Что называются электрическими двигателями

Что такое ротор и статор в электродвигателе

В быту, коммунальном хозяйстве, на любом производстве двигатели электрические являются неотъемлемой составляющей: насосы, кондиционеры, вентиляторы и пр. Поэтому важно знать типы наиболее часто встречающихся электродвигателей.

Электродвигатель является машиной, которая преобразует в механическую энергию электрическую. При этом выделяется тепло, являющееся побочным эффектом.

Видео: Классфикация электродвигателей

Все электродвигатели разделить можно на две большие группы:

• Электродвигатели постоянного тока
• Электродвигатели переменного тока.

Электродвигатели, питание которых осуществляется переменным током, называются двигателями переменного тока, которые имеют две разновидности:

• Синхронные – это те, у которых ротор и магнитное поле питающего напряжения вращаются синхронно.
• Асинхронные. У них отличается частота вращения ротора от частоты, создаваемого питающим напряжением магнитного поля. Бывают они многофазными, а также одно-, двух- и трехфазными.
• Электродвигатели шаговые отличаются тем, что имеют конечное число положений ротора. Фиксирование заданного положения ротора происходит за счет подачи питания на определенную обмотку. Путем снятия напряжения с одной обмотки и передачи его на другую осуществляется переход в другое положение.

К электродвигателям постоянного тока относят те, которые питаются постоянным током. Они, в зависимости от того, имею или нет щёточно-коллекторный узел, подразделяются на:

Коллекторные также, в зависимости от типа возбуждения, бывают нескольких видов:

• С возбуждением постоянными магнитами.
• С параллельным соединением обмоток соединения и якоря.
• С последовательным соединением якоря и обмоток.
• Со смешанным их соединением.

Электродвигатель постоянного тока в разрезе. Коллектор со щетками – справа

Какие электродвигатели входят в группу «электродвигатели постоянного тока»

Как уже говорилось, электродвигатели постоянного тока составляют группу, в которую входят коллекторные электродвигатели и бесколлекторные, которые выполнены в виде замкнутой системы, включающей датчик положения ротора, систему управления и силовой полупроводниковый преобразователь. Принцип работы бесколлекторных электродвигателей аналогичен принципу работы двигателей асинхронных. Устанавливают их в бытовых прибора, например, вентиляторах.

История

Принцип преобразования электрической энергии в механическую энергию электромагнитным полем был продемонстрирован британским учёным Майклом Фарадеем в 1821 и состоял из свободно висящего провода, окунающегося в пул ртути. Постоянный магнит был установлен в середине пула ртути. Когда через провод пропускался ток, провод вращался вокруг магнита, показывая, что ток вызывал циклическое магнитное поле вокруг провода. Этот двигатель часто демонстрируется в школьных классах физики, вместо токсичной ртути используют рассол. Это — самый простой вид из класса электрических двигателей. Последующим усовершенствованием является Колесо Барлоу. Оно было демонстрационным устройством, непригодным в практических применениях из-за ограниченной мощности. Изобретатели стремились создать электродвигатель для производственных нужд. Они пытались заставить железный сердечник двигаться в поле электромагнита возвратно-поступательно, то есть так, как движется поршень в цилиндре паровой машины. Русский ученый Б. С. Якоби пошел иным путем. В 1834 г. он создал первый в мире практически пригодный электродвигатель с вращающимся якорем и опубликовал теоретическую работу «О применении электромагнетизма для приведения в движение машины». Б. С. Якоби писал, что его двигатель несложен и «дает непосредственно круговое движение, которого гораздо легче преобразовать в другие виды движения, чем возвратно-поступательное».

Вращательное движение якоря в двигателе Якоби происходило вследствие попеременного притяжения и отталкивания электромагнитов. Неподвижная группа U-образных электромагнитов питалась током непосредственно от гальванической батареи, причем направление тока в этих электромагнитах оставалось неизменным. Подвижная группа электромагнитов была подключена к батарее через коммутатор, с помощью которого направление тока в каждом электромагните изменялось раз за один оборот диска. Полярность электромагнитов при этом соответственно изменялась, а каждый из подвижных электромагнитов попеременного притягивался и отталкивался соответствующим неподвижным электромагнитом: вал двигателя начинал вращаться. Мощность такого двигателя составляла всего 15 Вт. Впоследствии Якоби довел мощность электродвигателя до 550 Вт. Этот двигатель был установлен сначала на лодке, а позже на железнодорожной платформе.

13 сентября 1838 г. лодка с 12 пассажирами поплыла по Неве против течения со скоростью около 3 км/ч. Лодка была снабжена колесами с лопастями. Колеса приводились во вращение электрическим двигателем, который получал ток от батареи из 320 гальванических элементов. Так впервые электрический двигатель появился на судне.

Типы двигателей переменного тока

Поскольку для электроснабжения объектов используется переменное напряжения одно и трехфазного тока, наибольшее распространение получили именно двигатели переменного тока. Они широко используются как в быту, так и для решения самых разнообразных промышленных задач. По типам конструкции и принципу действия выделяют такие типы электромоторов для работы с переменным током:

• синхронные электромоторы;
• индукционные или асинхронные электродвигатели, предназначенные для работы с одно и трехфазным током;
• универсальные решения, работающие как на переменном, так и на постоянном токе.

Наибольшее распространение в промышленности получили именно индукционные асинхронные двигатели, благодаря простоте конструкции, минимальным требованиям к обслуживанию и широкому диапазону технических характеристик электродвигателей, которые позволяют решать самые разные задачи.

Главное отличие таких электромоторов от синхронных двигателей – это отсутствие необходимости подачи питания на ротор, электромагнитное поле в котором возбуждается вихревыми токами в короткозамкнутой конструкции.

До недавнего времени у таких электромоторов был один существенный недостаток – ограничение на частоту вращения ротора, связанное со стандартной частотой электропитающей сети. Также такие электромоторы без применения специальных электронных схем управления имеют такие недостатки, как:

• значительный пусковой ток;
• низкий крутящий момент на малых оборотах;
• невозможность эффективно управлять частотой вращения;
• необходимость перекоммутации обмоток для реверсивного запуска;
• сложности с запуском в цепях однофазного тока, которые решаются использованием дополнительного пускового конденсатора или использованием дополнительной пусковой обмотки.

Таких недостатков лишен электродвигатель с фазным ротором, на котором размещаются обмотки с отдельным электропитанием, подводимом через токосъемные кольца. В свою очередь это приводит к повышению сложности изготовления таких моторов, увеличению их стоимости, а также наличию элементов токосъемника, которые требуют обслуживания.

Синхронные электромоторы переменного тока также лишены перечисленных недостатков асинхронных моторов, обладают высоким крутящим моментом и постоянной скоростью вращения при изменяемым характере нагрузки, отличаются высоким КПД и небольшим реактивным сопротивлением. Однако такие электромоторы имеют и ряд существенных недостатков:

• относительная дороговизна конструкции;
• сложная схема запуска;
• наличие источника постоянного тока или выпрямителя для возбуждения электромагнитного поля;
• ряд сложностей, связанных с регулировкой частоты вращения и крутящего момента.

Поэтому в последнее время все чаще можно встретить комбинацию использования асинхронных двигателей в связке с частотными преобразователями.

Применение преобразователя частоты, позволяющего управлять частотой и амплитудой питающего напряжения значительно расширяет область применения таких моторов, повышает их экономичность и точность управления. В таких системах появляется возможность:

• запитать трехфазный двигатель даже от сети однофазного тока;
• обеспечить оптимальный режим пуска, остановки;
• управлять направлением вращения вала мотора;
• обеспечить защиту электромотора от нестабильности напряжения, пропадания напряжения на фазе, короткого замыкания, аварийного превышения нагрузки;
• значительно увеличить максимальную скорость вращения ротора по сравнению с работой при непосредственном подключении к сети переменного тока;
• обеспечить автоматизацию поддержания заданного режима работы с высокой точностью.

В любом случае, чтобы обеспечить максимальную эффективность работы электромоторов для решения определенной задачи, необходимо учесть:

• назначение электродвигателя и системы, в которой он используется;
• особенности режима эксплуатации;
• требования управляемости и автоматизации процесса;
• стоимость реализации такого решения;
• расходы на обслуживание.

Поэтому при разработке любой системы, как правило, сначала определяют технические требования к режимам работы электропривода, а затем на их основе выбирают оптимальный тип электромотора, использование которого будет рационально с точки зрения стоимости внедрения и затрат на эксплуатацию.

Учитывая многообразие решений как в области различных систем электропривода, так и в области управления работой двигателями, сделать оптимальный выбор могут только специалисты с опытом разработки и внедрения таких решений.

Поэтому, когда вам требуется спроектировать решение на основе электромотора, необходимо подобрать оптимальный тип электродвигателя и его системы управления. Наша компания занимается поставкой и внедрением систем управления работой электромоторов разного типа, назначения и мощности, поэтому вы всегда можете обратиться к нашим специалистам за помощью и консультацией в подборе решения, которое будет оптимально для вашей области применения.

Гибридные конструкции

Сложность управления двигателями переменного тока подвигла инженеров-электриков на создание гибридных конструкций. Это так называемые синхронные машины, в которых ротор движется, не отставая от вращающегося магнитного поля.

Трехфазные синхронные машины

Статор состоит из трех обмоток со сдвигом в 120 0 . На них подается трехфазное переменное напряжение. Ротор имеет несколько обмоток, но их концы выведены на токосъемный коллектор, поделенный диэлектрическими прокладками на сектора. Посредством графитовых щеток на него подается постоянное напряжение. Для постоянного магнита суммарный сдвиг фаз в 360 0 – это тот же ноль. Чтобы вал электродвигателя начал вращаться, его надо подтолкнуть – вручную, механическим (ДВС) или электрическим устройством. После набора номинальных оборотов инициирующее устройство останавливают. В итоге машина питается широко распространенным переменным, но имеет положительные свойства двигателя постоянного тока: стабильность оборотов, высокий КПД и, главное, возможность регулирования частоты вращения в широких пределах.

Моторы и генераторы

Мотор / генератор — это действительно одно и то же устройство, которое способно работать в двух противоположных режимах. Вопреки тому, что иногда думают некоторые люди, понятие «противоположный режим» никак не связано с направлениями вращения вала. Вал всегда вращается одинаково. Изменение направления происходит в потоке электричества. В качестве двигателя он потребляет электроэнергию (ток втекает в его контакты), чтобы производить механическую мощность, а в качестве генератора потребляет механическую энергию для производства электроэнергии (вытекает из его контактов).

Какие бывают электродвигатели

Все электроприводы классифицируют на две основные группы по типу электропитания: работающие от постоянного и переменного тока:

1. Двигатели постоянного тока устанавливаются на транспорт, буровые установки, грузовые подъёмники, пассажирские лифты, электроинструмент, станки, экскаваторы, другую спецтехнику, где необходимо регулировать скорость вращения приводного вала в большом диапазоне. Моторы отличаются высоким КПД, большой мощностью, нагружаемостью, обычно оснащаются электроникой для управления.
2. Двигатели переменного тока считаются универсальными, по конструкции проще, чем электродвигатели постоянного тока, надёжны, неприхотливы. В бытовой и промышленной технике, где постоянная нагрузка, устанавливают практичные приводы переменного тока.

Наибольшей популярностью пользуются приводы, подключаемые к стандартной электросети.

Двигатели постоянного тока

Классифицируются по типу коллекторно-щеточного узла и характеру возбуждения.

• В коллекторных переключение полярности обмоток осуществляется специальным механизмом с контактными щётками, которые быстро изнашиваются, перегреваются, обгорают. К тому же при использовании щёточных контактов возникают искры и электропомехи.
• В бесколлекторных происходит самосинхронизация частотности крутящего момента, электродвигатели более экономичные, в них нет щёточных контактов.
• При независимом возбуждении контакты обмотки подключаются к аккумулятору или выпрямителю. Скорость вращения рамки регулируется реостатом, вмонтированным в обмотки возбуждения. Двигатели рассчитаны на небольшую нагрузку, при резком снижении сопротивления выходят из строя.
• Параллельное подключение ротора и обмотки, возбуждающей электромагнитное поле, практикуется в приводах с жёсткими режимами эксплуатации за счёт разницы силы тока в обмотке и якоре. Двигатель подключают к вентиляторам, продолжительно работающим станкам.
• Двигатели с последовательным возбуждением рекомендуются для электротранспорта. Электродвигатель запускается только под нагрузкой, не работает на холостых оборотах.
• Смешанное возбуждение подразумевает монтаж двух обмоток на каждом из полюсов. Отличительный признак такого двигателя – реверсивное движение при смене полярности. Для регулировки в электросхему включают резисторы.
• Серводвигатели действуют по принципу использования отрицательной обратной связи, способны выдавать высокие обороты. Разработаны для поточных линий, высокопроизводительных станков.
• Линейные двигатели с возвратно-поступательным движением ротора устанавливаются в прессах, молотах, механизмах подачи. Помогают избежать установки передаточных устройств, червячных передач.

Коллекторно-щёточные узлы в современных моделях модифицированы, для контактов используют износостойкие композиты.

Двигатели переменного тока

Широкий модельный ряд включает моторы, работающие от однофазной и трёхфазной электрической сети.

• Синхронные отличаются одинаковой частотой вращения магнитного момента и рамки, поэтому работают с постоянной скоростью. Приводы подключают к нагнетателям, компрессорному оборудованию, насосам.
• В асинхронных разная частота вращения создаётся за счёт фазного и короткозамкнутого подключения возбуждающих обмоток и ротора. За счёт частотной разницы можно регулировать скорость вращения приводного вала.
• Шаговые двигатели преобразуют электроимпульсы дискретно, с определённым шагом. Моторы при незначительных размерах характеризуются высокой продуктивностью. Устанавливаются в процессорные вентиляторы, другую офисную технику.

Зная особенности электродвигателей, можно выбрать надёжную бытовую технику или электроинструмент.