Какие бывают виды электрических двигателей и чем они отличаются

Как работают двигатели

Принцип работы всех электродвигателей основан на взаимном взаимодействии магнитных полей ротора и статора. Магнитное поле может создаваться постоянным магнитным полем или обмоткой (катушкой электромагнита).

В зависимости от мощности и типа двигателя обмотки могут быть только на статоре или одновременно на статоре и роторе. Попробуем пояснить принцип работы этого устройства и его действия для чайников-электротехников.

Для начала рассмотрим устройство коллекторных двигателей. Например, в небольших коллекторных двигателях постоянного тока, таких как радиомодели, на статоре есть постоянные магниты, а в роторе намотаны катушки из медной проволоки. Ток на обмотки ротора такого электродвигателя подается щеточным узлом, состоящим из щеток и коллектора. На коллекторе есть ламели, к которым подключаются провода обмотки.

При включении питания ротор (якорь) начинает вращаться, к нему прикрепляется коллектор, а неподвижные щетки поочередно касаются разных пар ламелей коллектора. Через щетки и ламели ток подается на одну обмотку, а другой — на обмотку ротора, создавая переменное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем. Это заставляет полюса вращающегося и неподвижного электромагнитов притягиваться друг к другу, вызывая вращение.

Помимо нюансов, чем больше ток ротора, тем больше поле и тем быстрее ротор вращается. Однако в основном это касается коллективных машин на постоянный и переменный ток (они универсальны).

Если мы говорим об асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором (SCM), это двигатель переменного тока без щеток. Обмотки расположены в статоре (а), а ротор представляет собой стержень (б), компактный — так называемый Беличья клетка.

В этом случае вращающееся магнитное поле статора создает ток в стержнях ротора, который также создает другое магнитное поле. Что происходит, когда два магнита помещаются рядом друг с другом?

Они отталкивают или притягивают друг друга. Поскольку ротор закреплен на концах в подшипниках, он начинает вращаться. АД предназначен только для переменного тока, а частота вращения его вала зависит от частоты тока и количества полюсов в обмотке статора, подробнее об этом мы поговорим в статье об асинхронных электродвигателях.

Однако для того, чтобы начать вращение вала такого двигателя, важно либо толкнуть его (придав ему начальную скорость), либо создать вращающееся магнитное поле. Он создается посредством особым образом расположенных обмоток, подключенных к трехфазной сети (например, 380 В), или посредством пусковых и рабочих конденсаторов (в так называемых конденсаторных асинхронных двигателях).

Помимо взаимодействия магнитных полей, сила Ампера также участвует во вращении вала двигателя.

Следовательно, следует понимать, что крутящий момент на валу абстрактного двигателя и количество оборотов зависят от конструкции и типа электрической машины, а также от силы тока и частоты. Опять же, в этой статье мы не будем вдаваться в подробности об особенностях каждого типа и типа электродвигателя, а сделаем для этого отдельные статьи.

Стоит отметить, что асинхронные и универсальные коллекторные двигатели наиболее распространены в быту и на производстве в приводах строительной техники. Они используются повсеместно, как для движения промышленных механизмов, так и в автомобилях, электротранспорте и используются в бытовой технике, вплоть до электрической зубной щетки.

Основная классификация

Таким образом, электродвигатели в основном делятся на машины постоянного тока (DC) и машины переменного тока (AC). В чем разница между переменным и постоянным током, мы рассказали в статье: http://samelectrik.ru/chem-otlichaetsya-peremennyj-tok-ot-postoyannogo.html. Рассмотрим типы электродвигателей от машин, работающих на переменном токе.

Двигатели переменного тока

Большинство используемых электрических машинна производстве и в быту, для привода лифтов, в других видах электропривода работает на переменном токе.

Двигатели переменного тока можно разделить на следующие категории:

  • асинхронный;
  • синхронный.

Асинхронные двигатели различают по конструкции ротора:

  • с клетчатым ротором (чаще всего встречается с любым количеством фаз);
  • Двигатели с фазным ротором (только трехфазные).

И по количеству фаз:

  • Однофазные (с пусковым конденсатором) используются в бытовых электровентиляторах и других маломощных устройствах;
  • Конденсаторные или двухфазные (они однофазные с конденсатором, который не отключается при работе, создавая «вторую» фазу). используются в малогабаритных насосах, вентиляции, стиральных машинах «Малютка» и старых моделях СССР;
  • трехфазные являются наиболее распространенными и используются повсеместно на производстве.

Существуют разные конструкции однофазных ИБП, перечислены два основных варианта!

Особенностью всех асинхронных двигателей является то, что частота вращения ротора немного меньше скорости магнитного поля статора и равна:

где n — частота вращения, f — частота сети, p — количество пар полюсов, s — скольжение, а «60» — секунды в минуту.

Следовательно, скорость вращения ротора зависит от частоты сети, конструкции обмотки или, скорее, количества пар полюсов (катушек), содержащихся в ней, и величины скольжения.

Скольжение — это величина, которая характеризует, насколько ниже частота ротора по сравнению с частотой вращающегося магнитного поля. В нормальных условиях эксплуатации он находится в пределах 0,01-0,06. Проще говоря, поле статора с одной парой полюсов вращается со скоростью:

С двумя парами — 1500 об / мин, а с тремя парами — 1000 об / мин.

При скольжении, скажем, 0,05 частота вращения ротора будет:

Для регулирования скорости вращения таких электродвигателей используются преобразователи частоты, потому что остальные переменные приведенной выше формулы находятся вне нашего контроля.

Наибольшее распространение в России получили асинхронные двигатели с напряжением питания 220В для соединения обмоток по схеме треугольник и 380В по схеме звезды.

В то время как в трехфазной машине вращающееся поле статора создается системой обмоток и фазовым сдвигом в сети на 120 °, такой же эффект не наблюдается в однофазной машине. Вал будет вращаться, если начальное вращение будет инициировано вращением вала вручную или установкой фазосдвигающего конденсатора, который создает фазовый сдвиг в обмотке стартера.

Двухфазные конденсаторные двигатели устроены аналогично, но вторая обмотка не отключается при запуске, а продолжает проходить через конденсатор. Поэтому название «двухфазный» относится скорее к конструкции и схеме подключения, чем к силовым цепям. Они рассчитаны на сетевое напряжение 220 В, т.е. как однофазные, так и двухфазные.

Синхронные двигатели (SMD) почти всегда изготавливаются с обмоткой возбуждения на якоре, а ток возбуждения либо передается через щеточный узел, либо индуцируется электромагнитной системой.

Это необходимо для того, чтобы обмотка вращалась с той же частотой, что и поле статора. Другими словами, в этом случае нет параметра скольжения.

Ток возбуждения подается специальными системами возбуждения, такими как «генератор-двигатель» или электронными преобразователями на тиристорах или транзисторах. Наиболее распространены на отечественных предприятиях такие устройства, как ВТЕ, ТВУ и др.

Обмотка возбуждения и щетки не всегда присутствуют, например, в микроволновой печи синхронный двигатель с постоянными магнитами используется для вращения диска.

Синхронные машины могут иметь явную или скрытую полярность. Визуальные отличия касаются конструкции ротора, на практике также есть различия в их характеристиках, способах производства и конструкции. На практике средний домашний электрик вряд ли с ними соприкоснется.

Еще одна вещь, которую нужно сказать о двигателях переменного тока -они плохо подходят для управления скоростью, потому что их вращение связано со скоростью. Уменьшение напряжения (тока) статора или возбуждения (для синхронных и асинхронных двигателей с фазным ротором) приводит к уменьшению крутящего момента и увеличению скольжения (для двигателей AD), и вал может вращаться медленнее. Преобразователь частоты необходим для управления скоростью вращения таких двигателей. О том, как выбрать преобразователь частоты, мы рассказали в статье: http://samelectrik.ru/vybor-chastotnogo-preobrazovatelya.html.

Двигатели постоянного тока (ДПТ)

Различают следующие типы и типы двигателей постоянного тока:

  1. Коллекторные двигатели постоянного тока. Они состоят из магнитов или катушки возбуждения и якоря, ток на обмотку якоря передается с помощью щеточного узла, недостатком которого является постепенный износ.
  2. Универсальные коллекторные двигатели. Аналогичен предыдущим, но может питаться как постоянным, так и переменным током.
  3. Бесколлекторный или бесщеточный. Он состоит из обмотки статора, на роторе установлены постоянные магниты. Он подключается к цепи постоянного тока через специальный драйвер, который переключает обмотки статора.

Коллекторные двигатели можно разделить на группы в зависимости от типа возбуждения:

  • самопробуждение;
  • с независимым возбуждением.

В зависимости от типа подключения Обмотки возбуждения различаются следующим образом:

  1. Последовательное возбуждение создает высокий крутящий момент на валу, но частота вращения холостого хода также очень высока и может повредить двигатель (прекратить работу).
  2. Параллельное возбуждение — в этом случае вращение более устойчивое и не меняется под нагрузкой, но крутящий момент на валу меньше.
  3. Смешанное возбуждение сочетает в себе преимущества обоих типов.

В маломощных коллекторных ДТ возбуждение чаще всего осуществляется с помощью постоянных магнитов.

В случае независимого возбуждения в коллекторном двигателе обмотки статора и ротора не соединены между собой, а питаются от разных источников. Таким образом можно регулировать крутящий момент или скорость и повышать энергоэффективность.

В зависимости от конструкции такой электродвигатель может работать только с постоянным током или с переменным и постоянным током. Во втором случае их называют «универсальный коллекторный двигатель». Они широко распространены в быту, используются в кухонной технике и электроинструментах (отвертки, дрели и т. Д.).

Безколлекторные двигатели лишены недостатков, присущих коллекторным двигателям, из-за отсутствия щеточного набора. Ток подается на три обмотки статора, и обмотки переключаются контроллером. Фактически, бесщеточные двигатели питаются от преобразованного переменного тока. Вы можете узнать, как работают эти движки, посмотрев видео ниже:

По конструкции они похожи на синхронные двигатели, с той разницей, что вместо электромагнитов используются постоянные магниты. Для поворота такого двигателя и повышения его КПД используются датчики Холла, определяющие положение вала и корректно переключающие обмотки.

Их часто называют клапанными двигателями, а в английских источниках такие двигатели называются PWSM или BLDC, в зависимости от конструкции.

Они используются в компьютерных кулерах, в качестве привода в радиоуправляемых моделях, таких как квадрокоптеры, а также в ведущих колесах велосипедов.

Дополнительная классификация

В дополнение к двигателям, рассмотренным выше, следует упомянуть другие типы, такие как:

  • шаговые двигатели;
  • сервоприводы;
  • линейный;
  • Двигатели импульсного тока (аналогично двигателям постоянного тока, разница в том, что они питаются импульсным выпрямленным током).

Шаговые двигатели и сервоприводы используются там, где необходимо разместить механизм в сборе. Простейший пример — ЧПУ, 3D-принтер и т. Д. Кроме того, «шаговые двигатели» иногда используются для управления положением дроссельной заслонки автомобиля, и это лишь небольшая часть их применения.

Описание функций и особенностей этогоТип дисководов — это тема для отдельной статьи. Если интересно, напишите комментарий, и мы его опубликуем!

У линейного двигателя, в отличие от всего вышеперечисленного, движение его вала не вращательное, а поступательное. То есть не поворачивается, а движется вперед-назад. Они бывают разных версий:

  • переменного тока с принципом действия, аналогичным синхронным и асинхронным электродвигателям;
  • постоянный ток;
  • пьезоэлектрический;
  • магнитострикционный.

На практике они встречаются редко, их используют как привод монорельсов, для передвижения рабочего органа в различных машинах.

Однако приведенная в статье классификация выбрана с практической точки зрения, тогда как в литературе предлагается разделение электроприводов по следующим критериям.

В зависимости от специфики создаваемого крутящего момента:

  • гистерезис;
  • магнитоэлектрический.

Другой вариант классификации основан на различиях в конструкции и особенностях их конструкции.

В зависимости от типа и положения вала:

  • с горизонтальным расположением валов;
  • вертикальное расположение валов.

Защита от внешней среды:

  • защищен от повышенной влажности и пыли;
  • для работы во взрывоопасных зонах.

По продолжительности рабочего режима:

  • для прерывистой работы (лебедки, краны, двигатели ворот);
  • для непрерывной работы (насосы, вентиляция и др.).

Также можно выделить машины малой, средней и большой мощности в зависимости от их производительности. Однако границы этих мощностей указывать не имеет смысла, потому что где-то 6 МВт — это средняя мощность, а где-то 1 кВт — колоссальное число.

Обсудить все типы в одной статье невозможно, поэтому мы рассмотрим каждую версию отдельно. Надеемся, что представленная краткая классификация помогла вам разобраться, какие бывают электродвигатели постоянного и переменного тока, а также в чем их отличия и рабочие характеристики!