Какой КПД электродвигателя?

Немного истории и современности

Основной движущей силой развития электродвигателей стало открытие закона электромагнитной индукции. В нем говорится, что индуцированный ток движется таким образом, что противодействует тому, что его вызвало. На этой базе появился первый электродвигатель.

Сегодняшнее производство электродвигателей следует той же теории, но сегодняшние модели имеют много отличий от оригиналов. Мощность электродвигателей увеличилась, они стали меньше в размерах и, что немаловажно, повысился их КПД. Если сравнить его с КПД двигателя внутреннего сгорания, то результат будет далеко не в пользу последнего. Наибольший КПД такого двигателя составляет не более 45%.

Основные характеристики работы моторов

Основная функция двигателя – преобразование электрической энергии в механическую. Эффективность – это показатель производительности данной функции. Формула КПД электродвигателя выглядит следующим образом:

п = р2/р1,

где p1 — подводимая электрическая мощность, а p2 — полезная механическая мощность, вырабатываемая электродвигателем.

Однако не все так просто. Особенности двигателя и области его использования, многие другие переменные уточнят расчет и сделают его более индивидуальным.

Принцип работы электродвигателя

1. 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.

• Подробное описание принципа работы электродвигателей различных типов:
• Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы синхронного двигателя

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 асимметричной магнитной цепью	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

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 1.

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

Параметры КПД в электродвигателях

Основной задачей электродвигателя является преобразование электрической энергии в механическую. Эффективность определяет эффективность этой функции. Формула КПД электродвигателя выглядит следующим образом:

• п = р2/пл

В этой формуле p1 — подводимая электрическая мощность, p2 — полезная механическая мощность, вырабатываемая непосредственно двигателем. Электрическая мощность определяется по формуле: p1=UI (напряжение, умноженное на силу тока), а значение механической мощности по формуле P=A/t (отношение работы к единице времени).

Вот так выглядит расчет КПД электродвигателя. Тем не менее, это самая легкая часть. В зависимости от назначения двигателя и области его применения расчет будет различаться и учитывать многие другие параметры. На самом деле формула КПД двигателя включает гораздо больше переменных. Самый простой пример был приведен выше.

Снижение КПД

При выборе двигателя необходимо учитывать механический КПД электродвигателя. Большую роль играют потери, связанные с нагревом двигателя, снижением мощности и реактивными токами. Чаще всего падение КПД связано с выделением тепла, что естественно происходит при работе двигателя.

Причины выделения тепла могут быть разными: двигатель может нагреваться при трении, а также по электрическим и даже магнитным причинам. В качестве простейшего примера можно привести ситуацию, когда на электрическую энергию было затрачено 1000 рублей, а работа выполнена за 700 рублей. В этом случае КПД будет равен 70%.

Для охлаждения электродвигателей используются вентиляторы, которые прогоняют воздух через созданные отверстия. В зависимости от класса двигателя подогрев может осуществляться до определенной температуры.

Например, двигатели класса А могут нагреваться до 85-90 градусов, класса В – до 110 градусов. В случае, если температура превышает допустимый предел, это может свидетельствовать о коротком замыкании в статоре.

Устройство электромотора

КПД двигателя внутреннего сгорания колеблется от 40 до 60%. В то время как для электрических он достигает 96%. Это довольно высокое число, которое достигается за счет усовершенствования конструкции и использования сверхпроводящих материалов. Существует несколько типов двигателей, работающих от электричества. Но в их конструкции используются одни и те же основные детали.

Итак, в состав электродвигательного агрегата входят:

1. Вал – элемент, на который устанавливаются остальные детали.
2. Якорь — деталь, состоящая из сердечника, набранного из набора пластин из специальной электротехнической стали.
3. Обмотка якоря — состоит из индукторов, в которых индуцируется электродвижущая сила.
4. Коллектор представляет собой систему изолированных токопроводящих пластин, к которым припаяны обмотки якоря.
5. Основной полюс изготовлен из постоянных магнитов.
6. Обмотка возбуждения расположена на роторе и соединена с контактными кольцами, через которые к устройству подводится ток.
7. Втулки – подшипники, с помощью которых ротор скользит по валу. Их качество во многом определяет КПД электродвигателя.
8. Вращающиеся стержни – используются четыре полоски, отделенные друг от друга.

Неподвижная часть двигателя называется стартером, а вращающаяся часть – ротором. Проволоки, согнутые в виде каркаса, укладываются в пазы в сердечнике. Их концы присоединяются к коллектору. Д

ве положительные щетки, соединенные через обмотки возбуждения, и две отрицательные щетки, соединенные с пусковой массой, через пружины прижаты к пластинам. В задней крышке последнего установлены щеткодержатели и втулка якоря.

От плюсовой клеммы источника питания провод идет на входной разъем пускателя. Ток проходит через него, поступает на обмотку возбуждения и попадает на плюсовую щетку. С коллектора заряды идут на каркасы якоря, а затем на отрицательную щетку и на минус источника тока.

В результате взаимодействия магнитного поля с обмотками возбуждения и токоведущими каркасами якорь начинает вращаться.

Это классический электродвигатель. Но технологии не стоят на месте.

Поэтому в современных электродвигателях обмотки возбуждения не применяются. И ток сразу подается на отрицательные щетки якоря. Это позволяет избежать дальнейшего нагрева, что приводит к общему повышению качества системы.

Средний КПД электрических двигателей

Стоит отметить, что КПД двигателя постоянного (и переменного) тока меняется в зависимости от нагрузки:

1. На холостом ходу КПД 0%.
2. При нагрузке 25% КПД составляет 83%.
3. При нагрузке 50% КПД составляет 87%.
4. При нагрузке 75% КПД составляет 88%.
5. При нагрузке 100% КПД составляет 87%.

Одной из причин падения КПД является асимметрия токов, когда на каждую из трех фаз подается разное напряжение. Если, например, первая фаза имеет напряжение 410 В, вторая — 403 В, а третья — 390 В, то среднее значение будет равно 401 В.

Несимметрия в этом случае будет равна разнице между максимальным и минимальные напряжения на фазах (410 — 390), то есть 20 В. Формула КПД двигателя для расчета потерь будет иметь вид в нашей ситуации: 20/401*100=4,98%. Это означает, что мы теряем 5% КПД при работе из-за разницы напряжений в фазах.

Читайте также: Токовые клещи постоянного и переменного тока: основные отличия и как правильно выбрать

Общие потери и падение КПД

Существует множество негативных факторов, влияющих на падение КПД электродвигателя. Существуют определенные методы, позволяющие их определить. Например, можно узнать, есть ли разрыв, где мощность частично передается из сети на статор, а затем на ротор.

Потери в пускателе тоже имеют место, и они состоят из нескольких величин. Во-первых, это могут быть потери, связанные с вихревыми токами и перемагничиванием сердечников статора.

Если двигатель асинхронный, возникают дополнительные потери из-за зубьев в роторе и статоре. Вихревые токи также могут возникать в некоторых компонентах двигателя. Все это снижает КПД электродвигателя на 0,5%. В асинхронных двигателях учтены все потери, которые могут возникнуть во время работы. Поэтому диапазон КПД может варьироваться от 80 до 90%.

Автомобильные двигатели

История развития электродвигателей начинается с открытия закона электромагнитной индукции. По его мнению, индуктивный ток всегда движется таким образом, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. Именно эта теория легла в основу создания первого электродвигателя.

Современные модели основаны на том же принципе, но кардинально отличаются от первых экземпляров. Электродвигатели стали намного мощнее, компактнее, но самое главное, значительно увеличился их КПД.

Выше мы уже писали об экономичности электродвигателя, и по сравнению с двигателем внутреннего сгорания это потрясающий результат. Например, максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания достигает 45%.

Преимущества электрического двигателя

Высокий КПД – главное преимущество такого мотора. И если двигатель внутреннего сгорания более 50% своей энергии использует на обогрев, то в электродвигателе на обогрев идет небольшая часть энергии.

Другим преимуществом является малый вес и компактные размеры. Например, Yasa Motors создала двигатель весом всего 25 кг. Он способен выдавать 650 Нм, что является очень хорошим результатом. Также такие двигатели долговечны, не нуждаются в коробке передач. Многие владельцы электромобилей говорят об экономичности электродвигателей, что в какой-то степени логично.

Ведь при работе электродвигатель не выделяет никаких продуктов сгорания. Однако многие водители забывают, что для выработки электроэнергии необходимо использовать уголь, газ или обогащенный уран.

Все эти элементы загрязняют окружающую среду, поэтому экологичность электродвигателей – очень спорный вопрос. Да, они не загрязняют воздух во время работы. Для них это делают электростанции при производстве электроэнергии.

Повышение эффективности электродвигателей

Электродвигатели имеют некоторые недостатки, которые плохо сказываются на эффективности работы. Это слабый пусковой момент, высокий пусковой ток и несоответствие между механическим крутящим моментом вала и механической нагрузкой. Это приводит к снижению эффективности устройства.

Для повышения КПД стараются обеспечить нагрузку двигателя до 75% и более и повысить коэффициенты мощности. Существуют также специальные устройства для регулирования частоты подаваемого тока и напряжения, что также приводит к увеличению КПД и увеличению КПД.

Одним из самых популярных устройств для повышения КПД электродвигателя является устройство плавного пуска, ограничивающее увеличение пускового тока. Также целесообразно использовать преобразователи частоты для изменения скорости вращения двигателя путем изменения частоты напряжения.

Это приводит к снижению потребляемой мощности и обеспечивает плавный пуск двигателя, высокую точность регулировки. Увеличивается также пусковой момент, а при переменной нагрузке скорость вращения стабилизируется. В результате КПД электродвигателя повышается.

Максимальный КПД электродвигателя

В зависимости от типа конструкции КПД электродвигателей может варьироваться от 10 до 99 %. Все зависит от того, какой двигатель будет. Например, КПД двигателя насоса поршневого типа составляет 70-90%. Конечный результат зависит от производителя, конструкции устройства и т д. То же самое можно сказать и об экономичности кранового двигателя.

Если он равен 90 %, это означает, что 90 % потребляемой электроэнергии пойдет на выполнение механической работы, остальные 10 % пойдут на нагрев деталей. Тем не менее, есть наиболее удачные модели электродвигателей, КПД которых приближается к 100%, но не равен этому значению.

Возможен ли КПД свыше 100%?

Не секрет, что электродвигатели, КПД которых превышает 100 %, не могут существовать в природе, так как это противоречит основному закону сохранения энергии. Дело в том, что энергия не может появиться из ниоткуда и исчезнуть точно так же. Любому двигателю нужен источник энергии: бензин, электричество. Однако бензин не вечен, как и электричество, ведь их запасы нужно пополнять.

Но если бы существовал источник энергии, который не нужно было бы восполнять, вполне можно было бы создать двигатель с КПД более 100%. Русский изобретатель Владимир Чернышов показал описание двигателя, в основе которого лежит постоянный магнит, а его КПД, как уверяет сам изобретатель, составляет более 100%.

Гидроэлектростанция как пример вечного двигателя

Например, возьмем гидроэлектростанцию, где энергия вырабатывается за счет падающей с большой высоты воды. Вода вращает турбину, которая вырабатывает электричество. Падение воды осуществляется под действием земного притяжения.

И даже если совершить работу по производству электричества, земное притяжение не станет слабее, то есть сила притяжения не уменьшится. Затем вода испаряется под воздействием солнечного света и снова попадает в резервуар. Это завершает цикл. В результате была выработана электроэнергия и обновлена ​​себестоимость продукции.

Конечно, можно сказать, что солнце не вечно, это правда, но оно просуществует пару миллиардов лет. Что касается гравитации, то она постоянно работает, вытягивая влагу из атмосферы. Вообще говоря, гидроэлектростанция представляет собой двигатель, преобразующий механическую энергию в электрическую, а ее КПД составляет более 100 %.

Это дает понять, что не стоит останавливаться на поиске способов изготовления электродвигателя, КПД которого может быть более 100%. Ведь не только гравитацию можно использовать как неиссякаемый источник энергии.

Постоянные магниты как источники энергии для двигателей

Другой интересный источник — постоянный магнит, который не получает энергию ниоткуда, а магнитное поле не расходуется, даже когда вы работаете. Например, если магнит что-то притянет к себе, он совершит работу, и магнитное поле не ослабнет.

Это свойство уже не раз пытались создать так называемый вечный двигатель, но пока ничего более-менее нормального из этого не вышло. Любой механизм рано или поздно изнашивается, но сам источник, представляющий собой постоянный магнит, практически вечен.

Однако есть специалисты, утверждающие, что постоянные магниты со временем теряют свою силу в результате старения. Это неправда, но даже если бы это было правдой, вернуть его к жизни можно было бы всего одним электромагнитным импульсом. Двигатель, который будет требовать зарядки раз в 10-20 год, хотя и не может претендовать на вечность, очень близок к этому.

Уже было много попыток создать вечный двигатель на основе постоянных магнитов. Пока, к сожалению, удачных решений нет. Но с учетом того, что спрос на такие двигатели есть (просто быть не может), вполне возможно, что в ближайшем будущем мы увидим что-то очень близкое к модели вечного двигателя, который будет питаться от возобновляемой энергии.