные возможности. При использовании редукторного МК вы сможете легко преодолевать подъемы, но при езде на прямолинейных участках скорость будет умеренной – в среднем до 30–35 км/ч.

У прямоприводных моделей все наоборот – доступны более высокие скорости, но крутящий момент ниже, т.е. тяговые характеристики у редукторного МК на 350 Вт и прямоприводного МК на 1500 Вт примерно одинаковы. По надежности редукторные модели немного уступают прямоприводным, т.к. в конструкции редуктора есть планетарная передача с 3 шестернями из пластика. Их примерный ресурс – 6000–9000 км пробега. Зато редукторные модели обеспечивают лучший накат и позволяют легче крутить педали при отключенном моторе.

Прямоприводные модели имеют предельно простую и надежную конструкцию без шестеренок, более высокий КПД и способность к рекуперации энергии. Внутри такого устройства находятся статор и ротор – жестко зафиксированная ось колеса с обмотками и втулка с мощными постоянными магнитами. Это традиционная схема 3-фазного двигателя переменного тока.

Как работает мотор-колесо?

Независимо от того, как устроено электроколесо – с редуктором или без него, принцип его работы одинаков. В статоре в виде многолучевой звезды из электротехнической стали появляется магнитное поле. При взаимодействии с постоянными магнитами оно инициирует вращение ротора. На лучах статора есть обмотки, и когда по ним идет ток, лучи превращаются в электромагниты. Они притягивают постоянные магниты на роторе и инициируют вращение ротора.

Для получения нужной мощности и равномерного вращения колеса статор имеет несколько десятков обмоток. Но в результате они соединяются в 3 и чередуются по окружности: 1-2-3-1-2-3… На противоположной стороне на роторе есть магниты из редкоземельных материалов. Когда на обмотки поступают импульсы напряжения, происходит активизация их магнитных качеств, взаимодействие с магнитами и вращение ротора.

Импульсы поступают на обмотки поочередно и четко в нужные моменты времени. Определяют эти моменты находящиеся на статоре датчики Холла. Они отслеживают взаимное расположение ротора и статора, откликаются на магнитное поле и отправляют сигналы на контроллер. На основании полученных сведений контроллер своевременно подает на обмотки статора импульсы напряжения. Обмотки превращаются в электромагниты, вступают во взаимодействие с постоянными магнитами ротора и заставляют его вращаться. Наглядно принцип работы бесколлекторного электродвигателя представлен на картинке.

Элементы управления мотор-колесом

Интенсивность вращения ступичного электромотора регулируется рычагом газа. При смене его положения меняется число импульсов напряжения, подаваемых в единицу времени на обмотки. В результате меняется и скорость езды. В ручки тормоза также встроены датчики, которые в свою очередь отключают подачу питания на электрический двигатель при торможении.

В предыдущей статье блога VoltBikes рассказывается о том, какое напряжение лучше выбрать для электровелосипеда.

Как работает коллекторный двигатель постоянного тока

Добавлено 4 июля 2019 в 15:29

Сохранить или поделиться

Узнайте все преимущества и недостатки коллекторного электродвигателя для вашего проекта.

Если вы работаете над проектом, в котором есть движущаяся часть, вы, вероятно, будете искать двигатель, чтобы сделать это движение возможным. В этой серии статей мы рассмотрим наиболее популярные типы двигателей, которые используют разработчики. Прежде всего, это коллекторный двигатель постоянного тока.

Чтобы узнать, для каких проектов лучше всего подходят коллекторные двигатели постоянного тока, ознакомьтесь с обзором:

Самый простой тип электродвигателя (и самый распространенный) – это коллекторный двигатель постоянного тока. Вы можете найти этот двигатель везде. В вашем телефоне, вероятно, тоже есть один, обеспечивающий функцию вибрации. Коллекторные двигатели постоянного тока используются практически в любой движущейся игрушке. Аккумуляторные дрели работают на коллекторных двигателях постоянного тока.

Коллекторные двигатели постоянного тока используются везде: в игрушках, в чем-либо с вибрирующим мотором, в таких обычных инструментах, как аккумуляторные дрели.

Как они работают?

Коллекторные двигатели постоянного тока представляют собой простые устройства, состоящие из нескольких частей.

Коллекторные двигатели постоянного тока состоят всего из нескольких основных частей.

Вокруг корпуса двигателя расположены магниты статора. Это постоянные магниты, положительные с одной стороны и отрицательные с другой. В середине двигателя, соединенного с валом двигателя, находятся, по меньшей мере, три проволочных обмотки, соединенных с металлическими пластинами, которые называются якорем.

На противоположной от вала двигателя стороне обмоток расположен коллектор (от которого в русскоязычном варианте этот тип двигателя получил свое название) – пара металлических пластин, прикрепленных к обмоткам. Наконец, щетки (в англоязычном варианте этот тип двигателя называется «brushed», «щеточный») также расположены на стороне двигателя, противоположной валу двигателя.

Щетки создают физический контакт с коллектором. Когда на щетки подается постоянное напряжение, это напряжение передается на коллектор, который, в свою очередь, питает обмотки. Это входное напряжение генерирует магнитное поле вокруг якоря.

Левая сторона якоря отталкивается от левого магнита статора в направлении магнита справа. А правая сторона якоря отталкивается от правого магнита влево.

При постоянном изменении полярности магнитного поля вокруг якоря вал будет постоянно вращаться.

Достоинства коллекторных двигателей постоянного тока

Недорогие

Коллекторные двигатели постоянного тока производятся большими сериями и широко используются, что делает их дешевле других типов электродвигателей.

Простота управления

Чтобы заставить двигатель вращаться, просто подайте постоянное напряжение. Более высокое напряжение (или более высокий коэффициент заполнения, или более низкая скважность, ШИМ сигнала) заставит двигатель работать быстрее. Изменение полярности напряжения изменит направление вращения. Коллекторные двигатели постоянного тока даже не нуждаются в использовании микроконтроллера, вы можете запустить их, просто подключив к аккумулятору.

Высокий начальный крутящий момент

Коллекторные двигатели постоянного тока выдают высокий крутящий момент на низких скоростях. Это важно, потому что этот высокий начальный крутящий момент позволяет электродвигателю быстро набирать скорость, даже если у двигателя есть нагрузка.

Оценка характеристик коллекторных двигателей постоянного тока.

Недостатки коллекторных двигателей постоянного тока

Быстрый износ

Поскольку щетки физически трутся об коллектор, они со временем изнашиваются. Следовательно, по сравнению с другими типами электродвигателей, коллекторные двигатели постоянного тока изнашиваются быстрее.

Много электрического шума

Внутри коллекторного двигателя постоянного тока между щетками и коллектором образуются электрические дуги. Это вызывает много электрического шума, что не очень хорошо для микроконтроллеров или датчиков, работающих в этой же системе.

Ограниченная максимальная скорость

Физический контакт между щетками и коммутатором во время работы означает, что между этими двумя частями есть трение. Там, где есть трение, есть тепло. Коллекторные двигатели постоянного тока имеют ограниченную максимальную скорость, потому что слишком высокая скорость может привести к нагреву, способному нанести повреждения.

Оригинал статьи:

Теги

ДвигательДвигатель постоянного токаКоллекторный двигатель постоянного токаЭлектродвигатель

Сохранить или поделиться

Как работают электродвигатели — инженерное мышление

Узнайте, как работает электродвигатель, основные части, почему и где они используются вместе с рабочими примерами.

Прокрутите вниз, чтобы просмотреть обучающее видео на YouTube

Электродвигатель

Это электродвигатель. Это одно из самых важных устройств, когда-либо изобретенных. Эти двигатели используются везде, от перекачки воды, которую мы пьем, до питания лифтов и кранов, даже для охлаждения атомных электростанций.Итак, мы собираемся заглянуть внутрь одного и подробно узнать, как именно они работают, в этой статье.

Электрический индукционный двигатель

Асинхронный двигатель будет выглядеть примерно так. Они превращают электрическую энергию в механическую, которую мы можем использовать для привода насосов, вентиляторов, компрессоров, шестерен, шкивов и т. Д. Почти все детали находятся внутри основного корпуса. Спереди мы находим вал, это часть, которая вращается, и мы можем подключать к нему такие вещи, как насосы, шестерни и шкивы, чтобы они работали за нас.Сзади мы находим вентилятор и защитную крышку, вентилятор соединен с валом, поэтому он вращается при каждом включении двигателя. Асинхронный двигатель во время работы может выделять много тепла, поэтому вентилятор обдувает корпус окружающим воздухом для его охлаждения. Если асинхронный двигатель становится слишком горячим, изоляция внутренних электрических катушек расплавляется, вызывая короткое замыкание, и двигатель разрушается. Ребра на боковой стороне корпуса помогают увеличить площадь поверхности, что позволяет нам отводить больше нежелательного тепла.

Вал поддерживается подшипниками, которые находятся внутри переднего и заднего щитов. Подшипники помогают валу плавно вращаться и удерживают его на месте.

Front Shield

Внутри корпуса находим статор. Статор неподвижен и не вращается. Он состоит из ряда медных проводов, которые свернуты в катушки между прорезями, расположенными по внутреннему периметру. Медный провод покрыт специальной эмалью, которая электрически изолирует провода друг от друга, это означает, что электричество должно протекать через всю катушку, иначе это будет кратчайший путь — и мы увидим, почему это важно, немного позже. эта статья.Это трехфазный асинхронный двигатель, поэтому у нас есть три отдельных набора катушек в статоре. Концы каждого набора будут подключаться к клеммам в электрической клеммной коробке. Мы увидим, как они связаны, чуть позже в этой статье. При подключении к электросети статор создает вращающееся электромагнитное поле.

Статор

К валу подсоединен ротор. В данном случае это ротор типа «беличья клетка». Она называется беличьей клеткой, потому что у нее есть два концевых кольца, которые соединены несколькими стержнями и вращаются вместе.Эта конструкция похожа на небольшую клетку или колесо для упражнений, используемое домашним хомяком или даже белкой.

Беличья клетка

Беличья клетка оснащена несколькими ламинированными стальными листами. Эти листы помогут сконцентрировать магнитное поле на стержнях. Листы используются вместо цельного куска металла, поскольку это повышает эффективность за счет уменьшения величины вихревых токов в роторе.

Когда ротор помещается внутри статора и статор подключен к источнику электропитания, ротор начинает вращаться.Итак, как это возможно?

Как работают асинхронные двигатели

Когда электричество проходит через провод, вокруг него создается электромагнитное поле. Мы можем увидеть это, поместив несколько компасов вокруг провода, компасы будут вращаться, чтобы выровняться с этим магнитным полем. Если направление тока меняется на противоположное, магнитное поле также меняется на противоположное, поэтому компасы меняют направление.

Магнитное поле провода тянет и толкает шкалы компаса. Точно так же, как если бы мы сдвинули два стержневых магнита друг к другу.Их либо привлекут, либо оттолкнут. Мы даже можем использовать один магнит для вращения другого магнита. Или мы можем вращать магнит, изменяя напряженность магнитного поля вокруг него.

Если мы поместим провод в магнитное поле и пропустим через него ток, магнитное поле провода будет взаимодействовать с постоянными магнитами, магнитное поле и на провод возникнет сила. Эта сила будет перемещать провод вверх или вниз, в зависимости от направления тока и полярности магнитных полей.

Проволока в магнитном поле

Если мы намотаем провод в катушку, электромагнитное поле станет сильнее, катушка создаст северный и южный полюсы, как постоянный магнит. Мы называем эти катушки индуктивности. Когда мы пропускаем через провод переменный ток, электроны будут постоянно менять направление между течением вперед и назад. Таким образом, магнитное поле также будет расширяться и сжиматься, и каждый раз полярность меняется на противоположную. Когда мы помещаем другую, отдельную катушку в непосредственной близости и замыкаем цепь, электромагнитное поле индуцирует ток во второй катушке.

Мы можем соединить две катушки вместе и разместить их друг напротив друга, чтобы создать большее магнитное поле. Если мы поместим замкнутую проволочную петлю внутрь этого большого магнитного поля, мы вызовем ток в петле. Как мы знаем, когда мы пропускаем ток через провод, он генерирует магнитное поле, и мы также знаем, что магнитные поля будут толкать или притягивать друг друга. Таким образом, эта проволочная петля также будет генерировать магнитное поле, которое будет взаимодействовать с большим магнитным полем. Каждая сторона катушки будет испытывать противодействующие силы, заставляя ее вращаться.Таким образом, этот контур является нашим ротором, а катушки — статором.

Замкнутый контур провода внутри магнитного поля

Ротор будет вращаться только до тех пор, пока он не выровняется с катушками статора, но затем он застрянет, когда наведенный ток будет реверсировать катушку. Чтобы преодолеть это, нам нужно ввести еще один набор катушек в статоре, и мы должны подключить их к другой фазе. Электроны текут в этой фазе в немного другое время, поэтому электромагнитное поле также изменится по силе и полярности в немного другое время.Это заставит ротор вращаться.

Внутри асинхронного двигателя есть 3 отдельные катушки, которые используются для создания вращательного электромагнитного поля. Когда мы пропускаем переменный ток через каждую катушку, катушки будут создавать электромагнитное поле, которое изменяется по интенсивности, а также полярности по мере изменения направления электронов, но, если бы мы подключили каждую катушку к другой фазе, тогда электроны в каждой катушка изменит направление в другое время. Это означает, что полярность и напряженность магнитного поля также будут иметь разное время.

Фаза 1, 2, 3

Чтобы распределить это магнитное поле, нам нужно повернуть наборы катушек на 120 градусов относительно предыдущей фазы, а затем объединить их в статор. Магнитное поле различается по силе и полярности между катушками, которые в совокупности создают эффект вращающегося магнитного поля.

Ранее в этой статье мы видели, что ток может быть наведен во вторую катушку, когда она находится в непосредственной близости. Стержни беличьей клетки закорочены на каждом конце, что, таким образом, создает несколько петель или катушек, поэтому каждая полоса индуцирует ток и создает магнитное поле.

Магнитное поле стержней ротора взаимодействует с магнитным полем статора. Магнитное поле стержней ротора притягивается к магнитному полю статора. Поскольку магнитное поле вращается, ротор также будет вращаться в том же направлении, что и магнитное поле, чтобы попытаться выровняться с ним, но он никогда не сможет полностью догнать его.

Стержни ротора часто перекошены. Это помогает распределить магнитное поле по нескольким стержням и препятствует выравниванию и заклиниванию двигателя.

Электрические соединения

Статор содержит все катушки или обмотки, используемые для создания вращающегося электромагнитного поля, когда электричество проходит по проводам. Для питания катушек мы находим электрическую клеммную коробку сверху, а иногда и сбоку.

Внутри коробки находится 6 электрических клемм. У каждого терминала есть соответствующая буква и номер, у нас есть U1, V1 и W1, затем W2, U2 и V2. У нас есть катушка фазы 1, подключенная к двум клеммам U, затем катушки фазы 2, подключенные к двум клеммам V, и, наконец, катушка фазы 3, подключенная к двум клеммам W.Обратите внимание, что электрические клеммы расположены в разной конфигурации с одной стороны от другой. Мы скоро поймем, почему это так.

Электрическая клеммная коробка

Теперь мы вводим трехфазный источник питания и подключаем его к соответствующим клеммам. Чтобы двигатель заработал, нам нужно замкнуть цепь, и есть два способа сделать это. Первый способ — это дельта-конфигурация. Для этого мы подключаем клеммы от U1 к W2, V1 к U2 и W1 к V2. Это даст нам нашу дельта-конфигурацию.

Конфигурация «Дельта»

Теперь, когда мы подаем переменный ток через фазы, мы видим, что электричество перетекает из одной фазы в другую, поскольку направление переменного тока меняется на противоположное в каждой фазе в разное время. Вот почему у нас есть клеммы в клеммной коробке в разном расположении, потому что мы можем легко подключиться и позволить электричеству течь между фазами, поскольку электроны меняются в разное время.

Другой способ подключения клемм — использование конфигурации «звезда» или «звезда».В этом методе мы соединяем W2, U2 и V2 только с одной стороны. Это даст нам соединение, эквивалентное звезде или звезде. Теперь, когда мы пропускаем электричество через фазы, мы видим, что электроны распределяются между выводами фаз.

Конфигурация «звезда»

Из-за различий в конструкции величина тока, протекающего в конфигурации «звезда» и «треугольник», различается, и мы увидим некоторые расчеты для них ближе к концу статьи.

Расчет дельты звезды (звезды)

Давайте посмотрим на разницу между конфигурациями звезды и треугольника.

Допустим, у нас есть двигатель, подключенный по схеме треугольник, с напряжением питания 400 Вольт. Это означает, что когда мы используем мультиметр для измерения напряжения между любыми двумя фазами, мы получаем показание 400 Вольт, мы называем это линейным напряжением.

Теперь, если мы измеряем на двух концах катушки, мы снова увидим межфазное напряжение 400 Вольт. Допустим, каждая катушка имеет сопротивление или импеданс, поскольку это переменный ток, 20 Ом. Это означает, что мы получим ток на катушке 20 ампер.Мы можем рассчитать это из 400 Вольт, разделенных на 20 Ом, что составляет 20 ампер. Но, ток в линии будет другой, он будет 34,6А. Мы получаем это из 20 ампер, умноженных на квадратный корень из 3, что составляет 34,6 ампер, потому что каждая фаза подключена к двум катушкам.

Соединение треугольником

Теперь, если мы посмотрим на конфигурацию звезды или звезды, у нас снова будет линейное напряжение 400 В. Мы увидим это, если измерим между любыми двумя фазами. Но в звездообразной конфигурации все наши катушки соединены вместе и встречаются в точке звезды или нейтральной точке.Отсюда мы можем проложить нейтральный провод, если нам нужно. Итак, на этот раз, когда мы измеряем напряжение на концах любой катушки, мы получаем более низкое значение 230 В, это потому, что фаза не подключена напрямую к двум катушкам, как в конфигурации треугольника, один конец катушки подключен к одна фаза, а другая подключена к общей точке, поэтому напряжение распределяется. Напряжение меньше, так как одна фаза всегда перевернута. Мы можем рассчитать это, разделив 400 вольт на квадратный корень из 3, что составляет 230 вольт.Чем меньше напряжение, тем больше будет и ток. Если эта катушка также имеет импеданс 20 Ом, тогда 230 В, разделенное на 20 А = 11,5 А. Таким образом, линейный ток будет таким же — 11,5 ампер.

Соединение звездой

Таким образом, мы можем видеть из конфигурации «треугольник», что на катушку подается полное напряжение 400 В между двумя фазами, а в начальной конфигурации — только 230 В между фазой и нейтралью. Таким образом, звезда использует меньшее напряжение и меньший ток по сравнению с версией треугольника.

---

Как работает двигатель электромобиля — Easy Electric Life

Что такое электродвигатель?

Двигатель электромобиля работает с использованием физического процесса, разработанного в конце 19 века.Он заключается в использовании тока для создания магнитного поля в неподвижной части машины («статоре»), смещение которого приводит в движение вращающуюся часть («ротор»). Мы более подробно рассмотрим эти две части и многое другое ниже.

Принцип электродвигателя

В чем разница между двигателем и двигателем? Эти два слова часто используются как синонимы. Поэтому важно с самого начала различать их. Несмотря на то, что в настоящее время термин «двигатель» используется как почти синоним, в автомобильной промышленности термин «двигатель» относится к машине, которая преобразует энергию в механическую энергию (и, следовательно, в движение), в то время как «двигатель» делает то же самое, но специально использует тепловую энергию. энергия.Поэтому, говоря о преобразовании тепловой энергии в механическую, мы имеем в виду горение, а не электрическое.

Другими словами, двигатель — это тип двигателя. Но мотор — это не обязательно двигатель. В случае с электромобилями, поскольку механическая энергия создается из электричества, мы используем слово «двигатель» для описания устройства, которое заставляет электромобиль двигаться (также известного как тяга).

Как двигатель электромобиля работает внутри электромобиля?

Теперь, когда мы знаем, что мы говорим о двигателях, а не двигателях, как двигатель работает внутри электромобиля?

В наши дни электродвигатели можно встретить во многих бытовых устройствах.Те, которые используют двигатели постоянного тока (DC), имеют довольно простые функции. Двигатель подключен непосредственно к источнику энергии, и его скорость вращения напрямую зависит от силы тока. Хотя эти электродвигатели просты в производстве, они не соответствуют требованиям к мощности, надежности или размеру электромобиля, хотя вы можете обнаружить, что они приводят в действие дворники, окна и другие более мелкие механизмы внутри автомобиля.

Статор и ротор

Если вы хотите понять, как работает электромобиль, вам необходимо ознакомиться с физическими элементами его электродвигателя.И он начинается с понимания принципов работы двух его основных частей: статора и ротора. Разницу между ними легко запомнить: статор неподвижен, а ротор вращается. В двигателе статор использует энергию для создания магнитного поля, которое затем вращает ротор.

Итак, как работает двигатель, когда дело доходит до привода электромобиля ? Для этого мы должны обратиться к двигателям переменного тока (AC), которые требуют использования схемы преобразования для преобразования постоянного тока (DC), подаваемого батареей.Давайте подробнее рассмотрим два разных вида тока.

Электромобиль: переменный ток и постоянный ток

Прежде всего, если вы хотите понять, как работает электродвигатель электромобиля, вам нужно знать разницу между переменного и постоянного тока (электронные токи).

Электричество движется по проводнику двумя путями. Переменный ток (AC) описывает электрический ток, при котором электроны периодически меняют направление. Постоянный ток (DC), как следует из названия, течет в одном направлении.

Аккумулятор в электромобиле работает от постоянного тока. Но когда дело доходит до главного двигателя электромобиля (который обеспечивает тягу к транспортному средству), эта энергия постоянного тока должна быть преобразована в переменный ток через инвертор.

Итак, что происходит, когда эта энергия достигает двигателя? Это зависит от того, используется ли в автомобиле синхронный или асинхронный двигатель.

Типы электродвигателей

В автомобильной промышленности существуют двигатели переменного тока двух типов: синхронные и асинхронные.Когда дело доходит до электромобиля, у синхронных и асинхронных двигателей есть свои сильные стороны — один не обязательно «лучше» другого.

Синхронные и асинхронные двигатели

Асинхронный двигатель, также называемый асинхронным двигателем, основан на статоре с электрическим приводом для создания вращающегося магнитного поля. Это влечет ротор в бесконечную погоню, как если бы он безуспешно пытался догнать магнитное поле. Асинхронный двигатель часто используется в электромобилях, которые в основном используются для движения на повышенных скоростях в течение длительных периодов времени.

В синхронном двигателе ротор сам действует как электромагнит, активно участвуя в создании магнитного поля. Таким образом, его скорость вращения прямо пропорциональна частоте тока, который питает двигатель. Это делает синхронный двигатель идеальным для городского движения, которое обычно требует регулярной остановки и запуска на низких скоростях.

И синхронные, и асинхронные двигатели работают в обратном порядке, что означает, что они могут преобразовывать механическую энергию в электричество во время замедления.Это принцип рекуперативного торможения , который происходит от генератора.

Части электродвигателей

Давайте теперь подробнее рассмотрим некоторые из различных частей двигателя электромобиля: от магнитов электродвигателей или синхронных двигателей с внешним возбуждением (EESM) до силового агрегата в целом.

Постоянные магниты

В некоторых синхронных двигателях в качестве ротора используется двигатель с постоянными магнитами. Эти постоянные магниты встроены в стальной ротор, создавая постоянное магнитное поле.Преимущество постоянного электромотора в том, что он работает без источника питания, но требует использования металлов или сплавов, таких как неодим или диспрозий. Эти «редкоземельные элементы» являются ферромагнитными, что означает, что они могут быть намагничены, чтобы стать постоянными магнитами. Они используются в различных промышленных целях: от ветряных генераторов, аккумуляторных инструментов и наушников до велосипедных динамо-машин и… тяговых двигателей для некоторых электромобилей!

Проблема в том, что цены на эти «редкие земли» очень волатильны.Несмотря на свое название, на самом деле они не обязательно такие редкие, но встречаются почти исключительно в Китае, который, следовательно, имеет квазимонополию на их производство, продажу и распространение. Это объясняет, почему производители упорно трудятся над поиском альтернативных решений для двигателей электромобилей.

Синхронные двигатели с внешним возбуждением

Одно из этих решений, используемое Renault для New ZOE, включает изготовление магнита электродвигателя из медной катушки. Это требует более сложного производственного процесса, но позволяет избежать проблем с питанием при сохранении отличного соотношения между массой двигателя и передаваемым крутящим моментом.

Гийом Фори, руководитель отдела проектирования завода Renault Cléon во Франции, дает представление о сложности и изобретательности двигателя New ZOE: «Производство EESM требует специальных процессов намотки катушек и пропитки. Ограничения ожидаемых характеристик продукта, цель снижения отношения веса к мощности и высокая скорость производства требуют от нас эффективного использования самых современных технологий для выполнения этих процессов ».

Электрическая трансмиссия

В электрическом транспортном средстве двигатель, состоящий из ротора и статора, является частью более крупного блока, электрической трансмиссии , ансамбля, который заставляет электродвигатель работать.

Также в этом устройстве Power Electronic Controller (PEC) объединяет всю силовую электронику, отвечающую за управление питанием двигателя и зарядку аккумулятора. Наконец, он включает в себя редукторный двигатель, часть, отвечающую за регулировку крутящего момента и скорости вращения, передаваемых двигателем на колеса.

Вместе эти элементы обеспечивают плавную и эффективную работу электродвигателя. И результат? Ваш электромобиль бесшумный, надежный, на дешевле и приятно водить!

Авторские права: Pagecran

Читайте также

Электромобиль

Различные способы хранения энергии

10 июня 2021 г.

Посмотреть больше

Электромобиль

Все, что нужно знать о подключаемом гибридном автомобиле

10 июня 2021

Посмотреть больше

Электромобиль

Все, что нужно знать о зарядке гибридного автомобиля

09 июня 2021

Посмотреть больше

Как работает двигатель постоянного тока?

Двигатель постоянного тока (постоянного тока) — это электродвигатель, который подает питание на машины, поскольку он использует электрическую энергию для выполнения своей основной функции.

Появление этого двигателя в 1870-х годах проложило путь ко второй промышленной революции.

Основной принцип работы двигателя постоянного тока основан на том, как магниты реагируют друг на друга: как магнитные полюса отталкиваются, а в отличие от магнитных полюсов притягиваются. Когда вы посмотрите на двигатель постоянного тока, вы увидите катушку с проволокой (якорь) и подковообразный магнит (статор) как часть его основных компонентов. Каждый раз, когда через катушку проходит электрический ток, создается электромагнитное поле, которое выравнивается по центру катушки.Когда вы включаете или выключаете ток, магнитное поле также включается или выключается.

Изображение любезно предоставлено GSU.edu

Процесс начинается с подачи электрического тока от батареи или прямого источника. Ток протекает от положительной клеммы и проходит через полукруглый коммутатор, прикрепленный к каждому концу катушки с проводом. Щетки на коммутаторе позволяют току проходить через петлю из медного провода между двумя магнитными полюсами. Щетки поддерживают путь тока — проходя вправо и обратно влево.Реверс электрического тока каждые пол-оборота поддерживает вращение провода в одном и том же направлении. Без этого коммутатора все, что вы когда-либо получите, — это поворот на 180 °. Когда направление тока меняется на противоположное, генерируемое магнитное поле заставляет катушку сделать еще один поворот на 180 ° в том же направлении, чтобы завершить полный оборот.

Каждый раз, когда протекает электрический ток, сила перемещает провод. На южном полюсе магнита создается направленная вверх сила, которая заставляет провод двигаться вверх.На северном полюсе магнита создается направленная вниз сила, которая заставляет провод двигаться вниз. Это заставляет катушку с проволокой вращаться вокруг оси или крутящего момента.

Скорость двигателя постоянного тока можно регулировать с помощью напряжения, подаваемого на якорь. В большинстве случаев максимальный крутящий момент достигается на низкой скорости. Это приложение лучше всего подходит для трамваев и других электромобилей.

Статьи по теме:

Мотор Давенпорта: первый запатентованный электродвигатель

Основы «постоянного тока» электричества

Что такое электрический ток

Как работает магнит

Как сделать электромагнит?

Двигатель постоянного тока

— MagLab

Электродвигатели превращают электричество в движение за счет использования электромагнитной индукции.

Ниже показан простой двигатель постоянного тока (DC).

Двигатель оснащен постоянным подковообразным магнитом (называемым статором , потому что он зафиксирован на месте) и катушкой с проволокой, называемой якорем (или ротором , потому что он вращается). Якорь, по которому проходит ток, обеспечиваемый батареей , является электромагнитом, поскольку провод с током создает магнитное поле; невидимые силовые линии магнитного поля циркулируют по всему проводу якоря.

Ключ к созданию движения — это размещение электромагнита в магнитном поле постоянного магнита (его поле проходит от северного полюса к южному). Якорь испытывает силу, описываемую правилом левой руки. Это взаимодействие магнитных полей и движущихся заряженных частиц (электронов в токе) приводит к крутящему моменту (обозначенному зелеными стрелками), который заставляет якорь вращаться. Используйте кнопку Flip Battery , чтобы увидеть, что происходит, когда ток меняется на противоположное.Воспользуйтесь преимуществами ползунка Applet Speed ​​ и кнопки Pause , чтобы лучше визуализировать эти силы.

Один поворот на 180 градусов — это все, что вы получили бы от этого двигателя, если бы не коммутатор с разъемным кольцом — круглое металлическое устройство, разделенное на две части (показано здесь красным и синим цветом), которые соединяют якорь к цепи. Электричество течет от положительного полюса батареи по цепи, проходит через медную щетку к коммутатору, а затем к якорю.Но этот поток меняется на противоположный в середине каждого полного оборота благодаря двум зазорам в коммутаторе. Это хитрый трюк: в первой половине каждого оборота ток течет в якорь через синюю часть коммутатора, заставляя ток течь в определенном направлении (обозначенном черными стрелками). Однако во второй половине вращения электричество проходит через красную половину коммутатора, заставляя ток течь в якорь и через него в противоположном направлении.Это постоянное реверсирование по существу превращает источник питания постоянного тока батареи в переменный ток, позволяя якорю испытывать крутящий момент в нужном направлении в нужное время, чтобы поддерживать его вращение.

Посмотреть анимационный видеоролик о двигателях постоянного тока.

Электродвигатели — Как работают электродвигатели? — Высшее — OCR 21C — Объединенная научная редакция GCSE — OCR 21st Century

Объяснение электродвигателя

На схеме показан простой двигатель, работающий на постоянном токе (dc).

Правило левой руки Флеминга может быть использовано для объяснения того, почему катушка поворачивается. правая часть катушки создает восходящую силу

, катушка вращается против часовой стрелки из-за сил, описанных выше

Когда катушка находится в вертикальном положении, она движется параллельно магнитному полю, не создавая силы. Это привело бы к остановке двигателя, но две особенности позволяют катушке продолжать вращаться:

• импульс двигателя заставляет его немного продолжать вращаться
• коммутатор с разъемным кольцом меняет направление тока каждые полувиток

Это означает, что ток в левой части катушки по-прежнему вызывает силу, направленную вниз, а ток в правой части катушки по-прежнему вызывает силу, направленную вверх.

Это означает, что силы воздействия двигателя продолжают вызывать вращение катушки против часовой стрелки.

Электродвигатели влияют практически на все аспекты повседневной жизни. Их можно найти в домах, школах и даже в автомобилях.

Как работают электродвигатели?

Поскольку общество пытается постепенно избавиться от нефтяной зависимости, поиск альтернативных видов топлива продолжается. Однако одним из уже существующих источников альтернативного «топлива» является электродвигатель.Электродвигатели обычно используются в транспортных средствах, игрушках и других электронных устройствах, но все еще проводится кампания по повышению качества и эффективности электродвигателя за счет инновационных вкладов. Однако, прежде чем электродвигатель можно будет улучшить, люди должны узнать, как работают электродвигатели. Эта статья объяснит, что делают электродвигатели, и определит детали, которые заставляют их работать.

Что делают электродвигатели
Электродвигатели используют электричество и магниты для вращения.Два вывода батареи подключены к металлическим частям, называемым щетками, которые позволяют электричеству течь в электромагнит, подключенный к оси. Когда электричество передается к электромагниту, полевой магнит притягивает и отталкивает электромагнит, заставляя ось вращаться. Именно это магнитное вращение позволяет всем механическим устройствам работать.

Якорь
Якорь или электромагнит состоит из стального стержня, намотанного на катушку. Когда электричество проходит через якорь, спиральный провод создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем полевого магнита.Направление вращения якоря полностью зависит от расположения выводов батареи и полевого магнита.

Если электричество течет от положительного конца провода батареи к положительному концу полевого магнита, полевой магнит отталкивает якорь и вращает его в одном направлении; если электричество течет от положительного конца провода батареи к отрицательному концу полевого магнита, полевой магнит притягивает якорь и вращает его в другом направлении. В то время как некоторые механические устройства позволяют пользователю автоматически переключать направление выводов аккумулятора, щелкая переключателем, например дрель, другие устройства фиксируются в определенном направлении и потребуют от пользователя физического перестановки выводов аккумулятора, чтобы изменить положение направление якоря.

Коммутатор
Коммутатор — это две металлические пластины, прикрепленные к оси чуть выше якоря, которые пропускают электричество к электромагниту. Коммутатор также можно использовать для переключения направления электрического поля, чтобы электромагнит и ось вращались в противоположном направлении.

Полевой магнит
Полевой магнит — это просто постоянный магнит, расположенный рядом с якорем. В зависимости от потока электричества полевой магнит будет отталкивать или притягивать якорь.В любом случае полевой магнит заставит якорь вращаться. Полевой магнит в электродвигателе можно заменить другим электромагнитом, но постоянные магниты проще в обслуживании и потребляют меньше электроэнергии.

Щетки
Щетки электродвигателя представляют собой две упругие металлические части, которые контактируют с коммутатором. Щетки также находятся в прямом контакте с выводами аккумулятора. Когда электричество течет от батареи к щеткам, оно передается на коммутатор, который затем передает его на электромагнит.

Питание постоянного тока
Постоянный или постоянный ток относится к типу электричества, полярность которого не меняется. Электроэнергия постоянного тока является наиболее распространенной формой электричества в небольших механических устройствах, хотя обычно ее получают от переменного или переменного тока. Переменный ток может использоваться для питания механических устройств, но устройство должно включать выпрямитель, который может преобразовывать мощность переменного тока в мощность постоянного тока. Для работы каждого механического устройства потребуется разное количество постоянного тока в зависимости от функций устройства.

Как работает электродвигатель? Пэт Суонсон

Цель этой статьи — кратко объяснить, как работает двигатель. Короче говоря, электродвигатель «просто» преобразует электрическую энергию в механическую.
Электродвигатель буквально везде. От маленьких вентиляторов, которые вы слышите гудение в компьютере, до открывателя двери в гараже и системы отопления в вашем доме — есть десятки предметов, которые мы используем каждый день, используя электродвигатель.Исторически они играли неотъемлемую роль в повороте машин, которые привели к промышленной революции. По мере того, как они станут меньше и эффективнее, а также с технологией аккумуляторов, мы продолжим видеть, как они заменят двигатель внутреннего сгорания. По данным Министерства энергетики США, 62,6% промышленной электроэнергии в США потребляется электродвигателями.
Так как же, черт возьми, они работают, вы спрашиваете…
Мы все понимаем, как работают магниты, верно? У магнитов есть положительный и отрицательный полюс.Одинаковые полюса отталкиваются друг от друга, а противоположные полюса притягиваются. Силы одинаковых полюсов — вот что создает движение в электродвигателе.

Существует связь между электричеством, магнетизмом и движением. (A) Когда ток проходит по электрическому проводу, он создает вокруг себя магнитное поле. (B) Когда вы закручиваете провод, вы создаете небольшой электромагнит … обратите внимание на поляризацию, которая происходит аналогично традиционному магниту, упомянутому выше, с определенными Северным и Южным полюсами.(C) В 1820 году Эрстед Стерджен обнаружил, что когда вы наматываете проволоку на железный сердечник, вы усиливаете силу этого магнитного поля.

Теперь, когда мы понимаем основное поведение магнитных полей и то, как электричество может их создавать, давайте посмотрим, как эта технология была использована для разработки электродвигателя.

Так выглядит статор трехфазного асинхронного двигателя переменного тока.Красная, желтая и синяя катушки представляют три отдельные фазы, которые поступают от промышленной электросети.
Считайте каждую из этих петель отдельным независимым электромагнитом.

Современная промышленная электроэнергетика состоит из 3-х отдельных фаз с одинаковыми синусоидальными волнами, каждая из 3-х волн сдвинута на 120 градусов друг от друга, как показано ниже. Поскольку отдельные фазы циклически изменяют свои волновые формы, их электромагниты становятся активными в 3 разных раза, создавая вращающееся магнитное поле.

Так что насчет ротора… механической части двигателя? Асинхронные двигатели
имеют так называемый короткозамкнутый ротор. Посмотрев на него ниже, вы, возможно, сможете увидеть, откуда он получил свое название. Похоже на колесо, в которое может врезаться грызун, если оно было полым… а это не так.

Ротор состоит из стального сердечника с алюминиевыми или медными стержнями.Алюминий является более экономичным выбором по сравнению с медью. Слева вверху показан пример ротора, заполненного алюминием…

Вместо установки на ротор отдельных стержней в большинстве асинхронных двигателей мощностью менее 500 л.с. используются литые роторы. Расплавленный алюминий или медь образуют стержни… вы можете увидеть, как эти стержни сформированы, в разрезе ниже. Выступы, выступающие с обоих концов, действуют как лопасти вентилятора, которые помогают выравнивать внутреннюю температуру внутри двигателя.Добавьте вал, и теперь у вас есть вращающийся узел двигателя.

Давайте теперь соберем все вместе … Вставьте Вращающийся узел в статор.

Когда вы активируете вращающееся магнитное поле статоров, на стержнях ротора индуцируется напряжение, создавая магнитное поле в роторе.По такому же принципу заряжается ваш телефон с помощью беспроводного зарядного устройства. А теперь подумайте, как одноименные полюса обычного магнита отталкиваются друг от друга. Помните, что магнитное поле в статоре двигателя вращается, это вращающееся поле толкает ротор под напряжением.