Электродвигатели — типы, устройство, принцип работы, параметры, производители

Конструкция электродвигателя

Основными элементами роторного электродвигателя являются статор и ротор. Статор – неподвижная часть, ротор – вращающаяся часть.

Стандартная конструкция роторного двигателя

Большинство электродвигателей имеют ротор внутри статора. Электродвигатели, у которых ротор расположен вне статора, называются электродвигателями реверсивного типа.

Принцип работы электродвигателя

По закону Ампера на проводник с током I в магнитном поле будет действовать сила F.2. Если проводник с током I загнуть в рамку и поместить в магнитное поле, то на две стороны рамки, перпендикулярные магнитному полю, будут действовать противоположно направленные силы F3. Силы, действующие на раму, создают крутящий момент или крутящий момент, вращающий ее.4.

Промышленные электродвигатели имеют больше витков якоря, чтобы обеспечить более постоянный крутящий момент.5. Магнитное поле может создаваться как магнитами, так и электромагнитами. Электромагнит обычно представляет собой проволоку, намотанную на сердечник.

Таким образом, согласно закону электромагнитной индукции, ток, втекающий в петлю, будет индуцировать ток в обмотках электромагнита, который, в свою очередь, создаст магнитное поле.

Классификация электродвигателей

Универсальный Репеллент	КДПТ с обмоткой возбуждения Включает обмотку Независимый Последовательное возбуждение Параллельно Комбинированный КДПТ с постоянными магнитами	ВВП (Бесколлекторный двигатель + EP | + DPR) ВРД (Реактивный двигатель с выступающим полюсным ротором и сосредоточенной обмоткой статора + EP |+ DPR)	Три фазы (многофазный) АДКР АДФР Двухфазный (конденсатор) Простая фаза с началом намотки с экранированными стойками с асимметричным магнитопроводом	СДОВ PSDM СДПМ СДПМП Гибридный SRD Гистерезис Индуктор Гибридный СРД-ПМ Реактивный гистерезис Шаг 5
Простая электроника	Выпрямитель, транзисторы	Более сложный электроника	Комплексная электроника (ПЭ)

Примечание:

1. Данная категория не представляет собой отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), представляют собой комбинацию бесщеточного двигателя, электропреобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, датчика положения ротора. В этих агрегатах электропреобразователь из-за его малой сложности и малых габаритов обычно интегрируется в электродвигатель.
2. Вентильный двигатель можно определить как электродвигатель с датчиком положения ротора, управляющим полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованное переключение обмотки якоря 5.
3. Вентильный двигатель постоянного тока представляет собой двигатель постоянного тока, клапанным переключающим устройством которого является инвертор, управляемый либо положением ротора, либо фазой напряжения на обмотках якоря, либо положением магнитного поля 1.
4. Электродвигатели, применяемые в БДПТ и ВРД, являются двигателями переменного тока и из-за наличия в этих агрегатах электропреобразователя подключаются к сети постоянного тока.
5. Шаговый двигатель не является двигателем своего класса. Конструктивно это SDPM, SRD или гибрид SRD-PM.

Сокращение:

• КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
• БДПТ — бесщеточный двигатель постоянного тока
• ЭП — электрический преобразователь
• ДПР — датчик положения ротора
• ВРД — клапанный реактивный двигатель
• АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
• ADFR — асинхронный двигатель с фазным ротором
• СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

• СДПМ — синхронный двигатель с постоянными магнитами
• СДПМП — синхронный двигатель с постоянными магнитами поверхностного монтажа
• СДПМВ — синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами
• SynRM — синхронный реактивный двигатель
• ПМ — постоянные магниты
• ЧП — преобразователь частоты

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина — это вращающаяся электрическая машина, в которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором 1. В коллекторном двигателе щеточный коллектор выполняет функцию датчика положения ротора и прерывателя цепи в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Может работать на переменном и постоянном токе. Он широко используется в ручных инструментах и ​​в некоторых бытовых приборах (пылесосах, стиральных машинах и т д.). В США и Европе использовался как тяговый двигатель. Он получил широкое распространение благодаря своим небольшим размерам, относительно невысокой цене и простоте использования.

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Электрическая машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. Преимущества двигателя постоянного тока: высокий пусковой момент, скорость, возможность плавного регулирования скорости, простота конструкции и управления. Недостатком мотора является необходимость обслуживания щеточных узлов коллектора и ограниченный ресурс из-за износа коллектора.

• С постоянными магнитами

• С обмоткой возбуждения

Бесколлекторные электродвигатели

Бесщеточные двигатели могут иметь контактные кольца со щетками, поэтому не путайте бесщеточные и бесщеточные двигатели.

Бесщеточная машина — это вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические соединения обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, выполняются без скользящих электрических контактов.

Асинхронный электродвигатель

Самый распространенный электродвигатель в промышленности. Преимуществами электродвигателя являются: простота конструкции, надежность, низкая цена, длительный срок службы, высокий пусковой момент и перегрузочная способность. Недостатком асинхронного двигателя является сложность регулирования скорости.

• Простая фаза
• Двухфазный

• Три фазы

Cинхронный электродвигатель

Синхронные двигатели обычно используются в приложениях, где требуется точное регулирование скорости или где требуется максимальное значение таких параметров, как мощность/объем, эффективность и т д.

• С обмоткой возбуждения
• С постоянными магнитами

• Реактивный
• Гистерезис
• Реактивный гистерезис
• Степпер

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Серводвигатели не являются отдельным классом двигателей. В качестве серводвигателя могут использоваться электродвигатели постоянного и переменного тока с датчиком положения ротора.

Серводвигатель используется как часть сервомеханизма для точного управления угловым положением, скоростью и ускорением привода. Для работы серводвигателя требуется относительно сложная система управления, которая обычно разрабатывается специально для сервопривода.

Двигатель с полым (немагнитным) ротором

Особенностью двигателей с полым ротором является отсутствие в конструкции ротора магнитопровода

Сравнение электродвигателей

Универсальный	Высокий пусковой крутящий момент Компактный Высокоскоростной	Уход (щетки) Короткий срок службы Шумный	Бытовая техника (пылесосы, фены, блендеры и тд) Ручной инструмент (дрели, отвертки и т.д.)
КДПТ	Простое управление скоростью Низкая начальная стоимость	Уход (щетки) Средняя продолжительность жизни Высокая цена коллектора и щеток	Устройства автоматизации Промышленные компании

Основные параметры электродвигателя

• Крутящий момент двигателя
• Мощность двигателя
• Эффективность
• Номинальная скорость

• Момент инерции ротора
• Номинальное напряжение
• Электрическая постоянная времени
• Механическая характеристика

Момент электродвигателя

Крутящий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, силовой момент) — векторная физическая величина, равная произведению радиуса вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы на вектор этой силы.

,

• где М — крутящий момент, Нм,
• F — усилие, Н,
• r – радиус-вектор, м

Справочно: Номинальный крутящий момент Мном, Нм, определяется по формуле

,

• где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• nnom — номинальная скорость, мин-1 [4]

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе измерения сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, унция-сила) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

1 унция = 1/16 фунта = 0,2780139 Н (Н)
1 фунт = 4,448222 Н (Н)

крутящий момент измеряется в унциях силы на дюйм (oz∙in) или фунтах силы на дюйм (lb∙in)

1 унция∙дюйм = 0,007062 Нм (Нм)
1 фунт∙дюйм = 0,112985 Нм (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность двигателя – это полезное механическое усилие на валу двигателя.

• Мощность двигателя постоянного тока

Механическая мощность

Сила – это физическая величина, показывающая, какую работу выполняет механизм в единицу времени.

,

• где P – мощность, Вт,
• А — работа, Дж,
• т — время, п

Работа – это скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы в направлении F на путь s, пройденный точкой приложения силы [2].

,

• где s — расстояние, м

Для вращательного движения

,

• куда
  — угол, счастливый,

,

• куда
  – угловая скорость, рад/с,

Таким образом, можно рассчитать величину механической силы на валу вращающегося электродвигателя

Справочно: Номинальное значение — указанное изготовителем значение параметра электротехнического изделия (устройства), на котором оно должно работать, являющееся исходным значением для подсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя является характеристикой эффективности машины по отношению к преобразованию электрической энергии в механическую.

,

• куда
  кПД электродвигателя,
• P1 — потребляемая мощность (электрическая), Вт,
• P2 — полезная мощность (механическая), Вт

• При этом потери в электродвигателях обусловлены:
• электрические потери — в виде тепла от теплопроводов с током;
• магнитные потери — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, потери на гистерезис и магнитное последействие;
• механические потери — потери на трение в подшипниках, вентиляции, щетках (при их наличии);
• дополнительные потери — потери, вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающими из-за зубчатой ​​конструкции статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия определяет требования к эффективности для электродвигателей. IEC 60034-31:2010 определяет четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных двигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Частота вращения

• где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инерции тела при вращательном движении вокруг оси, равная сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

• где J – момент инерции, кг∙м2,
• m — масса, кг

Справка: В английской системе измерения момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)

1 унция∙дюйм∙с2 = 0,007062 кг∙м2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

• куда
  – угловое ускорение, с-2 [2]

,

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

Читайте также: Схемы подключения магнитного пускателя: детальная инструкция

Ток

Пусковой ток — максимальный эффективный ток, потребляемый остановившимся двигателем при работе его от сети при номинальном напряжении и частоте.

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение — это напряжение, на которое рассчитана сеть или оборудование и с которым связаны их рабочие характеристики [3].

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени – это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на двигатель, когда ток достигает уровня 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

• куда
  постоянная времени, с

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при постоянном напряжении питания.

Характеристики электродвигателя

Качество двигателей определяется их статическими и динамическими характеристиками. Статические характеристики определяют значения электромагнитного момента, КПД, тока и т д при устойчивой работе. Динамические характеристики относятся к изменениям этих величин во время работы.

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже приведены сравнительные характеристики электродвигателей с внешней коммутацией с точки зрения использования в качестве тяговых двигателей в транспортных средствах.

• Сравнение механических свойств электродвигателей разных типов с ограничением тока статора
• Зависимость мощности от скорости вращения вала для различных типов двигателей с ограниченным током статора

Стабильная мощность во всем диапазоне скоростей
Крутящий момент к току статора
Эффективность (COP) во всем рабочем диапазоне
Вес

Примечание. Оранжевый — низкий, желтый — средний, светло-желтый — высокий. Сокращение:

• АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
• СДПМП — синхронный двигатель с постоянными магнитами поверхностного монтажа
• СДПМВ — синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами

• СРД-ПМ — синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами (синхронный гибридный двигатель)
• СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

Согласно приведенным выше рисункам, гибридный синхронный двигатель, а именно синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами, является наиболее подходящим для использования в качестве тягового двигателя в автомобильной промышленности (выбор был сделан в пользу концепции BMW i3 и BMW i8).

Использование реактивного момента обеспечивает высокую мощность в верхнем диапазоне скоростей. Более того, такой двигатель обеспечивает очень высокий КПД в широком рабочем диапазоне [7].

Использование частотного преобразователя

В настоящее время достаточно активно все стали использовать преобразователи частоты для управления скоростью вращения (оборотов) электродвигателя.

Это позволяет не только экономить электроэнергию (например, при частотном регулировании насосов для водоснабжения), но и управлять подачей объемных насосов, превращая их в дозирующие насосы (все объемные насосы).

Но очень часто при использовании преобразователей частоты не учитывают некоторые нюансы их применения:

• регулировка частоты, без доработки электродвигателя, возможна в пределах диапазона регулировки частоты +/- 30% от рабочей (50 Гц),
• при увеличении частоты вращения более 65 Гц необходимо заменить подшипники на усиленные (сейчас с помощью преобразователя частоты можно поднять частоту тока до 400 Гц, обычные подшипники просто разваливаются при такие скорости),
• при снижении скорости встроенный вентилятор электродвигателя начинает работать неэффективно, что приводит к перегреву обмоток.

Из-за того, что при проектировании установок не учитывают такие «мелочи», очень часто электродвигатели выходят из строя. Для работы на пониженной частоте ОБЯЗАТЕЛЬНА установка дополнительного вентилятора для принудительного охлаждения электродвигателя.

Вместо кожуха вентилятора установлен вентилятор принудительного охлаждения (см рисунок). В этом случае, даже при снижении частоты вращения основного вала двигателя, дополнительный вентилятор обеспечит надежное охлаждение электродвигателя.

Мы имеем большой опыт модернизации электродвигателей для низкочастотной работы. На фото винтовые насосы с дополнительными вентиляторами на электродвигателях.

Эти насосы используются в качестве дозирующих насосов в пищевой промышленности. Надеемся, что эта статья поможет вам самостоятельно подключить электродвигатель к сети (или хотя бы понять, что вы не электрик, а «универсал»).

Реальный пример схемы

Фото схемы звезда-треугольник с таймерным управлением и гальванической развязкой на трансформаторе.

Слева направо в нижнем ряду: КМ1, КМ2, КМ3, КА1.

А вот пример схемы с управлением от контроллера:

Звезда-треугольник, компрессор, управление из программы контроллера

Видео как щелкают контакторы в этой схеме:

Подключение двигателя на 380 Вольт

Трехфазный асинхронный двигатель является наиболее распространенным из всех электродвигателей. Говорят, что электротехника — это наука о контактах. Большинство проблем, возникающих в электрических цепях, вызваны каким-либо контактом. Контакты в конструкции асинхронного двигателя отсутствуют. Это объясняет надежность.

При правильной эксплуатации такие двигатели работают до тех пор, пока не изнашиваются подшипники. Правильная эксплуатация обеспечивает оптимальный температурный режим и самое медленное изменение изоляционных свойств. Подшипники, а также повреждение изоляции обмотки являются двумя основными причинами выхода из строя асинхронного двигателя.

В трехфазных сетях питания применяют две схемы соединения обмоток двигателей — «треугольник» и «звезда». Эти схемы определяют только температурный режим обмоток и нагрузку на изоляцию. Напряжение 380 В действует либо на каждую обмотку при соединении в «треугольник», либо на электрическую цепь с двумя обмотками при соединении в «звезду».

Поэтому в одном и том же устройстве обмотки, соединенные «треугольником», работают в более жестких режимах по напряжению и температуре. Однако также достигается более высокое механическое усилие на валу двигателя.

• При соединении обмоток по схеме «треугольник» получается в полтора раза больше мощности по сравнению со схемой «звезда».

Процесс перехода от запуска двигателя к постоянной частоте вращения ротора также оказывается более энергичным по пусковому току. В электрических сетях малой мощности это приведет к значительному снижению напряжения при разгоне ротора. Поэтому в таких сетях рекомендуется использовать асинхронные двигатели с фазным ротором и балластами.

Из-за больших пусковых токов схема соединения основной обмотки — звезда. Напряжение U для каждого двигателя является наиболее важным параметром и поэтому всегда указывается на заводской табличке и в сопроводительной документации.

Поскольку в мире выпускается большое количество моделей двигателей, перед подключением обмоток для подключения источника питания 380 В необходимо убедиться в соответствии отечественных стандартов и моделей. Если на паспортной табличке указано более высокое напряжение, необходимо использовать соединение треугольником вместо обычно используемого соединения звездой».

Наилучший способ пуска

Для наиболее эффективного использования асинхронного двигателя целесообразно использовать комбинированные режимы работы. Это означает, что использование коммутации обмотки приводит к достижению одного из двух вариантов соединения обмотки.

Двигатель запускается и разгоняется по схеме соединения звездой. После завершения переходного процесса и достижения пусковым током минимального значения происходит переключение на схему «треугольник».

Такое управление достигается тремя группами контактов, по три контакта в каждой группе. Для того чтобы переход с одной цепи на другую не привел к аварии, необходимо соблюдать определенную последовательность работы контактов.

• При пуске асинхронного двигателя первая и вторая группы замыкаются. Неважно, кто из них первым замыкает контакты.
• Третья группа остается открытой до окончания разгона ротора.
• По мере ускорения ротора вторая группа размыкает контакты.
• Через время, необходимое для полного размыкания второй группы контактов, замыкаются контакты третьей группы.
• Отключение электродвигателя от трехфазной сети 380 В осуществляется размыканием контактов первой и второй группы.
• Чтобы переход с одной схемы на другую был более безопасным, необходимо размыкать контакты первой группы в момент, когда контакты второй группы выключены, а контакты третьей группы включены.

Для схемы потребуются три магнитных пускателя с контактами, подходящими для отключения токов на управляемый двигатель. Трехфазный асинхронный двигатель представляет собой устройство, состоящее из двух частей: статора и ротора, которые разделены воздушным зазором и не имеют между собой механической связи.

На статоре имеются три обмотки, намотанные на специальный магнитопровод, который собран из пластин специальной электротехнической стали. Обмотки намотаны в пазах на статоре и размещены под углом 120 градусов друг к другу.

Ротор представляет собой конструкцию на подшипниках с крыльчаткой для вентиляции. Для целей электрического привода ротор может быть соединен непосредственно с механизмом либо через редукторы, либо через другие системы механической передачи энергии. Роторы в асинхронных машинах могут быть двух типов:

• Ротор с короткозамкнутым ротором, представляющий собой систему проводников, соединенных на концах кольцами. Образуется пространственная структура, напоминающая беличье колесо. В роторе индуцируются токи, которые создают собственное поле, взаимодействующее с магнитным полем статора. Это приводит в движение ротор.
• Массивный ротор представляет собой цельную конструкцию из ферромагнитного сплава, в которой одновременно индуцируются токи и которая представляет собой магнитопровод. За счет появления вихревых токов в массивном роторе происходит взаимодействие магнитных полей, являющееся движущей силой ротора.

Основной движущей силой в трехфазном асинхронном двигателе является вращающееся магнитное поле, возникающее, во-первых, за счет трехфазного напряжения, во-вторых, взаимного расположения обмоток статора. Под его воздействием в роторе возникают токи, создающие поле, взаимодействующее с полем статора.

Асинхронным двигатель называется из-за того, что скорость вращения ротора отстает от скорости магнитного поля, ротор постоянно пытается «подцепить» поле, но частота всегда меньше.

Главные преимущества асинхронных двигателей

• Простая конструкция, которая достигается за счет отсутствия коллекторных групп, имеющих быстрый износ и создающих дополнительное трение.
• Для привода асинхронного двигателя не требуется никаких дополнительных преобразований; может работать напрямую от промышленной трехфазной сети.
• Благодаря относительно небольшому количеству деталей асинхронные двигатели очень надежны, имеют длительный срок службы, просты в обслуживании и ремонте.

Конечно, трехфазные машины не лишены недостатков

• Асинхронные двигатели имеют чрезвычайно низкий пусковой момент, что ограничивает их диапазон.
• При пуске эти двигатели потребляют высокие пусковые токи, которые могут превышать допустимые для конкретной системы электропитания.
• Асинхронные двигатели потребляют много реактивной мощности, что не увеличивает механическую мощность двигателя.

Области применения электродвигателей

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на их долю приходится примерно 45% всей потребляемой электроэнергии [6].

• Электродвигатели используются повсеместно, основными областями применения являются:
• промышленность: насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, приводы для других машин и т д.
• строительство: насосы, вентиляторы, конвейеры, лифты, отопление, вентиляция и кондиционирование и др.
• бытовые устройства: холодильники, кондиционеры, персональные компьютеры и ноутбуки (жесткие диски, вентиляторы), пылесосы, стиральные машины, миксеры и т д.