Вращающееся поле и токи, которые оно создает в короткозамкнутых проводниках ротора.

Механическая выходная мощность должна обеспечиваться входной электрической мощностью. Первоначальных токов статора, показанных на рисунке, достаточно для создания вращающегося магнитного поля. Чтобы поддерживать это вращающееся поле в присутствии токов ротора, показанных на рисунке, необходимо, чтобы обмотки статора несли дополнительную составляющую синусоидального тока такой величины и фазы, чтобы нейтрализовать влияние магнитного поля, которое в противном случае могло бы возникнуть. токами ротора на рисунке.Общий ток статора в каждой фазной обмотке складывается из синусоидальной составляющей для создания магнитного поля и другой синусоиды, опережающей первую на четверть цикла, или 90 °, для обеспечения необходимой электроэнергии. Вторая, или силовая, составляющая тока находится в фазе с напряжением, приложенным к статору, в то время как первая, или намагничивающая, составляющая отстает от приложенного напряжения на четверть цикла или 90 °. При номинальной нагрузке эта намагничивающая составляющая обычно находится в диапазоне 0.От 4 до 0,6 величины силовой составляющей.

Большинство трехфазных асинхронных двигателей работают с обмотками статора, подключенными непосредственно к трехфазному источнику питания постоянного напряжения и постоянной частоты. Типичные напряжения питания находятся в диапазоне от 230 вольт между фазами для двигателей относительно небольшой мощности (например, от 0,5 до 50 киловатт) до примерно 15 киловольт между фазами для двигателей большой мощности до примерно 10 мегаватт.

За исключением небольшого падения напряжения на сопротивлении обмотки статора, напряжение питания согласуется со скоростью изменения магнитного потока в статоре машины во времени.Таким образом, при питании с постоянной частотой и постоянным напряжением величина вращающегося магнитного поля остается постоянной, а крутящий момент примерно пропорционален силовой составляющей тока питания.

В асинхронном двигателе, показанном на предыдущих рисунках, магнитное поле вращается на один оборот за каждый цикл частоты питания. Для источника с частотой 60 Гц скорость поля составляет 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту. Скорость ротора меньше скорости поля на величину, достаточную для того, чтобы индуцировать необходимое напряжение в проводниках ротора для создания тока ротора, необходимого для крутящего момента нагрузки.При полной нагрузке скорость обычно на 0,5–5 процентов ниже полевой скорости (часто называемой синхронной скоростью), причем более высокий процент применяется к двигателям меньшего размера. Эта разница в скорости часто называется скольжением.

Другие синхронные скорости могут быть получены с источником постоянной частоты путем создания машины с большим количеством пар магнитных полюсов, в отличие от двухполюсной конструкции, показанной на рисунке. Возможные значения скорости магнитного поля в оборотах в минуту: 120 f / p , где f — частота в герцах (циклов в секунду), а p — количество полюсов (которое должно быть четное число).Данный железный каркас может быть намотан для любого из нескольких возможных количеств пар полюсов с помощью катушек, охватывающих угол приблизительно (360/ p ) °. Крутящий момент, доступный от рамы машины, останется неизменным, поскольку он пропорционален произведению магнитного поля и допустимого тока катушки. Таким образом, номинальная мощность рамы, являющаяся произведением крутящего момента и скорости, будет примерно обратно пропорциональна количеству пар полюсов. Наиболее распространенные синхронные скорости для двигателей с частотой 60 Гц — 1800 и 1200 оборотов в минуту.

Общие типы электродвигателей

Электродвигатель — это электрическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Механическая сила может использоваться для вращения вентиляторов, миксера, конвейеров или шин электромобиля. Электродвигатель — это рабочая лошадка в отрасли передачи электроэнергии.

Все двигатели обладают определенными характеристиками, поэтому мы можем классифицировать их на основе конкретных характеристик или стандартов.

Двигатели, используемые в Северной Америке, чаще всего соответствуют стандартам NEMA (Национальная ассоциация производителей электрооборудования).Обычно называемые двигателями NEMA. Практически во всем остальном мире используется метрическая версия, называемая SI или международным стандартом, известная как стандарты IEC. Часто называют двигателями IEC. NEMA использует лошадиные силы и дюймы, IEC использует миллиметры и киловатты

• Двигатели постоянного или постоянного тока
• Двигатели переменного тока или асинхронные двигатели

были первой разновидностью двигателей, широко используемых, поскольку они могли питаться от существующих систем распределения электроэнергии постоянного тока.Они обычно снабжены постоянными магнитами в их статической части, но есть и другие, которые содержат электромагниты вместо постоянных магнитов в своем статоре. Скорость двигателя постоянного тока можно регулировать в широком диапазоне, используя либо переменное напряжение питания, либо изменяя силу тока в его обмотках возбуждения. Небольшие двигатели постоянного тока используются в игрушках, инструментах и ​​бытовой технике.

Переменный ток, это означает, что ток вместо того, чтобы течь в одном направлении, движется вперед и назад, меняет направление с определенной частотой в герцах.В большинстве стран в качестве частоты переменного тока используется 50 Гц (50 Гц или 50 циклов в секунду). Лишь немногие используют 60 Гц. Стандарт в США — электричество переменного тока частотой 60 Гц.

Однофазный двигатель работает от однофазного источника питания. Они содержат два типа проводки: горячую и нейтральную. Их мощность может достигать 3 кВт.Их можно использовать в основном в домах, офисах, магазинах и небольших непромышленных компаниях, а также во многих других устройствах, таких как дрели, кондиционеры и системы открывания и закрывания гаражных ворот.

Трехфазный двигатель работает от трехфазного источника питания. Они управляются тремя переменными токами одинаковой частоты, которые достигают максимума в переменные моменты времени. Они могут иметь мощность до 300 кВт и скорость от 900 до 3600 об / мин.Из-за высокой эффективности и низкой стоимости трехфазный двигатель переменного тока является наиболее часто используемым двигателем в промышленных приложениях.

Мы также можем классифицировать двигатели по типу корпуса. Мы расскажем об этом в другой статье.
Читайте здесь: Самые распространенные типы корпусов электродвигателей

Электричество — это наиболее экономичный способ передачи энергии на очень большие расстояния по проводам.Однако практически невозможно использовать электричество напрямую, например, для перекачивания воды, для чего требуется механическая энергия. В этом случае нам необходимо производить механическую энергию из электричества так или иначе, чтобы выполнять механическую работу. По этой причине мы используем электродвигатели, которые потребляют электричество на входе и выдают механическую энергию на выходе.

Ознакомьтесь с некоторыми приложениями, в которых требуются электродвигатели:

• Промышленное использование — Существуют различные процессы во всех отраслях промышленности, в которых нам требуется механическая энергия от электродвигателей, например смешивание, подъем, вытягивание и т. Д.

• Домашнее хозяйство — Для комфортной жизни мы полагаемся на многие электрические приборы, для которых требуются электродвигатели, такие как кондиционер, электрические вентиляторы, пылесос, водяной насос, измельчитель, миксер и т. Д.

Не стесняйтесь: Свяжитесь с нами , если у вас есть какие-либо вопросы, вам нужна дополнительная информация или если вы заинтересованы в покупке электродвигателей.

HVH Industrial Solutions является авторизованным дистрибьютором следующих производителей электродвигателей: Elektrim Motors, Aurora Motors, Worldwide Electric , . Мы тесно сотрудничаем с их инженерными командами, чтобы обеспечить превосходное обслуживание и поддержку клиентов.

Запрос цитаты

Владимир Арутюнян

Владимир Арутюнян — основатель HVH Industrial.Он имеет степень магистра машиностроения и более 10 лет опыта работы в области передачи механической энергии.

Не стесняйтесь связываться с Владом на Linkedin: https://www.linkedin.com/in/vladharut

Электродвигатель | Автопедия | Fandom

Электродвигатель использует электрическую энергию для производства механической энергии, как правило, за счет взаимодействия магнитных полей и проводников с током.Обратный процесс, производящий электрическую энергию из механической энергии, осуществляется генератором или динамо-машиной. Многие типы электродвигателей могут работать как генераторы, и наоборот. Например, стартер / генератор для газовой турбины или тяговые двигатели, используемые на транспортных средствах, часто выполняют обе задачи.

Электродвигатели находят применение в самых разных областях, таких как промышленные вентиляторы, нагнетатели и насосы, станки, бытовые приборы, электроинструменты и дисководы. Они могут питаться постоянным током (например, портативное устройство с батарейным питанием или автомобиль) или переменным током от центральной распределительной сети.Самые маленькие моторы можно найти в наручных электрических часах. Двигатели среднего размера с строго стандартизованными размерами и характеристиками обеспечивают удобную механическую мощность для промышленного использования. Самые большие электродвигатели используются для приведения в движение больших кораблей и для таких целей, как трубопроводные компрессоры, с мощностью в миллионы ватт. Электродвигатели можно классифицировать по источнику электроэнергии, по их внутренней конструкции, по их применению или по типу движения, которое они создают.

Физический принцип производства механической силы за счет взаимодействия электрического тока и магнитного поля был известен еще в 1821 году. Электродвигатели с повышенным КПД создавались на протяжении всего 19 века, но коммерческое использование электродвигателей в больших масштабах требовались эффективные электрические генераторы и электрические распределительные сети.

Некоторые устройства, такие как магнитные соленоиды и громкоговорители, хотя и вырабатывают некоторую механическую энергию, обычно не называются электродвигателями и обычно называются исполнительными механизмами ^[1] и преобразователями ^[2] соответственно.

История и развитие

Принцип

Преобразование электрической энергии в механическую с помощью электромагнитных средств было продемонстрировано британским ученым Майклом Фарадеем в 1821 году. Свободно висящий провод был погружен в бассейн с ртутью, на который был помещен постоянный магнит. Когда через провод пропускался ток, он вращался вокруг магнита, показывая, что ток порождал круговое магнитное поле вокруг провода. ^[3] Этот двигатель часто демонстрируется на школьных уроках физики, но вместо токсичной ртути иногда используется рассол (соленая вода).Это простейшая форма класса устройств, называемых униполярными двигателями. Более поздняя доработка — Колесо Барлоу. Это были только демонстрационные устройства, непригодные для практического применения из-за своей примитивной конструкции.

В 1827 году венгр Аньош Йедлик начал эксперименты с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он назвал «самовращающимися магнитами». Он использовал их в учебных целях в университетах, а в 1828 году продемонстрировал первое устройство, которое содержало три основных компонента практических двигателей постоянного тока: статор, ротор и коммутатор.Как неподвижная, так и вращающаяся части были электромагнитными, без постоянных магнитов. ^{[4] [5] [6] [7] [8] [9]} Опять же, устройства не имели практического применения.

Первые электродвигатели

Первый электродвигатель постоянного тока коммутаторного типа, способный вращать механизмы, был изобретен британским ученым Уильямом Стердженом в 1832 году. Следуя работе Стерджена, американцы Эмили построили электродвигатель постоянного тока коммутаторного типа, предназначенный для коммерческого использования. и Томас Дэвенпорт и запатентован в 1837 году.Их двигатели работали со скоростью до 600 оборотов в минуту, они приводили в действие станки и печатный станок. Из-за высокой стоимости цинковых электродов, необходимых для питания первичной батареи, двигатели были коммерчески неудачными, и Davenports обанкротились. Несколько изобретателей последовали за Sturgeon в разработке двигателей постоянного тока, но все столкнулись с одними и теми же проблемами стоимости с питанием от первичной батареи. В то время не было развито распределение электроэнергии. Как и в случае с двигателем Sturgeon, для этих двигателей не было практического коммерческого рынка.

В 1855 году Джедлик построил устройство, использующее принципы, аналогичные тем, которые использовались в его электромагнитных самовращателях, которое было способно выполнять полезную работу. В том же году он построил модель электромобиля. Нет никаких доказательств того, что этот эксперимент был доведен до сведения более широкого научного мира в то время или что он повлиял на развитие электродвигателей в последующие десятилетия.

Современный двигатель постоянного тока был изобретен случайно в 1873 году, когда Зеноб Грамм соединил изобретенную им динамо-машину со вторым аналогичным устройством, управляя им как двигателем.Машина Gramme была первым электродвигателем, получившим успех в отрасли.

В 1886 году Франк Джулиан Спраг изобрел первый практический двигатель постоянного тока, неискрящий двигатель, способный работать с постоянной скоростью при переменных нагрузках. Другие электрические изобретения Sprague примерно в это время значительно улучшили распределение электроэнергии в сети [предыдущая работа была проделана, когда использовалась Эдисоном], позволили вернуть энергию от электродвигателей в электрическую сеть, обеспечили распределение электроэнергии между тележками через воздушные провода и опору троллейбуса, а также предоставлены системы управления электрическими операциями.Это позволило Спрэгу использовать электродвигатели для изобретения первой системы электрических тележек в 1887-88 годах в Ричмонде, штат Вирджиния, электрического лифта и системы управления в 1892 году, а также электрического метро с автономно управляемыми вагонами с централизованным управлением, которое было впервые установлено в 1892 году в Чикаго. около южной стороны надземной железной дороги, где он стал широко известен как «L». Двигатель Спрэга и связанные с ним изобретения привели к взрывному росту интереса к электродвигателям и их использованию в промышленности, в то время как почти одновременно другой великий изобретатель разрабатывал своего основного конкурента, который стал гораздо более распространенным.

В 1888 году Никола Тесла изобрел первый практически осуществимый двигатель переменного тока, а вместе с ним и систему многофазной передачи энергии. Тесла продолжил свою работу над двигателем переменного тока в последующие годы в компании Westinghouse.

Разработка электродвигателей приемлемого КПД была отложена на несколько десятилетий из-за непонимания чрезвычайной важности относительно небольшого воздушного зазора между ротором и статором. Ранние двигатели для некоторых положений ротора имели сравнительно большие воздушные зазоры, которые составляли магнитную цепь с очень высоким сопротивлением.Они производили гораздо меньший крутящий момент, чем эквивалентная мощность, которую можно было бы произвести с помощью эффективных конструкций. Причина непонимания, по-видимому, заключается в том, что ранние конструкции были основаны на знакомом нам далеком притяжении между магнитом и куском ферромагнитного материала или между двумя электромагнитами. Эффективные конструкции, как описано в этой статье, основаны на роторе со сравнительно небольшим воздушным зазором и диаграммах магнитного потока, которые создают крутящий момент.

Обратите внимание, что стержни якоря находятся на некотором расстоянии (неизвестном) от полюсных наконечников возбуждения, когда питание подается на один из магнитов возбуждения; воздушный зазор может быть значительным.В тексте говорится о неэффективности дизайна. (На практике электричество было создано за счет потребления цинка во влажных первичных элементах!)

В своих мастерских Фромент имел электродвигатель мощностью в одну лошадиную силу. Но, несмотря на интересное применение преобразования энергии, эти машины никогда не найдут практического применения в промышленных масштабах, поскольку за счет кислот и цинка, которые они используют, намного больше, чем у угля в паровых двигателях. та же сила.

[…] двигатели, работающие от электричества, независимо от стоимости конструкции или стоимости кислот, по крайней мере в шестьдесят раз дороже паровых двигателей.

Хотя конструкция Грамма была сравнительно более эффективной, очевидно, двигатель Froment по-прежнему считался иллюстративным и спустя годы. Интересно, что двигатель Сент-Луиса, долгое время использовавшийся в учебных классах для иллюстрации принципов работы двигателя, крайне неэффективен по той же причине, а также не похож на современный двигатель.Фотография традиционной формы двигателя: обратите внимание на выступающие стержневые магниты и огромный воздушный зазор на концах, противоположных ротору. Даже современные версии имеют большие воздушные зазоры, если полюса ротора не выровнены.

Применение электродвигателей произвело революцию в отрасли. Промышленные процессы больше не ограничивались передачей мощности с помощью вала, ремней, сжатого воздуха или гидравлического давления. Вместо этого каждая машина может быть оснащена собственным электродвигателем, обеспечивающим простое управление в месте использования и повышающим эффективность передачи энергии.Электродвигатели, применяемые в сельском хозяйстве, лишили силы мускулов человека и животных при выполнении таких задач, как обработка зерна или перекачка воды. Использование электродвигателей в домашних условиях сократило объем тяжелого домашнего труда и сделало возможными более высокие стандарты удобства, комфорта и безопасности. Сегодня электродвигатели потребляют более половины всей производимой электроэнергии.

Категоризация электродвигателей

Классическое разделение электродвигателей на типы переменного тока (AC) и типы постоянного тока (DC).Это скорее фактическое соглашение, чем жесткое различие. Например, многие классические двигатели постоянного тока работают от сети переменного тока, эти двигатели называются универсальными двигателями.

Номинальная выходная мощность также используется для классификации двигателей. Например, двигатели мощностью менее 746 Вт часто называют двигателями с дробной мощностью (FHP) в соответствии со старыми британскими мерками.

Продолжающаяся тенденция к электронному управлению еще больше затрудняет различие, поскольку современные драйверы вынесли коммутатор из корпуса двигателя.Для этого нового поколения двигателей используются схемы драйверов для генерации синусоидальных управляющих токов переменного тока или некоторого их приближения. Двумя лучшими примерами являются: бесщеточный двигатель постоянного тока и шаговый двигатель, оба являются многофазными двигателями переменного тока, требующими внешнего электронного управления, хотя исторически шаговые двигатели (например, для морских и морских повторителей гирокомпасов) приводились в действие от постоянного тока, переключаемого контактами.

Учитывая, что все вращающиеся (или линейные) электродвигатели требуют синхронизма между движущимся магнитным полем и движущимся токовым слоем для создания среднего крутящего момента, существует более четкое различие между асинхронным двигателем и синхронным типом.Асинхронный двигатель требует проскальзывания между движущимся магнитным полем и обмоткой, чтобы индуцировать ток в обмотке, установленной за счет взаимной индуктивности; наиболее распространенным примером является обычный асинхронный двигатель переменного тока, который должен проскальзывать для создания крутящего момента. В синхронных типах индукция (или скольжение) не является обязательным условием для создания магнитного поля или тока (например, двигатели с постоянными магнитами, синхронные бесщеточные электрические машины с двойным питанием ротора).

Сравнение типов двигателей

Серводвигатель

Сервомеханизм или сервопривод — это автоматическое устройство, которое использует обратную связь с обнаружением ошибок для корректировки работы механизма.Термин правильно применяется только к системам, в которых сигналы обратной связи или коррекции ошибок помогают контролировать механическое положение или другие параметры. Например, управление автомобильным стеклоподъемником не является сервомеханизмом, поскольку нет автоматической обратной связи, которая контролирует положение — оператор делает это путем наблюдения. В отличие от этого круиз-контроль автомобиля использует обратную связь с обратной связью, которая классифицирует его как сервомеханизм.

Электродвигатель синхронный

Синхронный электродвигатель — это электродвигатель переменного тока, отличающийся тем, что ротор вращается с катушками, пропускающими магниты с той же скоростью, что и переменный ток, и возникающим магнитным полем, которое его приводит в действие.Другими словами, он имеет нулевое проскальзывание при обычных условиях эксплуатации. Сравните это с асинхронным двигателем, который должен проскальзывать для создания крутящего момента. Синхронный двигатель похож на асинхронный двигатель, за исключением того, что ротор возбуждается полем постоянного тока. Контактные кольца и щетки используются для подачи тока к ротору. Полюса ротора соединяются друг с другом и движутся с одинаковой скоростью, отсюда и название синхронный двигатель.

Асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель (IM) — это тип асинхронного двигателя переменного тока, в котором мощность подается на вращающееся устройство посредством электромагнитной индукции.Другое часто используемое название — это двигатель с короткозамкнутым ротором, потому что стержни ротора с короткозамыкающими кольцами напоминают клетку с коротким замыканием (колесо хомяка). Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую в своем роторе (вращающейся части). Есть несколько способов подачи питания на ротор. В двигателе постоянного тока эта мощность подается на якорь непосредственно от источника постоянного тока, в то время как в асинхронном двигателе эта мощность индуцируется во вращающемся устройстве. Асинхронный двигатель иногда называют вращающимся трансформатором, потому что статор (неподвижная часть) по существу является первичной стороной трансформатора, а ротор (вращающаяся часть) — вторичной стороной.Широко используются асинхронные двигатели, особенно многофазные асинхронные двигатели, которые часто используются в промышленных приводах.

Электростатический двигатель (конденсаторный двигатель)

Электростатический двигатель или конденсаторный двигатель — это тип электродвигателя, основанный на притяжении и отталкивании электрического заряда. Обычно электростатические двигатели являются двойными по сравнению с обычными двигателями с катушкой. Обычно для них требуется источник питания высокого напряжения, хотя в очень маленьких двигателях требуется более низкое напряжение. Вместо этого обычные электродвигатели используют магнитное притяжение и отталкивание и требуют высокого тока при низких напряжениях.В 1750-х годах Бенджамин Франклин и Эндрю Гордон разработали первые электростатические двигатели. Сегодня электростатический двигатель часто используется в микромеханических (МЭМС) системах, где их управляющее напряжение ниже 100 вольт и где движущиеся заряженные пластины гораздо проще изготовить, чем катушки и железные сердечники. Кроме того, молекулярный механизм, который управляет живыми клетками, часто основан на линейных и вращающихся электростатических двигателях.

Двигатели постоянного тока

Двигатель постоянного тока предназначен для работы от постоянного тока.Двумя примерами чистых конструкций постоянного тока являются униполярный двигатель Майкла Фарадея (что необычно) и двигатель на шарикоподшипниках, который (пока) является новинкой. Безусловно, наиболее распространенными типами двигателей постоянного тока являются щеточные и бесщеточные двигатели, в которых используется внутренняя и внешняя коммутация соответственно для создания колеблющегося переменного тока от источника постоянного тока, поэтому в строгом смысле они не являются чисто двигателями постоянного тока.

Двигатели постоянного тока с щетками

Классическая конструкция двигателя постоянного тока генерирует колебательный ток в роторе или якоре с помощью коммутатора с разрезным кольцом и статора с обмоткой или постоянным магнитом.Ротор состоит из одной или нескольких катушек проволоки, намотанных вокруг сердечника на валу; источник электроэнергии подключен к катушке ротора через коммутатор и его щетки, заставляя ток течь в нем, вызывая электромагнетизм. Коммутатор вызывает переключение тока в катушках при вращении ротора, предотвращая полное совпадение магнитных полюсов ротора с магнитными полюсами поля статора, так что ротор никогда не останавливается (как это делает стрелка компаса), но скорее, продолжает вращаться бесконечно (до тех пор, пока подается мощность, достаточная для двигателя, чтобы преодолеть крутящую нагрузку на валу и внутренние потери из-за трения и т. д.)

Многие ограничения классического коллекторного двигателя постоянного тока связаны с необходимостью прижимания щеток к коммутатору. Это создает трение. Искры создаются щетками, замыкая и размыкая цепи через обмотки ротора, когда щетки пересекают изоляционные зазоры между секциями коллектора. В зависимости от конструкции коммутатора, это может включать в себя замыкание щеток между соседними секциями — и, следовательно, концами катушки — на мгновение при пересечении зазоров. Кроме того, индуктивность катушек ротора заставляет напряжение на каждой из них повышаться при размыкании цепи, увеличивая искрение щеток.Это искрение ограничивает максимальную скорость машины, так как слишком быстрое искрение приведет к перегреву, разрушению или даже расплавлению коллектора. Плотность тока на единицу площади щеток в сочетании с их удельным сопротивлением ограничивает мощность двигателя. Замыкание и размыкание электрического контакта также вызывает электрический шум, а искры дополнительно вызывают радиопомехи. Щетки со временем изнашиваются и требуют замены, а сам коллектор подлежит износу и техническому обслуживанию (на более крупных двигателях) или замене (на небольших двигателях).Сборка коммутатора на большой машине — дорогостоящий элемент, требующий точной сборки многих деталей. В небольших двигателях коллектор обычно постоянно встроен в ротор, поэтому его замена обычно требует замены всего ротора.

Большие щетки желательны для большей площади контакта щеток, чтобы максимизировать мощность двигателя, но маленькие щетки желательны для малой массы, чтобы максимизировать скорость, с которой двигатель может работать без чрезмерного подпрыгивания щеток и искрения (сравнимо с проблемой «клапана» поплавок »в двигателях внутреннего сгорания).(Маленькие щетки также желательны для более низкой стоимости.) Более жесткие щеточные пружины также могут использоваться, чтобы заставить щетки заданной массы работать с более высокой скоростью, но за счет больших потерь на трение (более низкая эффективность) и ускоренного износа щеток и коллектора. Следовательно, конструкция щетки двигателя постоянного тока предполагает компромисс между выходной мощностью, скоростью и эффективностью / износом.

Есть пять типов щеточных двигателей постоянного тока:

A. Двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой

B. Двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой

С.Составной двигатель постоянного тока (две конфигурации):

• Суммарное соединение
• Дифференциально компаундированный

D. Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами (не показан)

E. Отдельно-возбужденные (сепекс) (не показаны).

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Некоторые проблемы щеточного двигателя постоянного тока устранены в бесщеточной конструкции. В этом двигателе механический «вращающийся переключатель» или узел коммутатора / щеточного устройства заменен внешним электронным переключателем, синхронизированным с положением ротора.Бесщеточные двигатели обычно имеют КПД 85-90% или более (более высокий КПД бесщеточного электродвигателя до 96,5% был зарегистрирован исследователями из Университета Токай в Японии в 2009 году), тогда как двигатели постоянного тока с щеткой обычно имеют КПД 75-80%. .

На полпути между обычными двигателями постоянного тока и шаговыми двигателями лежит область бесщеточных двигателей постоянного тока. Построенные аналогично шаговым двигателям, они часто используют внешний ротор с постоянным магнитом, три фазы управляющих катушек, один или несколько датчиков Холла для определения положения ротора и соответствующую приводную электронику.Катушки активируются, одна фаза за другой, электроникой привода в соответствии с сигналами датчиков Холла или обратной ЭДС (электродвижущей силы) неприведенных катушек. По сути, они действуют как трехфазные синхронные двигатели, содержащие собственную электронику частотно-регулируемого привода. В специализированном классе контроллеров бесщеточных двигателей постоянного тока для определения положения и скорости используется обратная связь по ЭДС через основные фазовые соединения вместо датчиков Холла. Эти двигатели широко используются в электромобилях с радиоуправлением.Когда они сконфигурированы с магнитами снаружи, они называются моделистами двигателями с подъёмным механизмом.

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

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

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

Двигатели постоянного тока без сердечника или железа

Ничто в конструкции любого из описанных выше двигателей не требует, чтобы железные (стальные) части ротора действительно вращались; крутящий момент действует только на обмотки электромагнитов.Этим фактом пользуется двигатель постоянного тока без сердечника или железа , специализированная форма щеточного или бесщеточного двигателя постоянного тока. Эти двигатели, оптимизированные для быстрого разгона, имеют ротор без железного сердечника. Ротор может иметь форму заполненного обмоткой цилиндра или самонесущей конструкции, содержащей только магнитный провод и связующий материал. Ротор может помещаться внутри магнитов статора; магнитомягкий неподвижный цилиндр внутри ротора обеспечивает обратный путь для магнитного потока статора.Во второй конструкции корзина обмотки ротора окружает магниты статора. В этой конструкции ротор помещается внутри магнитно-мягкого цилиндра, который может служить корпусом для двигателя, а также обеспечивает обратный путь для магнитного потока.

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

Соответствующие приводы с ограниченным ходом не имеют сердечника и соединенной катушки, размещенной между полюсами тонких постоянных магнитов с высокой магнитной индукцией. Это быстрые позиционеры головки для жестких дисков («жестких дисков»).

Двигатели постоянного тока с печатным рисунком якоря или блинчика

Довольно уникальная конструкция двигателя — двигатель с якорем-блинчиком с печатным рисунком имеет обмотки в форме диска, проходящего между массивами магнитов с сильным магнитным потоком, расположенных по кругу, обращенных к ротору и образующих осевой воздушный зазор.Эта конструкция широко известна как двигатель-блинчик из-за ее чрезвычайно плоского профиля, хотя с момента ее создания у технологии было много торговых марок, таких как ServoDisc.

Якорь с печатным рисунком (первоначально сформированный на печатной плате) в двигателе с печатным якорем изготовлен из перфорированных медных листов, которые ламинированы вместе с использованием современных композитов, чтобы сформировать тонкий жесткий диск. Печатная арматура имеет уникальную конструкцию в мире щеточных двигателей, в которой нет отдельного кольцевого коммутатора.Щетки движутся непосредственно по поверхности якоря, что делает всю конструкцию очень компактной.

Альтернативный метод производства заключается в использовании намотанной медной проволоки, уложенной плоско с центральным обычным коммутатором, в форме цветка и лепестка. Обмотки обычно стабилизируются путем пропитки систем электролитической эпоксидной заливки. Это эпоксидные смолы с наполнителем, которые имеют умеренную смешанную вязкость и длительное время гелеобразования. Они отличаются низкой усадкой и низким экзотермическим эффектом и, как правило, признаны UL 1446 в качестве заливочного компаунда для использования при температуре до 180 ° C (класс H) (файл UL No.E 210549).

Уникальное преимущество двигателей постоянного тока без железа состоит в том, что они не имеют зубцов (вибрации, вызванной притяжением между железом и магнитами), а паразитные вихревые токи не могут образовываться в роторе, поскольку он полностью без железа. Это может значительно повысить эффективность, но контроллеры с регулируемой скоростью должны использовать более высокую частоту переключения (> 40 кГц) или постоянный ток из-за уменьшения электромагнитной индукции.

Эти двигатели были первоначально изобретены для привода приводов магнитных лентопротяжных устройств в быстро развивающейся компьютерной индустрии.Блинные двигатели по-прежнему широко используются в высокопроизводительных сервоуправляемых системах, роботизированных системах гуманоидов, промышленной автоматизации и медицинских устройствах. Благодаря разнообразию конструкций, доступных в настоящее время, технология используется в приложениях, от высокотемпературных военных до недорогих насосов и базовых сервоприводов.

Универсальные двигатели

Двигатель с последовательной обмоткой называется универсальным двигателем, если он предназначен для работы от источника переменного или постоянного тока. Возможность работать от переменного тока обусловлена ​​тем, что ток как в поле, так и в якоре (и, следовательно, результирующие магнитные поля) будут чередоваться (обратная полярность) синхронно, и, следовательно, результирующая механическая сила будет действовать в постоянном направлении.

Универсальные двигатели, работающие на обычных частотах электросети, очень редко превышают мощность одного киловатта (около 1,3 лошадиных сил). Универсальные двигатели также составляют основу традиционного железнодорожного тягового двигателя на электрических железных дорогах. В этом приложении для поддержания высокого электрического КПД они работали от очень низкочастотных источников переменного тока, обычно с частотой 25 и 16,7 герц (Гц). Поскольку это универсальные двигатели, локомотивы, использующие эту конструкцию, также обычно могли работать от третьего рельса с питанием от постоянного тока.

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

Универсальные двигатели обычно работают на высоких скоростях, что делает их полезными для таких приборов, как блендеры, пылесосы и фены, где желательна работа на высоких оборотах.Они также обычно используются в портативных электроинструментах, таких как дрели, дисковые пилы и лобзики, где характеристики двигателя хорошо работают. Моторы многих пылесосов и триммеров для сорняков превышают 10 000 об / мин, в то время как Dremel и другие аналогичные миниатюрные шлифовальные машины часто превышают 30 000 об / мин.

Двигатель может выйти из строя из-за превышения скорости (работа на оборотах, превышающих расчетные пределы), если агрегат эксплуатируется без значительной нагрузки. На более мощных двигателях следует избегать внезапной потери нагрузки, и возможность такого возникновения заложена в схемы защиты и управления двигателя.В некоторых небольших приложениях лопасть вентилятора, прикрепленная к валу, часто действует как искусственная нагрузка для ограничения скорости двигателя до безопасного значения, а также как средство для циркуляции охлаждающего воздушного потока по якорю и обмоткам возбуждения.

Двигатели переменного тока

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

Тесла предположил, что коммутаторы из машины могут быть удалены, и устройство может работать во вращающемся силовом поле. Его учитель профессор Пошель заявил, что это было бы похоже на создание вечного двигателя. Позже Тесла получил патент США № 0,416,194 «Электродвигатель» (декабрь 1889 г.), который напоминает двигатель, изображенный на многих фотографиях Теслы. Этот классический электромагнитный двигатель переменного тока был асинхронным.

Михаил Осипович Доливо-Добровольский позже изобрел трехфазный «клеточный ротор» в 1890 году. Этот тип двигателя сейчас используется в подавляющем большинстве коммерческих приложений.

Компоненты

Типичный двигатель переменного тока состоит из двух частей:

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

Моментные двигатели

Моментный двигатель (также известный как двигатель с ограниченным крутящим моментом) — это особый вид асинхронного двигателя, который может работать бесконечно долго при остановке, то есть с блокировкой вращения ротора без повреждения. В этом режиме работы двигатель будет прикладывать постоянный крутящий момент к нагрузке (отсюда и название).

Обычно моментный двигатель применяется в двигателях подающей и приемной катушек в ленточном накопителе. В этом приложении, приводимом в действие низким напряжением, характеристики этих двигателей позволяют приложить к ленте относительно постоянное легкое натяжение независимо от того, протягивает ли ведущий ленту мимо головок ленты.Управляемые более высоким напряжением (и, следовательно, обеспечивающие более высокий крутящий момент), моментные двигатели также могут работать в режиме быстрой перемотки вперед и назад, не требуя каких-либо дополнительных механизмов, таких как шестерни или муфты. В мире компьютерных игр моментные двигатели используются в рулевых колесах с обратной связью по усилию.

Другое распространенное применение — управление дроссельной заслонкой двигателя внутреннего сгорания в сочетании с электронным регулятором. В этом случае двигатель работает против возвратной пружины, чтобы перемещать дроссельную заслонку в соответствии с выходной мощностью регулятора.Последний контролирует частоту вращения двигателя, считая электрические импульсы от системы зажигания или от магнитного датчика, и, в зависимости от скорости, вносит небольшие изменения в величину тока, подаваемого на двигатель. Если двигатель начинает замедляться относительно желаемой скорости, ток будет увеличиваться, двигатель будет развивать больший крутящий момент, натягиваясь на возвратную пружину и открывая дроссельную заслонку. Если двигатель работает слишком быстро, регулятор снизит ток, подаваемый на двигатель, в результате чего возвратная пружина отодвинется и закроет дроссельную заслонку.

Контактное кольцо

Контактное кольцо представляет собой компонент двигателя с фазным ротором в качестве индукционной машины (лучше всего демонстрируется конструкцией обычного автомобильного генератора переменного тока), где ротор состоит из набора катушек, которые электрически оканчиваются контактными кольцами. Это металлические кольца, жестко закрепленные на роторе, и в сочетании с щетками (как в коммутаторах) обеспечивают непрерывное некоммутируемое соединение с обмотками ротора.

В случае асинхронного двигателя с фазным ротором к щеткам могут быть подключены внешние импедансы.Статор возбуждается аналогично стандартному двигателю с короткозамкнутым ротором. Изменяя импеданс, подключенный к цепи ротора, можно изменять кривые скорость / ток и скорость / крутящий момент.

(Контактные кольца чаще всего используются в автомобильных генераторах переменного тока, а также в устройствах синхронной угловой передачи данных, среди других приложений.)

Электродвигатель с контактным кольцом используется в основном для пуска нагрузки с высоким моментом инерции или нагрузки, которая требует очень высокого пускового момента во всем диапазоне скоростей.При правильном выборе резисторов, используемых во вторичном резисторе или пускателе с контактным кольцом, двигатель может создавать максимальный крутящий момент при относительно низком токе питания от нулевой до полной скорости. Этот тип двигателя также обеспечивает регулируемую скорость.

Скорость двигателя можно изменить, поскольку кривая крутящего момента двигателя эффективно изменяется за счет величины сопротивления, подключенного к цепи ротора. Увеличение значения сопротивления приведет к снижению скорости максимального крутящего момента. Если сопротивление, подключенное к ротору, увеличивается за пределами точки, где максимальный крутящий момент возникает при нулевой скорости, крутящий момент будет еще больше уменьшен.

При использовании с нагрузкой, кривая крутящего момента которой увеличивается с увеличением скорости, двигатель будет работать на скорости, при которой крутящий момент, развиваемый двигателем, равен крутящему моменту нагрузки. Уменьшение нагрузки приведет к ускорению двигателя, а увеличение нагрузки приведет к замедлению двигателя до тех пор, пока нагрузка и крутящий момент двигателя не станут равными. При таком использовании потери скольжения рассеиваются на вторичных резисторах и могут быть очень значительными. Регулировка скорости и полезная эффективность тоже очень плохие.

Шаговые двигатели

По конструкции тесно связаны с трехфазными синхронными двигателями переменного тока шаговые двигатели, в которых внутренний ротор, содержащий постоянные магниты, или магнитно-мягкий ротор с явными полюсами управляется набором внешних магнитов, которые переключаются электронно. Шаговый двигатель также можно рассматривать как нечто среднее между электродвигателем постоянного тока и вращающимся соленоидом. Поскольку каждая катушка поочередно получает питание, ротор выравнивается с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения под напряжением.В отличие от синхронного двигателя, шаговый двигатель не может вращаться непрерывно; вместо этого он «шагает» — запускается, а затем быстро останавливается — от одного положения к другому, поскольку обмотки возбуждения последовательно включаются и отключаются. В зависимости от последовательности, ротор может вращаться вперед или назад, и он может произвольно менять направление, останавливаться, ускоряться или замедляться в любое время.

Простые драйверы шаговых двигателей полностью включают или полностью обесточивают обмотки возбуждения, приводя ротор к «зубчатой ​​передаче» в ограниченное количество положений; более сложные драйверы могут пропорционально управлять мощностью обмоток возбуждения, позволяя роторам располагаться между точками шестерен и, таким образом, вращаться чрезвычайно плавно.Этот режим работы часто называют микрошагом. Шаговые двигатели с компьютерным управлением — одна из самых универсальных форм систем позиционирования, особенно когда они являются частью цифровой системы с сервоуправлением.

Шаговые двигатели можно легко поворачивать на определенный угол дискретными шагами, и, следовательно, шаговые двигатели используются для позиционирования головки чтения / записи в дисководах компьютерных гибких дисков. Они использовались для той же цели в компьютерных дисковых накопителях до гигабайтной эры, где точность и скорость, которые они предлагали, были достаточными для правильного позиционирования головки чтения / записи жесткого диска.По мере увеличения плотности накопителей, ограничения точности и скорости шаговых двигателей сделали их устаревшими для жестких дисков — ограничение точности сделало их непригодными для использования, а ограничение скорости сделало их неконкурентоспособными — таким образом, в новых жестких дисках используются системы привода головки на основе звуковой катушки. (Термин «звуковая катушка» в этой связи является историческим; он относится к структуре в типичном (конусном) громкоговорителе. Эта структура некоторое время использовалась для размещения головок. Современные приводы имеют поворотное крепление катушки; катушка качается вперед и назад, что-то вроде лопасти вращающегося вентилятора.Тем не менее, подобно звуковой катушке, современные проводники катушки исполнительного механизма (магнитный провод) движутся перпендикулярно магнитным силовым линиям.)

Шаговые двигатели часто использовались и до сих пор используются в компьютерных принтерах, оптических сканерах и цифровых копировальных аппаратах для перемещения оптического сканирующего элемента, каретки печатающей головки (матричных и струйных принтеров) и валика. Точно так же многие компьютерные плоттеры (которые с начала 1990-х были заменены широкоформатными струйными и лазерными принтерами) использовали роторные шаговые двигатели для перемещения пера и валика; типичными альтернативами здесь были либо линейные шаговые двигатели, либо серводвигатели со сложной системой управления с обратной связью.

Так называемые кварцевые аналоговые наручные часы содержат самые маленькие обычные шаговые двигатели; у них одна катушка, они потребляют очень мало энергии и имеют ротор с постоянными магнитами. Такой же двигатель приводит в действие кварцевые часы с батарейным питанием. Некоторые из этих часов, например хронографы, содержат более одного шагового двигателя.

Шаговые двигатели были модернизированы для использования в электромобилях под термином SRM (Switched Reluctance Motor).

Двигатели линейные

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

Линейные двигатели чаще всего представляют собой асинхронные двигатели или шаговые двигатели. Вы можете найти линейный двигатель в поезде на магнитной подвеске (Transrapid), где поезд «летит» над землей, и во многих американских горках, где быстрое движение безмоторного вагона контролируется рельсом. В меньшем масштабе, по крайней мере, один перьевой плоттер XY для компьютерной графики формата Letter (8,5 x 11 дюймов) производства Hewlett-Packard (с конца 1970-х до середины 1980-х годов) использовал два линейных шаговых двигателя для перемещения пера по двум ортогональным топоры.

Питание и обмотки

Электродвигатель с двойным питанием

Электродвигатели с двойным питанием имеют две независимые многофазные обмотки, которые активно участвуют в процессе преобразования энергии, причем по крайней мере один из наборов обмоток имеет электронное управление для работы с переменной скоростью. Два — это наиболее активные наборы многофазных обмоток, возможные без дублирования категорий с одиночным или двойным питанием в одном корпусе. В результате электродвигатели с двойным питанием представляют собой машины с эффективным диапазоном скорости с постоянным крутящим моментом, который в два раза превышает синхронную скорость для данной частоты возбуждения.Это в два раза больше диапазона скоростей с постоянным крутящим моментом, чем у электрических машин с однополярным питанием, у которых есть только одна активная обмотка.

Двигатель с двойным питанием позволяет использовать электронный преобразователь меньшего размера, но стоимость обмотки ротора и контактных колец может компенсировать экономию на компонентах силовой электроники. Трудности с контролем скорости в приложениях с ограничением синхронной скорости. ^[11]

Электродвигатель с однополярным питанием

Электродвигатели с однополярным питанием содержат одну многофазную обмотку, подключенную к источнику питания.Электромашины с однополярным питанием могут быть как индукционными, так и синхронными. Активным комплектом обмоток можно управлять с помощью электроники. Индукционные машины развивают пусковой момент при нулевой скорости и могут работать как автономные машины. Синхронные машины должны иметь вспомогательные средства для запуска, такие как пусковая индукционная обмотка с короткозамкнутым ротором или электронный контроллер. Электрические машины с однополярным питанием имеют эффективный диапазон скоростей с постоянным крутящим моментом до синхронной скорости для заданной частоты возбуждения.

Асинхронные двигатели (т.е.например, ротор с короткозамкнутым ротором или ротор с обмоткой), синхронные двигатели (т. е. двигатели с возбуждением от возбуждения, двигатели постоянного тока с постоянными магнитами или бесщеточные двигатели постоянного тока, реактивные двигатели и т. д.), которые обсуждаются на этой странице, являются примерами двигателей с однополярным питанием. Безусловно, двигатели с однополярным питанием являются наиболее распространенным типом двигателей.

Наномотор с нанотрубками

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

КПД

Для расчета КПД двигателя механическая выходная мощность делится на входную электрическую:

, г.

где — эффективность преобразования энергии, — входная электрическая мощность и — механическая выходная мощность.

В простейшем случае и, где — входное напряжение, — входной ток, — выходной крутящий момент и — выходная угловая скорость. Можно аналитически вывести точку максимальной эффективности. Обычно он составляет менее 1/2 крутящего момента при остановке.

Последствия

Поскольку двигатель постоянного тока работает наиболее эффективно при меньшем, чем 1/2 его крутящего момента при остановке, двигатель «завышенного размера» работает с наивысшим КПД. IE: использование более мощного двигателя, чем это необходимо, позволяет двигателю работать максимально близко к холостым или пиковым условиям.

Крутящий момент типов двигателей

При оптимальном проектировании для заданного активного тока (т. Е. Тока крутящего момента), напряжения, числа пар полюсов, частоты возбуждения (т. Е. Синхронной скорости) и плотности магнитного потока сердечника, все категории электродвигателей или генераторов будут демонстрировать практически одинаковый максимум. постоянный крутящий момент на валу (т. е. рабочий крутящий момент) в пределах заданного физического размера электромагнитного сердечника. Для некоторых приложений требуются всплески крутящего момента, превышающие максимальный рабочий крутящий момент, например, короткие всплески крутящего момента для ускорения электромобиля с места.Всегда ограниченная насыщением магнитного сердечника или безопасным повышением рабочей температуры и напряжения, способность выдерживать скачки крутящего момента сверх максимального рабочего крутящего момента значительно различается между категориями электродвигателей или генераторов.

Примечание. Способность к скачкам крутящего момента не следует путать со способностью ослабления поля, присущей полностью электромагнитным электрическим машинам (исключая электрические машины с постоянным магнитом (PM)). Ослабление поля, которое недоступно для электрических машин с постоянным магнитом, позволяет электрической машине работать за пределами расчетной частоты возбуждения без электрического повреждения.

Электрические машины без топологии трансформаторной схемы, например, с полевой обмоткой (т. Е. С электромагнитом) или с постоянным магнитом (PM). Синхронные электрические машины не могут реализовать всплески крутящего момента выше максимального расчетного крутящего момента без насыщения магнитопровода и увеличения тока за ненадобностью. Кроме того, узел постоянного магнита синхронных электрических машин с постоянным магнитом может быть непоправимо поврежден, если будут предприняты попытки увеличения крутящего момента, превышающего максимально допустимый рабочий крутящий момент.

Электрические машины с топологией трансформаторной схемы, такие как индукционные (т. Е. Асинхронные) электрические машины, индукционные электрические машины с двойной подачей питания и индукционные или синхронные электрические машины с двойной подачей ротора (WRDF), демонстрируют очень высокие всплески крутящего момента. потому что активный ток (то есть магнитодвижущая сила или произведение тока и витков обмотки), индуцированный с обеих сторон трансформатора, противостоят друг другу, и в результате активный ток не влияет на плотность потока магнитного сердечника, подключенного к трансформатору. , что в противном случае привело бы к насыщению сердечника.

Электрические машины, основанные на принципах индукции или асинхронности, закорачивают один порт цепи трансформатора, и в результате реактивное сопротивление цепи трансформатора становится доминирующим по мере увеличения скольжения, что ограничивает величину активного (т. Е. Реального) тока. . Тем не менее, всплески крутящего момента, которые в два-три раза превышают максимальный расчетный крутящий момент, возможны.

Синхронная электрическая машина WRDF — единственная электрическая машина с действительно двухпортовой топологией трансформаторной схемы (т.е., оба порта независимо возбуждаются без короткозамкнутого порта). Топология схемы с двумя портами трансформатора, как известно, нестабильна и требует многофазного узла контактного кольца-щетки для передачи ограниченной мощности на обмотку ротора. Если бы были доступны прецизионные средства для мгновенного управления углом крутящего момента и проскальзыванием для синхронной работы во время движения или генерации, одновременно обеспечивая бесщеточную мощность для набора обмоток ротора (см. Бесщеточная электрическая машина с двойным питанием из обмотки ротора), активный ток синхронного WRDF электрическая машина не будет зависеть от реактивного сопротивления цепи трансформатора, и всплески крутящего момента, значительно превышающие максимальный рабочий крутящий момент и намного превосходящие практические возможности любого другого типа электрической машины.Были рассчитаны всплески крутящего момента, превышающие рабочий крутящий момент в восемь раз.

Материалы

Надвигается нехватка многих редких сырьевых материалов, используемых при производстве гибридных и электрических автомобилей (Nishiyama 2007) (Cox 2008). Например, диспрозий из редкоземельных элементов требуется для производства многих современных электродвигателей, используемых в гибридных автомобилях (Cox 2008). Однако более 95% редкоземельных элементов в мире добывается в Китае (Haxel et al. 2005), и ожидается, что к 2012 году внутреннее потребление Китая покроет все поставки Китая (Cox 2008).

В то время как двигатели с постоянными магнитами, предпочитаемые гибридами, например, производимыми Toyota, часто используют в своих магнитах редкоземельные материалы, тяговые двигатели переменного тока, используемые в серийных электромобилях, таких как GM EV1, Toyota RAV4 EV и Tesla Roadster, не используют постоянные магниты или связанные с ними редкоземельные материалы. Двигатели переменного тока обычно используют обычную медную проволоку для катушек статора и медные или алюминиевые стержни или стержни для их ротора. В двигателях переменного тока редко используются редкоземельные материалы.

Стандарты двигателей

Ниже приведены основные стандарты проектирования и производства электродвигателей:

• Международная электротехническая комиссия: IEC 60034 Вращающиеся электрические машины
• Национальная ассоциация производителей электрооборудования (США): NEMA MG 1 Motors and Generators
• Underwriters Laboratories (США): UL 1004 — Стандарт для электродвигателей

Использует

Электродвигатели используются во многих, если не в большинстве современных машин.Очевидно, что его можно использовать во вращающихся машинах, таких как вентиляторы, турбины, дрели, колеса электромобилей, локомотивы и конвейерные ленты. Кроме того, во многих вибрирующих или колеблющихся машинах электродвигатель вращает неправильную фигуру с большей площадью на одной стороне оси, чем на другой, из-за чего кажется, что она движется вверх и вниз.

Электродвигатели также популярны в робототехнике. Они используются для вращения колес автомобильных роботов, а серводвигатели используются для вращения рук и ног роботов-гуманоидов.В летающих роботах, наряду с вертолетами, двигатель заставляет пропеллер или широкие плоские лопасти вращаться и создавать подъемную силу, обеспечивая вертикальное движение.

Электродвигатели заменяют гидроцилиндры в самолетах и ​​военной технике. ^{[12] [13]}

На промышленных предприятиях электродвигатели используются для поворота пил и лезвий в процессах резки и нарезки, а также для вращения шестерен и миксеров (последние очень распространены в пищевой промышленности).Линейные двигатели часто используются для горизонтального выталкивания продуктов в контейнеры.

Многие кухонные приборы также используют электродвигатели для выполнения различных работ. Кухонные комбайны и кофемолки вращают лезвия, чтобы измельчать и измельчать продукты. Блендеры используют электродвигатели для смешивания жидкостей, а микроволновые печи используют электродвигатели, чтобы включить поднос с едой. В тостерах также используются электродвигатели, которые вращают конвейер для перемещения пищи по нагревательным элементам.

Список литературы

1. ↑ «Что такое привод?», WizardGEEK .Conjecture Corp., 2010. Дата обращения 13 марта 2010.
2. ↑ Schoenherr, Стивен Э. (2001), «История громкоговорителей». История технологии записи . Проверено 13 марта 2010.
3. ↑ музей искры
4. ↑ Электричество и магнетизм, перевод с французского Амеде Гиймен. Ред. И ред. Сильвануса П. Томпсона. Лондон, Макмиллан, 1891 г.
5. ↑ Nature 53. (напечатано в 1896 г.) страница: 516
6. ↑ http://www.mpoweruk.com/timeline.htm
7. ↑ http: // www.fh-zwickau.de/mbk/kfz_ee/praesentationen/Elma-Gndl-Generator%20-%20Druckversion.pdf
8. ↑ http://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/phil_Fak_I/Philosophie/Wissenschaftsgeschichte/Termine/E-Maschinen-Lexikon/Chronologie.htm
9. ↑ http://www.mpoweruk.com/history.htm
10. ↑ http://www.circuitcellar.com/ Motor Comparison, Circuit Cellar Magazine, июль 2008 г., выпуск 216, Bachiochi, стр.78
11. ↑ Cyril W. Lander, Power Electronics 3rd Edition , Mc Graw Hill International UK Limited, Лондон 1993 ISBN 0-07-707714-8 Глава 9-8 Управление индукционным электродвигателем с контактным кольцом
12. ↑ Бриер Д.and Traverse, P. (1993) «Электрические средства управления полетом Airbus A320 / A330 / A340: семейство отказоустойчивых систем» Proc. FTCS, стр. 616-623.
13. ↑ Север, Дэвид. (2000) «Поиск точек соприкосновения в системах защиты конвертов». Авиационная неделя и космические технологии , 28 августа, стр. 66–68.

Внешние ссылки

Электродвигатели и приводы с регулируемой скоростью

Электродвигатель обычно определяется как устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую энергию в форме вращения (крутящий момент и скорость).Привод с регулируемой скоростью — это электронное устройство, которое можно использовать для регулировки скорости вращения электродвигателя в соответствии с потребностями приложения.

В ЕС используется около 8 миллиардов электродвигателей, которые потребляют почти 50% электроэнергии, производимой ЕС.

Этот сектор очень неоднороден, со значительным разнообразием технологий, приложений и размеров, начиная от крошечных двигателей, например, приводящих в движение охлаждающие вентиляторы в компьютерах, до огромных двигателей в тяжелой промышленности.

Требования к экодизайну

Правила экодизайна электродвигателей и приводов с регулируемой скоростью обязательны для всех производителей и поставщиков, желающих продавать свою продукцию в ЕС.

Регламент об электродвигателях и частотно-регулируемых приводах (ЕС) 2019/1781 вступает в силу с 1 июля 2021 года и заменяет Регламент об экодизайне электродвигателей (ЕС) № 640/2009.

Новый регламент имеет более широкую сферу применения и охватывает односкоростные, 50 Гц, 60 Гц или 50/60 Гц асинхронные двигатели со следующими характеристиками

• от 2 до 8 полюсов
• Однофазный или трехфазный
• номинальная мощность в пределах 0.12кВт и 1000кВт
• номинальное напряжение от 50 В до 1000 В
• рассчитан на работу в непрерывном и прямом режиме

Энергоэффективность электродвигателя рассчитывается как отношение механической выходной мощности к входной электрической мощности. Уровень энергоэффективности выражается в Международных классах энергоэффективности (IE), IE1 — это более низкий класс, а IE5 — самый высокий. Согласно действующим нормам, двигатели должны достичь уровня эффективности IE2, IE3 или IE4 в зависимости от их номинальной мощности и других характеристик.Например, трехфазные двигатели с номинальной мощностью от 0,75 кВт до 1000 кВт или ниже должны достичь уровня IE3 к июлю 2021 года. Двигатели мощностью от 75 кВт до 200 кВт должны соответствовать уровню IE4 по состоянию на июль 2023 года. ЕС занимает первое место. во всем мире, что делает уровень IE4 обязательным для некоторых категорий двигателей.

Некоторые двигатели, разработанные для определенных условий, не подпадают под действие этих правил, например, те, которые погружены в жидкость, например, в канализационных системах.

Регламент также регулирует эффективность приводов с регулируемой скоростью.Приводы с регулируемой скоростью имеют 2 уровня эффективности (IE1 и IE2), и регулирование требует, чтобы все приводы в объеме достигли уровня IE2.

И двигатели, и приводы подчиняются требованиям к информации, таким как КПД в различных точках нагрузки с точки зрения скорости и крутящего момента. Это поможет инженерам оптимизировать эффективность всей системы.

(ЕС) 2019/1781 был изменен в 2021 году Регламентом Комиссии (ЕС) 2021/341, целью которого является прояснение и улучшение некоторых аспектов некоторых правил экодизайна, принятых в 2019 году.

Экономия энергии

Более эффективный двигатель может сэкономить от нескольких евро до нескольких десятков тысяч евро в течение срока его службы, в зависимости от его мощности и схемы использования.

Ожидалось, что более эффективные двигатели в соответствии с прежним регламентом принесут 57 ТВтч годовой экономии энергии в ЕС к 2020 году. С учетом общего эффекта пересмотренного правила годовая экономия увеличится до 110 ТВтч к 2030 году, что эквивалентно потребление электроэнергии в Нидерландах.Это означает, что можно избежать 40 миллионов тонн выбросов CO2 в год и что к 2030 году ежегодные счета за электроэнергию домохозяйств и промышленности в ЕС будут сокращены примерно на 20 миллиардов евро.

Кроме того, более широкое использование приводов с регулируемой скоростью в соответствующих приложениях, таких как насос, перекачивающий поток воды, который изменяется со временем, может привести к значительной экономии на уровне приложения. Этому способствует регулирование, требующее от производителей двигателей и приводов предоставлять соответствующие данные об энергоэффективности при различных точках скорости / крутящего момента.

Международное сотрудничество

Электродвигатели во всем мире составляют около 50% мирового потребления электроэнергии. Продвижение на рынок эффективных двигателей и приводов является важным вкладом в борьбу с изменением климата. ЕС поддерживает Инициативу по развертыванию сверхэффективного оборудования и устройств (SEAD), объединяющую страны всего мира для сотрудничества в продвижении эффективных устройств. В настоящее время SEAD уделяет особое внимание электродвигателям, холодильному оборудованию, охлаждению и освещению и поставил перед собой цель к 2030 году удвоить эффективность этих продуктов, продаваемых во всем мире, что недавно приветствовали министры G7.Этой цели способствуют новые нормативные требования ЕС, вступающие в силу 1 июля. ЕС также является членом Приложения 4E Electric Motors Systems Международного энергетического агентства, которое направлено на повышение осведомленности во всем мире о потенциале эффективности моторных систем и предоставляет рекомендации и инструменты для использования энергетических характеристик новых и существующих моторных систем во всем мире.

Электродвигатели и генераторы: преобразование электрической и механической энергии — Видео и стенограмма урока

Электромагнетизм

И двигатели, и генераторы работают из-за того, что называется электромагнитной индукцией .Обнаружил Майкл Фарадей, это когда напряжение индуцируется изменяющимся магнитным полем. С помощью электромагнитной индукции электрический ток может создаваться в катушке с проволокой, перемещая магнит внутрь или из этой катушки или перемещая катушку через магнитное поле. В любом случае напряжение создается движением.

Величина индуцированного напряжения зависит от количества витков в катушке с проводом, а также от скорости, с которой магнит перемещается через катушку. Чем больше катушек, тем больше индуцируется напряжение.Точно так же, чем быстрее магнит перемещается через катушку, тем большее напряжение вы получаете.

При чем здесь двигатели и генераторы? Итак, генератор вырабатывает электричество, вращая катушку в постоянном магнитном поле, а в двигателе через катушку пропускается ток, который заставляет его вращаться. В обоих случаях применяется закон электромагнитной индукции Фарадея, позволяющий производить электричество в своем доме, а затем использовать его для пылесоса пола, мытья посуды в посудомоечной машине, сохранения свежих продуктов в холодильнике и многого другого.

Помните, раньше мы говорили, что двигатель и генератор — одно и то же устройство, но дают противоположные результаты? Здесь мы имеем в виду, что поток электричества обратный, а не то, что сама машина работает в обратном направлении. Итак, вы не можете просто взять генератор и превратить его в двигатель, «поменяв местами» компоненты машины. Точно так же с электродвигателем вы не можете просто щелкнуть выключателем, который заставляет компоненты работать в обратном направлении для выработки электричества. Вместо этого вам нужно изменить направление потока электричества: внутрь для двигателя и наружу для генератора.

Переменный и постоянный ток

Вы когда-нибудь слышали о переменном и постоянном токе? Мы не говорим об австралийской рок-группе — это ведь урок физики! Когда мы говорим о AC и DC для двигателей и генераторов, мы говорим о переменном токе и постоянном токе. Как следует из названия, переменный ток меняет направление при прохождении через цепь. Напротив, постоянный ток не меняет направления, когда он течет по цепи.

Двигатели и генераторы обычно бывают переменного или постоянного тока.Тип тока, используемого в устройстве, зависит от того, что вас больше волнует: эффективность или стоимость. Например, двигатели и генераторы переменного тока более эффективны, но и стоят дороже. Большая часть используемой вами электроники, такой как ваш мобильный телефон и планшет, полагается на питание переменного тока из-за его эффективности. В большинстве гибридных и электрических автомобилей также используется переменный ток.

Вы, наверное, слышали и о Томасе Эдисоне, и о Николе Тесла, но знаете ли вы, что они были вовлечены в долгую ожесточенную битву из-за этих двух типов течения? Вы не поверите, но такая простая вещь, как токи переменного и постоянного тока, долгое время вызывала широкие споры и конфликты!

В то время как Эдисон был ярым сторонником постоянного тока, Тесла поддерживал использование переменного тока.Оба были сильными и решительными личностями, и конфликт между ними привел к крупным ставкам, клеветническим кампаниям и натянутым отношениям между двумя мужчинами. В конце концов, поскольку AC лучше подходит для посылки большого количества энергии на большие расстояния, он победил в этой «текущей битве». Сегодня в результате ваш дом, офис и большинство других зданий подключены к сети переменного тока.

Резюме урока

Хотя вы могли бы назвать их одним и тем же устройством, генератор и электродвигатель на самом деле больше похожи на две стороны одной медали.Генератор преобразует механическую энергию в электрическую, а двигатель наоборот — преобразует электрическую энергию в механическую. Оба устройства работают из-за электромагнитной индукции , когда напряжение индуцируется изменяющимся магнитным полем.

Двигатели и генераторы обычно либо AC , либо DC , то есть они работают на переменном или постоянном токе. Как следует из их названий, переменный ток меняет направление при протекании, в то время как постоянный ток не меняет направление при движении по цепи.

Большинство устройств, с которыми вы знакомы, используют переменный ток, потому что он намного более эффективен, чем постоянный ток. Гибридные и электрические автомобили, ваш дом, ваш мобильный телефон и даже ваш офис подключены к сети переменного тока. Но даже несмотря на то, что они используют один и тот же ток, важно помнить, что вы не можете «переключить» двигатель на генератор или генератор на двигатель. Обратный ход — это поток электричества, а не деятельность самой машины.

Результаты обучения

После того, как вы закончите этот урок, вы должны иметь возможность:

• Объяснять, что генераторы и электродвигатели похожи на две стороны одной медали
• Опишите, как генераторы и двигатели работают из-за электромагнитной индукции
• Различия между переменным и постоянным током, плюсы и минусы каждого из них

Типы электродвигателей

Электродвигатели теперь более разнообразны и адаптируемы, чем когда-либо прежде.При планировании системы управления движением чрезвычайно важен выбор двигателя. Двигатель должен соответствовать назначению и общим рабочим характеристикам системы. К счастью, существует конструкция двигателя, подходящая для любых мыслимых целей.

К наиболее распространенным электродвигателям, используемым сегодня, относятся:

Бесщеточные двигатели переменного тока

являются одними из самых популярных в управлении движением. Они используют индукцию вращающегося магнитного поля, генерируемого в статоре, для вращения как статора, так и ротора с синхронной скоростью.Для работы они полагаются на постоянные электромагниты.

Щеточные двигатели постоянного тока

В щеточном двигателе постоянного тока ориентация щетки на статоре определяет ток. В некоторых моделях решающее значение имеет ориентация щетки относительно сегментов стержня ротора. Коммутатор особенно важен в любой конструкции щеточного двигателя постоянного тока.

Бесщеточные двигатели постоянного тока

были впервые разработаны для достижения более высоких характеристик в меньшем пространстве, чем щеточные двигатели постоянного тока, и они меньше, чем сопоставимые модели переменного тока.Встроенный контроллер используется для облегчения работы при отсутствии контактного кольца или коммутатора.

Прямой привод

Прямой привод — это высокоэффективная технология с низким уровнем износа, которая заменяет обычные серводвигатели и сопутствующие им трансмиссии. Эти двигатели не только намного легче обслуживать в течение длительного периода времени, но и ускоряются быстрее.

Линейные двигатели

Эти электродвигатели имеют развернутый статор и двигатель, создающий линейную силу по длине устройства.В отличие от цилиндрических моделей, они имеют плоскую активную секцию с двумя торцами. Как правило, они быстрее и точнее вращающихся двигателей.

Серводвигатели

Серводвигатель — это любой двигатель, соединенный с датчиком обратной связи для облегчения позиционирования; Таким образом, серводвигатели являются основой робототехники. Используются как поворотные, так и линейные приводы. Недорогие щеточные двигатели постоянного тока широко распространены, но их заменяют бесщеточные двигатели переменного тока для высокопроизводительных приложений.

Шаговые двигатели

используется внутренний ротор, управляемый электроникой с помощью внешних магнитов.Ротор может быть изготовлен на постоянных магнитах или из мягкого металла. Когда обмотки находятся под напряжением, зубья ротора выравниваются по магнитному полю.