Какие бывают виды электрических двигателей и чем они отличаются

Электрические машины: виды, классификация, принципы работы

Электрической машиной принято считать электромеханическое устройство, способное преобразовать механическую энергию в электрическую и обратно. В первом случае происходит выработка электроэнергии (машины являются генераторами), во втором – её потребление (электродвигатели).

Последние необходимы для того чтобы привести в движение транспортные средства, станки и другие механизмы.
Генераторы и электродвигатели – основная сфера использования электрических машин.

Но они могут быть также использованы и в качестве электромеханических преобразователей (умформеров) – агрегатов, которые способны преобразовывать электрическую энергию в различные её формы.

Преобразователь постоянного тока в переменный называется инвертором, увеличитель мощности электрических сигналов – электромашинным усилителем, а устройство способное отрегулировать напряжение переменного тока – индукционным регулятором.

Отдельной категорией можно назвать также сельсины – самосинхронизирующиеся индукционные машины, которые обеспечивают возможность вращения нескольких осей независимо друг от друга с точки зрения механики. Такие устройства используются в электронике, в составе сварочных аппаратов для регулировки их рабочей мощности.

Коллекторные и бесколлекторные электрические машины

Деление на коллекторные и бесколлекторные электрические машины существует благодаря принципиальным отличиям в принципе их действия.

Коллекторные машины

Коллекторные агрегаты работают только на постоянном токе, поэтому отличительной чертой их конструкции является наличие механического преобразователя, который позволяет получить постоянный ток из переменного или наоборот. Они могут использоваться в качестве двигателя или генератора без необходимости внесения изменений в схему.

Их существенными преимуществами являются отличные пусковые характеристики и возможность плавной регулировки частоты вращения вала.

Именно поэтому коллекторные электрические машины постоянного тока нашли очень широкое применение в качестве приводов для прокатных станов, электротранспорта, источников питания для сварочных аппаратов, электролитических ванн.

Небольшая группа коллекторных машин небольшой мощности выполняется в виде универсальных двигателей, которые уникальны тем, что могут работать и от постоянного, и от переменного тока.

Бесколлекторные машины

Бесколлекторные агрегаты работают только с переменным током и делятся на синхронные и асинхронные машины. Синхронные машины широко применяются как в качестве генераторов, так и электродвигателей, в то время как асинхронные – в основном служат двигателями.

Рисунок 1. Синхронный генератор (упрощённая схема устройства)

1 – сердечник статора (неподвижная часть машины), 2 – обмотка статора, 3 – вал, 4 – ротор двигателя (постоянный магнит).

Принцип работы такого генератора заключается в том, чтобы при помощи привода (двигателя внутреннего сгорания или турбины) через ременную передачу привести в движение ротор генератор. Одновременно в обмотке статора наводится ЭДС (указано стрелками) и благодаря замыканию её на нагрузке в цепи появляется ток.

Когда речь идёт о синхронном электродвигателе, то его работа начинается с подачи тока на обмотку статора. Это приводит к вращению магнитного поля, которое при взаимодействии с полем ротора вырабатывает силу, которая, в конечном счёте, преобразует электрическую энергию в механическую и вращает вал.

Рисунок 2. Принцип действия асинхронного электродвигателя

В асинхронном электродвигателе при включении обмотки статора в сеть образуется вращающееся с частотой n1 магнитное поле. При этом в обмотке статора и ротора наводится ЭДС. Благодаря тому что обмотка ротора замкнута в ней возникает ток, который взаимодействуя с полем статора создаёт электромагнитные силы Fэм приводящие во вращение ротор двигателя.

Трансформаторы

Трансформатор – электрический аппарат, который представляет собой статическое устройство, преобразующее одну систему переменного тока в другую.

Параметры для преобразования могут быть самыми разными: ток, напряжение, частота, число фаз.

Но чаще всего в системах электроснабжения используются силовые трансформаторы, которые позволяют изменить величину тока и напряжения (при этом все остальные параметры сети остаются неизменными).

По назначению существует деление аппаратов на трансформаторы силового и специального назначения. Силовые являются одним из основных элементов систем энергоснабжения и используются при транспортировке электроэнергии для получения напряжения требуемого класса.

Специальные же очень разнообразны по своей конструкции и рабочим характеристикам (примером могут послужить сварочные, печные, испытательные трансформаторы). Отдельной их категорией являются автотрансформаторы – однообмоточные аппараты, которые способны изменять величину напряжения в минимальных пределах (когда коэффициент трансформации приближён к 1).

Принцип действия силового трансформатора

Рисунок 3. Простейший силовой однофазный трансформатор

Конструктивно аппарат состоит из сердечника, выполненного из листовой электротехнической стали и обмоток 1 и 2 (первичной и вторичной), которые размещены на стержнях и электрически не связаны между собой. К обмотке 1 подключается источник питания, к обмотке 2 – нагрузка (потребитель).

За счёт явления электромагнитной индукции переменный ток i1 создаёт магнитный поток, который замыкается в сердечнике и сцепляясь с обеими обмотками наводит в них ЭДС само- и взаимоиндукции соответственно.

При подключении потребителя во вторичной обмотке создаётся ток i2, а на выводах – вторичное напряжение. Разница в напряжениях на вводах и выводах образуется за счёт разного количества витков в 1 и 2 обмотках.

Отношение параметров может быть любым.

По количеству фаз существует разделение на одно- и трехфазный трансформатор, по виду охлаждения – на воздушный и масляный, по форме магнитопровода – на стержневой, бронестержневой, броневой, тороидальный. Особенностью трёхфазного от однофазного трансформатора в плане его электрической схемы состоит в том, что схемы трёх отдельных систем объединены в одну.

Трансформаторы и электрические машины в целом являются одними из важнейших элементов любой системы энергоснабжения. Огромное количество технических решений и отдельных видов устройств позволяет решать самые разные задачи во всех сферах деятельности.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5cfc9e6b388e2100af05f6fe/5d08b35ac1895700b17deedf

Типы электродвигателей и их особенности

Изобретение электродвигателей послужило толчком для развития промышленности и улучшения качества жизни. Они используются на многих производствах, в транспорте, в быту. Существует множество видов электродвигателей, но принцип их работы и устройство остаются неизменными. Агрегат состоит из:

• подвижной части (ротор или якорь);
• неподвижной части (индуктор или статор).

Работа механизма основана на принципе электромагнитной индукции. Магнитное поле, образующееся при вращении ротора, приводит к отталкиванию его полюсов от статора. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Он обладает большим ресурсом и при этом компактен и производит мало шума.

Тиды электродвигателей

Рассмотрим типы электродвигателей и их особенности.

Двигатели постоянного тока, в конструкцию которых входят:

• Индуктор, состоящий из станины и главных/добавочных полюсов. Он создает неподвижное магнитное поле.
• Якорь, представляющий собой магнитную систему из рабочей обмотки, листов железа и коллектора.
• Щетки, обеспечивающие съем тока с коллектора.
• Щеткодержатели, удерживающие щетки в нужном положении.

Двигатели постоянного тока подразделяются на:

• Коллекторные, где переключение тока в обмотках осуществляется с помощью щеточно-коллекторного узла, который также служит датчиком положения ротора. Они доступны по цене, но имеют некоторые недостатки. Контакт щеток с коллектором приводит к их износу и иногда к перегреву агрегата. Переключение обмоток якоря и искрение щеток вызывает помехи.
• Бесколлекторные, основанные на самосинхронизировании частотного регулирования. Они характеризуется экономичностью и более высоким КПД, который достигается благодаря отсутствию контактов переключения и крутящего момента.

Двигателями постоянного тока оснащаются транспортные средства, подъемные машины, буровые станки, экскаваторы и т.д.

Двигатели переменного тока – более простая, дешевая и надежная конструкция. Они бывают двух типов:

• Синхронные двигатели, в которых частота вращения ротора и частота вращения магнитного поля совпадают. К их подвиду можно отнести шаговые двигатели, где единичный импульс тока поворачивает ротор на определенный угол. Возможно регулирование оборотов и крутящего момента в больших пределах, а также реверсирование с помощью изменения порядка следования сигналов.
• Асинхронные двигатели, с разной частотой вращения магнитного поля и ротора. В таких агрегатах могут использоваться роторы двух видов – фазные и короткозамкнутые.

Асинхронные двигатели, в свою очередь, делятся на:

• Однофазные, с одной рабочей обмоткой на статоре. Их запуск осуществляется либо включением отдельной пусковой обмотки, либо стартовым толчком. Они предназначены для использования в маломощных устройствах (бытовых вентиляторах, небольших насосах и т.д.).
• Двухфазные, с двумя перпендикулярно расположенными на статоре обмотками (одна из них напрямую подключается к сети переменного тока, вторая – с помощью фазосдвигающего конденсатора), которые создают вращающееся магнитное поле. Двигатели такого типа способны к самостоятельному запуску. Их можно встретить в стиральных машинах и станках разного предназначения.
• Трехфазные, с тремя рабочими обмотками, расположенными таким образом, что вращающиеся магнитные поля, образуемые ими, смещены относительно друг друга на 120 градусов. Обмотки соединяются либо по схеме «треугольник», либо по схеме «звезда». Второй вариант требует более высокого напряжения. Трехфазный тип мотора считается наиболее совершенным, так как отсутствуют проблемы с реверсом. Такие двигатели устанавливаются на лебедки, промышленные станки, подъемные краны, циркулярные пилы и т.д.

Достоинства электродвигателей

Теперь, когда мы выяснили, каких видов бывают электродвигатели, поговорим об их достоинствах, среди которых можно перечислить:

• Простоту конструкции. Минимальное количество узлов снижает возможность поломки.
• Надежность и легкость управления. Двигатели любого типа легко запускаются и служат достаточно долго.
• Компактность и универсальность. Они пригодны для установки в трамваях, на небольших станках, в бытовой технике и т.д.
• Экологичность. При работе двигателей не выделяются вредные химические вещества, пар или продукты распада.
• Высокий КПД.
• Возможность реверса, достигаемого путем изменения полюсов якоря (в коллекторном электромоторе) или порядка включения фаз (в трехфазном).
• Низкий уровень шума из-за отсутствия вибраций.
• Возможность эксплуатации при любых условиях.

Электродвигатели вошли в нашу жизнь более века назад и теперь широко используются практически во всех сферах народного хозяйства, делая наш быт более комфортным.

Источник: https://www.szemo.ru/press-tsentr/article/tipy-elektrodvigateley-i-ikh-osobennosti/

Виды и типы электродвигателей

• 3 августа 2016 г. в 13:52
• 2094

Электродвигатель представляет собой электрическую машину, которая преобразовывает электроэнергию в энергию вращения вала с незначительными тепловыми потерями. Главный принцип работы любого электродвигателя заключается в использовании электромагнитной индукции в качестве основной движущей силы. Для этого конструкция электродвигателя включает:

• Неподвижную часть (статор или индуктор).
• Подвижную часть (ротор или якорь).

В зависимости от предназначения, применяемого рода тока и конструктивных особенностей электрические двигатели имеют большое количество разновидностей.

Двигатели постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока объединяют широкий ассортимент устройств, обеспечивающих высокий КПД при трансформации электрической энергии в механическую.

Для надежного соединения электрической цепи подвижной и неподвижной части электропривода постоянного тока используют щеточно-коллекторный узел.

В зависимости от конструктивных особенностей щеточно-коллекторного узла, все электрические машины постоянного тока подразделяют на следующие группы:

• Коллекторные.
• Бесколлекторные.

В свою очередь коллекторные электродвигатели условно разделяют на следующие виды:

• Самовозбуждающиеся.
• С возбуждением от электромагнитов постоянного действия.

Устройства с независимым возбуждением характеризуются низкой мощностью, поэтому данные электроприводы используют для не ответственных операций с низкой нагрузкой. Машины с самовозбуждением подразделяют на:

• Устройства с последовательным возбуждением, где якорь подключается последовательно обмотке возбуждения.
• Электродвигатели с параллельным возбуждением, где якорь включается параллельно обмотке возбуждения.
• Электропривод смешанного возбуждения, который характеризуется наличием параллельных и последовательных соединений.

Двигатели переменного тока

Электродвигатели переменного тока представлены широкой номенклатурой устройств, которые различают по многочисленным конструктивным и эксплуатационным характеристикам. В зависимости от скорости вращения ротора выделяют электрические машины синхронного и асинхронного типа.

Синхронные двигатели характеризуются одинаковой скоростью вращения ротора и магнитного поля питающего напряжения. Подобный тип электрических двигателей используют для изготовления устройств с высокой мощностью.

Кроме этого существует еще одна разновидность синхронного привода — шаговые двигатели. Они имеют строго заданное в пространстве положение ротора, которое фиксируется подачей питания на обмотку статора.

При этом переход из одного положения в другое осуществляется посредством подачи напряжения на требуемую обмотку.

В зависимости от количества фаз питающего напряжения электропривод принадлежит к одной из групп:

• 1-нофазные;
• 2-хфазные;
• 3-хфазные;
• многофазные.

Категория размещения и климатическое исполнение

Все электродвигатели производят с учетом воздействия во время эксплуатации определенных факторов окружающей среды. По этой причине все электрические машины подразделяют на следующие категории размещения:

• Для помещений с высоким уровнем влажности.
• Для помещений закрытого типа с вентиляцией естественного типа без искусственного регулирования климатических параметров. При этом ограничено воздействие пыли, влаги и УФ- излучения.
• В условиях открытого пространства.
• Для помещений закрытого типа с искусственным регулированием климатических параметров. При этом ограничено воздействие пыли, влаги и УФ-излучения.
• Для помещений с изменением влажности и температуры, которые не отличаются от изменений на улице.

В зависимости от климатического исполнения в соответствии с требованиями ГОСТ 15150 — 69 все электрические двигатели подразделяют на следующие типы исполнения:

• Все возможные макроклиматические районы (В).
• Холодный (ХЛ).
• Все морские районы (ОМ).
• Сухой тропический (ТС).
• Общий (О).
• Умеренный (У).
• Умеренный морской (М).
• Влажный тропический (ТВ).

Категория размещения и климатическое исполнение указывают в условном обозначении электродвигателя на его бирке и в паспорте.

Степень защиты корпуса

Для условного обозначения степени защиты корпуса электрической машины от воздействия вредных факторов окружающей среды используют аббревиатуру IP. При этом на корпусе электропривода указывают следующую информацию:

• Высокий уровень защиты от пыли — IP65, IP66.
• Защищенные — не ниже IP21, IP22.
• С защитой от влаги — IP55, IP5.
• С защитой от брызг и капель — IP23, IP24.
• Закрытое исполнение — IP44 — IP54.
• Герметичные — IP67, IP68.

При подборе электрического двигателя для эксплуатации в условиях воздействия определенных вредных факторов, необходимо тщательно подходить к выбору степени защиты его корпуса.

Общие требования безопасности при монтаже и эксплуатации

При монтаже электрического двигателя необходимо придерживаться следующих требований:

• Перед подключением проверить соответствие частоты и напряжения питающей сети с информацией на паспорте электрического двигателя.
• Перед установкой электрической машины обязательно проводят измерение сопротивления электрической изоляции обмотки статора относительно корпуса. При неудовлетворительных значениях проводят просушивание изоляции до достижения требуемого значения.
• При сопряжении валов необходимо точно соблюдать соосность с допустимым отклонением не более 0,2 мм.
• Для заземления корпуса электродвигателя используют только специальные заземляющие устройства, предусмотренные инструкцией завода производителя.
• Строго запрещен монтаж электропривода под напряжением.

В процессе эксплуатации электрических машин следует придерживаться следующих основных правил:

• Регулярный осмотр состояния электродвигателя является залогом своевременного определения неисправностей.
• Регулярно на протяжении всего срока эксплуатации проводят проверку исправности токовой и тепловой защиты, чистку и смазку, проверку контактных соединений и надежности заземления.
• При наличии повышенного шума или стука, проводят вибродиагностику с целью определения состояния подшипников и других вращающихся деталей.
• Следует исключить длительную работу однофазного электродвигателя в режиме холостого хода, что негативно влияет на срок его службы.
• Запрещается эксплуатация электрического двигателя с неисправной защитой от перегрева, перегрузки или завышенным значением сопротивления контура заземления.

Крановые электродвигатели

Крановые электродвигатели представляют собой асинхронные устройства переменного тока или двигатели постоянного тока с параллельным или последовательным возбуждением.

В отличие от других категорий электродвигателей, крановые электроприводы имеют следующие особенности:

• Большинство крановых электрических двигателей имеет закрытое исполнение корпуса.
• Момент инерции на роторе составляет минимально возможное значение, что обеспечивает минимальные потери энергии во время переходных процессов.
• Кратковременная перегрузка по моменту для крановых двигателей постоянного тока составляет 2,0 — 5,0, а для электромоторов переменного тока 2,3 — 3,5.
• Класс нагревостойкости изоляционных материалов не менее F.
• У кранового электропривода переменного тока в номинальном режиме ПВ составляет не менее 80 минут.
• С целью получения большой перегрузочной способности по моменту добиваются высоких значений магнитного потока.
• Отношение максимально допустимой частоты вращения к номинальному значению для электродвигателей постоянного тока составляет 3,5 — 4,9, а для машин переменного тока 2,5.

Эксплуатация кранового привода характеризуется следующими условиями эксплуатации:

• Частые пуски, реверсы и торможения.
• Регулирование частоты вращения в широком диапазоне значений.
• Повышенная вибрация и тряски.
• Повторно-кратковременный режим работы.
• Воздействие высокой температуры, газа, пыли и пара.
• Значительная перегрузка во время работы.

Общепромышленные электрические двигатели

Электродвигатели общепромышленного исполнения применяют для привода механизмов, которые не предъявляют особых требований к показателям КПД, энергосбережения, скольжению и пусковым характеристикам.

Они характеризуются повторно-кратковременным режимом работы и изоляцией с классом нагревостойкости класса F. Наиболее популярными в этой категории являются асинхронные электрические двигатели марки АИР с короткозамкнутым ротором.

Благодаря многочисленным достоинствам, этот тип электропривода с успехом применяется на всех производственных предприятиях. От продукции других торговых марок его отличает:

• Простая конструкция с отсутствием подвижных контактов.
• Низкая стоимость в сравнении с электрическими машинами других типов.
• Высокая ремонтопригодность всех главных узлов и рабочих элементов.
• Использование напряжения сети 380 В без дополнительных регуляторов или фильтров.
• Монтаж двигателя осуществляется на лапах или фланцах, поэтому происходит в минимально короткий срок.

Электрические машины общепромышленного исполнения находят применение в сферах деятельности, где нет необходимости в высоких эксплуатационных параметрах: вентиляционные системы, насосные станции, станочное оборудование, компрессорные установки и др.

Эксплуатация общепромышленных электродвигателей осуществляется в двух основных режимах: генераторный и двигательный. При этом в генераторном режиме электрические двигатели являются источником электроэнергии за счет преобразования механической энергии вращения вала.

В двигательном режиме привод общепромышленного исполнения потребляет электроэнергию и превращает её в механическую энергию вращения вала.

Электрические двигатели с электромагнитным тормозом

Электрический привод с электромагнитным тормозом предназначен для эксплуатации в повторно-кратковременном или кратковременном режиме. Он разработан специально для механизмов, которые требуют форсированной остановки в строго регламентированное время.

К таким механизмам относят: электрические тали, автоматизированные складские системы, обрабатывающие станки и др. Тормозной механизм, как правило, располагают со стороны противоположной валу двигателя.

Он обеспечивает быстрое торможение электрического привода при отключении питания, а при повторной подаче напряжения растормаживает его.

Электрические машины со встроенным электромагнитным тормозом работают по следующему принципу:

1. Электромагнитную катушку тормоза подключают последовательно к одной из фазных обмоток электродвигателя.
2. Катушка получает постоянное напряжение посредством выпрямляющего устройства, которое располагают возле коробки с выводами или переменное напряжение непосредственно с обмотки электродвигателя.
3. При отсутствии фазного напряжения катушка обесточивается, и якорь прочно зажимает блокировочный механизм.
4. После восстановления электрического питания катушка подтягивает якорь, что позволяет валу двигателя свободно перемещаться.

В зависимости от способа монтажа электромоторы со встроенным электромагнитным тормозом изготавливают в следующих исполнениях:

• С горизонтальным валом.
• С вертикальным валом.

Благодаря своим преимуществам по времени остановки вала электродвигателя, этот тип электропривода обеспечивает надежную и безопасную эксплуатацию устройств с высокими требованиями к позиционированию или аварийной остановке.

Источник: Технический отдел ЗАО «КранЭлектроМаш»

Источник: https://www.elec.ru/articles/o-elektrodvigateljakh/

Виды электродвигателей

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА – ПОСТОЯННОГО

Одним из основных стимулов к широкой электрификации, начавшейся в XX веке, стала возможность легкого преобразования энергии электрического тока в механическую — к тому времени уже был известен коллекторный электродвигатель, изобретенный Якоби еще в первой половине XIX века.

Изобретение асинхронного двигателя переменного тока стало еще большим шагом вперед. Электромотор лишился механически трущихся и искрящих узлов (щеток и коллектора), превзойдя по бесшумности и ресурсу любой другой существовавший в то время тип привода.

Независимо от конструкции, любой электродвигатель устроен одинаково: внутри цилиндрической проточки в неподвижной обмотке (статоре) вращается ротор, в котором возбуждается магнитное поле, приводящее к отталкиванию его полюсов от статора.

Поддержание постоянного отталкивания требует либо перекоммутации обмоток ротора, как это делается на коллекторных электродвигателях, либо создания вращающегося магнитного поля в самом статоре (классический пример – асинхронный трехфазный двигатель).

Достоинства электродвигателей переоценить трудно. Это:

Крайняя простота.

Электродвигатель состоит из минимального количества узлов, поэтому ломаться в нем практически нечему.

Самостоятельный запуск.

Электродвигателю не нужен пусковой импульс, он начинает вращаться сам при включении питания (исключение – однофазные электродвигатели с пусковой обмоткой, но они практически вышли из употребления). Это позволяет отказаться от холостого хода, включая электромотор только при необходимости.

Отсутствие вибраций.

Легкость управления оборотами и крутящим моментом.

Несмотря на то, что на разных типах электродвигателей это достигается разными способами, управление ими в любом случае достаточно просто и надежно.

Возможность реверса.

На коллекторном двигателе достаточно поменять местами полюса якоря, на трехфазном электромоторе – изменить порядок включения фаз.

Обратимость.

Коллекторные электродвигатели при внешнем приводе начинают работать как электрогенераторы, что позволяет использовать их для рекуперации энергии при торможении электротранспорта.

Электродвигатели переменного тока

Благодаря удобству передачи на большие расстояния и легкости преобразования переменный ток успешно стал стандартом электроснабжения.

В сфере же производства электродвигателей его способность возбуждать переменное магнитное поле в статоре и соответственно индуцировать ток в короткозамкнутой обмотке ротора позволила создать асинхронные электродвигатели.

В этом типе двигателей единственным испытывающим трение узлом остаются коренные подшипники якоря.

Ротор такого электродвигателя – это металлический цилиндр, в пазы которого под углом к оси вращения запрессованы или залиты токопроводящие жилы, на торцах ротора объединенные кольцами в одно целое. Переменное магнитное поле статора возбуждает в роторе, напоминающем беличье колесо, противоток и, соответственно, отталкивающее его от статора магнитное поле.

В зависимости от числа обмоток статора асинхронный двигатель может быть:

Однофазным – в этом случае главным недостатком двигателя становится невозможность самостоятельного запуска, так как вектор силы отталкивания проходит строго через ось вращения. Для начала работы двигателю необходим или стартовый толчок, или включение отдельной пусковой обмотки, создающей дополнительный момент силы, смещающий их суммарный вектор относительно оси якоря.

Двухфазный электродвигатель имеет две обмотки, в которых фазы смещены на угол, соответствующий геометрическому углу между обмотками. В этом случае в электродвигателе создается так называемое вращающееся магнитное поле (спад напряженности поля в полюсах одной обмотки происходит синхронно с нарастанием его в другой).

Такой двигатель становится способным к самостоятельному запуску, однако имеет трудности с реверсом. Поскольку в современном электроснабжении не используются двухфазные сети, фактически электродвигатели этого рода применяются в однофазных сетях с включением второй фазы через фазовращающий элемент (обычно – конденсатор).

Трехфазный асинхронный электродвигатель – наиболее совершенный тип асинхронного мотора, так как в нем появляется возможность легкого реверса – изменение порядка включения фазных обмоток изменяет направление вращения магнитного поля, а соответственно и ротора.

Коллекторные двигатели переменного тока используются в тех случаях, когда требуется получение высоких частот вращения (асинхронные электродвигатели не могут превышать скорость вращения магнитного потока в статоре – для промышленной сети 50 Гц это 3000 об/мин). Кроме того, они выигрывают в пусковом крутящем моменте (здесь он пропорционален току, а не оборотам) и имеют меньший пусковой ток, меньше перегружая электросеть при запуске. Также они позволяют легко управлять своими оборотами.

Обратной стороной этих достоинств становится дороговизна (требуется изготовление ротора с наборным сердечником, несколькими обмотками и коллектором, который к тому же сложнее балансировать) и меньший ресурс. Помимо необходимости в регулярной замене стирающихся щеток, со временем изнашивается и сам коллектор.

Синхронный электродвигатель имеет ту особенность, что магнитное поле ротора индуцируется не магнитным полем статора, а собственной намоткой, подключенной к отдельному источнику постоянного тока. Благодаря этому частота его вращения равна частоте вращения магнитного поля статора, откуда и происходит сам термин «синхронный».

Как и двигатель постоянного тока, синхронный двигатель переменного тока является обратимым: при подаче напряжения на статор он работает как электродвигатель, при вращении от внешнего источника он сам начинает возбуждать в фазных обмотках переменный ток. Основная область использования синхронных электродвигателей – высокомощные приводы. Здесь увеличение КПД относительно асинхронных электромоторов означает значительное снижение потерь электроэнергии.

Также синхронные двигатели используются в электротранспорте. Однако, для управления скоростью в этом случае требуются мощные частотные преобразователи, зато при торможении возможен возврат энергии в сеть.

В начало

Электродвигатели постоянного тока

Так как постоянный ток не способен создать изменяющееся магнитное поле, обеспечение непрерывного вращения ротора требует принудительной перекоммутации обмоток, или дискретного изменения направления магнитного поля.

Старейший из известных способов – это использование электромеханического коллектора.

В этом случае якорь электродвигателя имеет несколько разнонаправленных обмоток, соединенных с находящимися в соответствующем положении относительно щеток ламелями коллектора.

Так как намагниченность статора во время работы коллекторного электродвигателя постоянного тока не изменяется, вместо сердечника с обмотками могут использоваться мощные постоянные магниты, что сделает мотор компактнее и легче.

Коллекторный двигатель не лишен ряда недостатков. Это:

• высокий уровень помех, как передаваемых в питающую сеть при переключении обмоток якоря, так и возбуждаемых искрением щеток;
• неизбежный износ коллектора и щеток;
• повышенная шумность при работе.

Современная силовая электроника позволила избавиться от этих недостатков, применяя так называемый шаговый двигатель – в нем ротор имеет постоянную намагниченность, а внешнее устройство последовательно меняет направление тока в нескольких обмотках статора. Фактически за единичный импульс тока ротор проворачивается на фиксированный угол (шаг), откуда и пошло название электромоторов такого типа.

Шаговые электродвигатели бесшумны, а также позволяют в широчайших пределах регулировать как крутящий момент (амплитудой импульсов), так и обороты (частотой), а также легко реверсируются изменением порядка следования сигналов. По этой причине они широко используются в сервоприводах и автоматике, однако их максимальная мощность определяется возможностями силовой управляющей схемы, без которой шаговые двигатели неработоспособны.

В начало

© 2012-2019 г. Все права защищены.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Источник: https://eltechbook.ru/jelektrodvigateli_vidy.html

Какие бывают виды электрических двигателей и чем они отличаются

С этой статьи мы начинаем раздел Электродвигатели на сайте Сам Электрик, т.к.

каждый электромонтер и даже домашний мастер хотя бы в общих чертах должен понимать, какие бывают виды и типы электродвигателей постоянного и переменного тока, а также особенности их устройства и применения.

Материал будет построен следующим образом: мы кратко рассмотрим разновидности электрических двигателей и в чем их различия, а для более подробного изучения того или иного варианта исполнения предоставим ссылку на отдельную публикацию.

Как работают двигатели

Принцип работы всех видов электродвигателей состоит во взаимодействии магнитных полей ротора и статора. При этом магнитное поле может создаваться постоянным магнитном или обмоткой (катушка-электромагнит).

В зависимости от мощности и типа мотора обмотки могут быть расположены только на статоре или и на статоре и на роторе. Попытаемся объяснить устройство и принцип работы для чайников в электрике.

Начнем с того, что рассмотрим устройство коллекторных электродвигателей.

Например, в маленьких коллекторных двигателях постоянного тока, как для радиомоделей, на статоре расположены постоянные магниты, а в роторе намотаны катушки из медного провода.

Ток к катушкам ротора такого электродвигателя подаётся через щеточный узел, состоящий из щеток и коллектора. На коллекторе расположены ламели, к которым присоединены выводы обмоток.

После включения питания ротор (якорь) начинает вращаться, на нём закреплен коллектор, а неподвижные щетки касаются попеременно разных пар ламелей коллектора.

Через щетки и ламели к обмоткам ротора подаётся ток то на одну обмотку, то на другую, таким образом создавая изменяющееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнита.

В результате полюса вращающегося и неподвижного электромагнитов притягиваются, из-за чего и происходит вращение.

Если опустить некоторые нюансы, то чем больше ток ротора, тем больше это поле и тем быстрее вращается ротор. Однако это применимо в основном для коллекторных машин постоянного и переменного токов (они универсальны).

Если говорить об асинхронном двигателе (АД) с короткозамкнутым ротором — это электродвигатель переменного тока без щеток. В нем обмотки расположены на статоре (а), а ротор представляет собой стержни (б), замкнутые на коротко кольцами — так называемая беличья клетка.

Они отталкиваются или притягиваются друг к другу. Так как ротор закреплен на концах в подшипниках, то ротор начинает вращаться. АД предназначен только для переменного тока, и скорость вращения вала у него зависит от частоты тока и числа полюсов в обмотках статора, подробнее этот вопрос мы рассмотрим в статье об асинхронных электродвигателях.

Но для начала вращения вала такого двигателя важно либо толкнуть его (придать начальную скорость), либо создать вращающееся магнитное поле. Оно создаётся с помощью расположенных определенным образом обмоток, подключенным к трёхфазной электросети (например, 380В), или с помощью пусковых и рабочих конденсаторов (в т.н. конденсаторных асинхронных двигателях).

Кроме взаимодействия магнитных полей в во вращении вала электродвигателя участвует и сила Ампера.

Поэтому нужно понимать, что момент на валу абстрактного двигателя и число оборотов зависят от конструкции и вида электромашины, а также от силы тока и его частоты. Повторюсь, что в этой статье мы не будем углубляться подробно в особенности устройства каждого из видов и типов электродвигателей, а сделаем отдельные статьи для этого.

Стоит отметить, что асинхронные и универсальные коллекторные двигатели наиболее распространены в быту и на производстве, в приводах строительных машин. Они используются везде, как для движения промышленных механизмов, так и для автомобилей, электротранспорта и используемых в бытовой технике, вплоть до электрической зубной щетки.

Основная классификация

Итак, электродвигатели главным образом делятся на машины, работающие от постоянного тока, а также от переменного тока. Чем отличается переменный ток от постоянного, мы рассказывали в статье: https://samelectrik.ru/chem-otlichaetsya-peremennyj-tok-ot-postoyannogo.html. Типы электрических двигателей рассмотрим с машин, работающих от переменки.

Двигатели переменного тока

Большинство электрических машин, используемых на производстве и в повседневной жизни, для привода лифтов, в других видах электропривода работают от переменного тока.

Двигатели переменного тока можно классифицировать следующим образом:

При этом асинхронные двигатели различают либо по конструкции ротора:

• с короткозамкнутым ротором (наиболее распространены с любым числом фаз);
• с фазным ротором (только трёхфазные).

И по количеству фаз:

• однофазные (с пусковым конденсатором) используются в бытовых электровентиляторах и других маломощных устройствах;
• конденсаторные или двухфазные (это однофазные с конденсатором, который не отключается во время работы, за счет чего создаётся «вторая» фаза) используются в небольших насосах, вентиляции, на стиральных машинах типа «малютка» и старых моделей производства СССР;
• трёхфазные распространены больше всего и используются повсеместно на производстве.

Есть разные конструкции однофазных АД, в списке приведены два основных варианта!

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

где n – число оборотов в минуту, f – частота питающей сети, p – число пар полюсов, s – скольжение, а «60» — секунд в минуте.

Таким образом частота вращения ротора определяется частотой питающей сети, конструкцией обмоток, а вернее числом пар полюсов (катушек) в ней и величиной скольжения.

Скольжение – это величина, которая характеризует насколько меньше частота вращения ротора относительно частоты вращающегося магнитного поля. При нормальных режимах работы лежит в пределах 0,01-0,06. Если говорить простым языком, то поле в статоре с одной парой полюсов вращается со скоростью:

60*50/1=3000 об/мин

При двух парах — 1500 об/мин, а при трёх парах — 1000 об/мин.

При скольжении, допустим, в 0,05, частота вращения ротора будет равняться:

3000*(1-0,05)=2850 об/мин

Для регулировки оборотов таких электродвигателей используют частотные преобразователи, так как на остальные переменные, приведенной выше формулы, мы повлиять не можем.

Если в трёхфазной электрической машине вращающееся поле статора создаётся расположением обмоток и сдвигом фаз в сети на 120˚, то в однофазных такого эффекта не наблюдается. Вал будет вращаться, если задать ему первоначальное вращение, крутнув вал рукой или установив фазосдвигающий конденсатор, который создаст сдвиг фазы на пусковой обмотке.

Двухфазные конденсаторные двигатели устроены подобным образом, но вторая обмотка не отключается после пуска, а продолжает работать через конденсатор. Поэтому название «двухфазные» скорее относится к конструкции и схеме подключения, а не к цепям питания. И двухфазные, и однофазные рассчитаны на работе от сети 220В.

Синхронные электродвигатели (СД) почти всегда выполняются с обмоткой возбуждения на якоре, и ток возбуждения на неё передается либо через щеточный узел, либо наводится с помощью электромагнитной системы.

Это нужно для того, чтобы его вал вращался с частотой, совпадающей с частотой вращения поля статора. То есть такого параметра как скольжения в этом случае нет.

Ток возбуждения подаётся от специальных систем возбуждения, таких как «генератор-двигатель» или электронных преобразователей на тиристорах или транзисторах. Наиболее распространены на отечественных предприятиях такие приборы как ВТЕ, ТВУ и пр.

Не всегда есть обмотка возбуждения и щетки, например, в микроволновой печи в приводе вращения тарелки используется синхронный двигатель с постоянными магнитами.

Синхронные машины бывают явнополюсными и неявнополюсными. Визуальные отличия заключаются в конструкции ротора, на практике есть разница и в их характеристиках, методах производства и конструкции. На практике обычному домашнему электрику вряд ли с ними придётся столкнуться.

Уменьшение напряжения (тока) на статоре или возбуждения (у синхронных и асинхронных с фазным ротором) приводит к падению момента и увеличению величины скольжения (у АД), при этом вал может вращаться медленнее.

Чтобы регулировать обороты таких двигателей, вам нужен частотный преобразователь. О том, как выбрать частотник, мы рассказали в статье: https://samelectrik.ru/vybor-chastotnogo-preobrazovatelya.html.

Двигатели постоянного тока (ДПТ)

Существуют следующие виды и типы электродвигателей постоянного тока:

1. Коллекторные двигатели постоянного тока. Состоят из магнитов или катушки возбуждения и якоря, ток к обмотке якоря передаётся с помощью щеточного узла, недостатком которого является постепенный износ.
2. Универсальные коллекторные двигатели. Похожи на предыдущие, но могут работать и от постоянного и от переменного тока.
3. Бесколлекторный или бесщеточный. Состоит из обмоток статора, на роторе устанавливают постоянные магниты. Подключается к цепи постоянного тока через специальный контроллер, переключающий обмотки статора.

Коллекторные двигатели можно разделить на группы по типу возбуждения:

• с самовозбуждением;
• с независимым возбуждением.

По типу подключения обмоток возбуждения различают следующим образом:

1. Последовательное возбуждение позволяет получить высокий момент на валу, но обороты холостого хода также очень высокие и могут повредить двигатель (пойдёт в разнос).
2. Параллельное возбуждение — в этом случае обороты стабильнее и не изменяются под нагрузкой, но момент на валу меньше.
3. Смешанное возбуждение совмещает достоинства обоих типов.

У маломощных коллекторных ДПТ возбуждение чаще всего организовано с помощью постоянных магнитов.

При независимом возбуждении у коллекторного электродвигателя обмотки статора и ротора не соединены друг с другом, а в сущности питаются от разных источников. Таким образом можно организовать регулировку момента или оборотов, а также добиться большей энергоэффективности.

В зависимости от конструкции такой электродвигатель может работать или только от постоянного тока, или работать от переменного и постоянного. Во втором случае их называют «универсальный коллекторный двигатель». Они широко распространены в быту, используются в кухонной технике и электроинструменте (болгарки, дрели и т.д.).

Бесколлекторные двигатели лишены недостатков, присущих коллекторным, за счет отсутствия щеточного узла. Ток подаётся к трём обмоткам статора, а обмотки переключаются с помощью контроллера. Фактически бесщеточные ДПТ питаются преобразованным переменным током. Принцип работы этих двигателей вы можете узнать, посмотрев следующее видео:

По устройству они похожи на синхронные двигатели, за исключением того, что используются постоянные магниты, а не электромагниты. Для вращения такого двигателя и повышения эффективности его работы используются датчики Холла для определения положения вала и правильного переключения обмоток.

Часто их называют вентильными двигателями, а в англоязычных источниках подобные двигатели, в зависимости от конструкции, называют PWSM или BLDC.

Они используются в компьютерных кулерах, в качестве привода для радиоуправляемых моделей, таких как квадрокоптеры, а также в моторколесе для велосипеда.

Дополнительная классификация

Кроме рассмотренных выше двигателей следует сказать о других видах, таких как:

• шаговые;
• сервоприводы;
• линейные;
• двигатели пульсирующего тока (похож на двигатель постоянного тока, отличием является то, что питание осуществляется выпрямленным пульсирующим током).

Шаговые двигатели и сервоприводы используются там, где нужно позиционировать узел какого-то механизма. Простейший пример – ЧПУ, 3D-принтер и прочее. Также с помощью «шаговиков» иногда управляют положением дроссельной заслонки автомобиля – и это лишь малая часть их применения.

Описание функций и особенностей этих видов электропривода – это тема для отдельной статьи. Если вам интересно, пишите комментарии и мы её опубликуем!

Линейный двигатель, в отличии от всех выше перечисленных, движение его вала не вращательное, а поступательное. То есть он не крутится, а двигается «вперед-назад». Они бывают разными:

• переменного тока по принципу действия похожие на синхронные и асинхронные электродвигатели;
• постоянного тока;
• пьезоэлектрические;
• магнитострикционные.

На практике встречаются редко, используются в качестве привода для монорельсовой железной дороги, для подачи рабочего органа в различных станках.

Однако приведенная в статье классификация была выбрана с точки зрения практичности, в литературе же предлагают разделять электропривод по следующим критериям.

По специфике создающегося вращательного момента:

• гистерезисные;
• магнитоэлектрические.

Следующий вариант классификации основан на различиях конструкции и особенности их конструктивного исполнения.

По типу и расположению вала:

• с горизонтальным расположением вала;
• с вертикальным размещением вала.

Защите от действий внешней среды:

• защищённые от повышенной влажности и пыли;
• для эксплуатации во взрывоопасных помещениях.

По продолжительности режима работы:

• повторно-кратковременный (лебедки, краны, двигатели задвижек);
• для продолжительного режима работы (насосы, вентиляция и т.д.).

По мощности также можно различать машины малой, средней, большой мощности. Однако пределы этих мощностей приводить не имеет смысла, поскольку где-то 6 МВт – это средняя мощность, а где-то 1 кВт – это колоссальное число.

Подробно рассмотреть все виды в пределах одной статьи невозможно, поэтому мы рассмотрим каждый вариант исполнения по отдельности. Надеемся, предоставленная вкратце классификация помогла вам понять, какие бывают типы электродвигателей постоянного и переменного тока, а также в чем их различия и особенности применения!

Материалы по теме:

Источник: https://samelectrik.ru/vidy-elektricheskix-dvigatelej-i-ix-razlichiya.html