Виды электродвигателей: классификация, принцип работы

Что собой представляет коллекторный электродвигатель

Длина двигателя постоянного тока зависит от класса. Например, если речь идет о двигателе 400 класса, то длина будет 40 мм. Отличие электроколлекторных двигателей от бесколлекторных аналогов заключается в простоте изготовления и эксплуатации, поэтому затраты будут ниже.

Их функция заключается в наличии щеточно-коллекторного узла, с помощью которого цепь ротора соединяется с цепями, расположенными в неподвижной части двигателя. Он состоит из расположенных на роторе контактов – коллектора и прижатых к нему щеток, расположенных вне ротора

Эти электродвигатели используются в радиоуправляемых игрушках: подачей напряжения на контакты такого двигателя от источника постоянного тока (того же аккумулятора) приводится в движение вал. А для изменения направления вращения достаточно изменить полярность подаваемого напряжения питания.

Небольшой вес и габариты, невысокая цена и возможность восстановления механизма щеточного коллектора делают эти электродвигатели наиболее применяемыми в бюджетных моделях, несмотря на то, что по надежности он значительно уступает бесщеточному, так как не исключено искрение, т.е чрезмерное нагрев подвижных контактов и их быстрый износ при попадании пыли, грязи или влаги.

Как правило, наносится маркировка, указывающая число оборотов коллекторного электродвигателя: чем она меньше, тем больше скорость вращения вала. Кстати, очень гибко регулируется. Но есть и быстроходные моторы этого типа, не хуже бесколлекторных.

Преимущества и недостатки бесколлекторных электродвигателей

В отличие от описанных, у этих электродвигателей подвижной частью является статор с постоянным магнитом (корпусом), а ротор с трехфазной обмоткой неподвижен.

К недостаткам этих двигателей постоянного тока можно отнести менее плавную регулировку частоты вращения вала, но они способны достигать максимальной скорости за доли секунды.

Бесколлекторный двигатель расположен в закрытом корпусе, поэтому он более надежен при неблагоприятных условиях эксплуатации, т.е ему не страшны пыль и влага. Кроме того, повышается надежность за счет отсутствия щеток, как и скорость вращения вала. В то же время конструкция двигателя более сложная, поэтому он не может быть дешевым. Цена по сравнению с коллектором в два раза выше.

Таким образом, коллекторный двигатель, работающий на переменном и постоянном токе, универсален, надежен, но дороже. Он легче и меньше, чем двигатель переменного тока той же мощности.

Так как двигатели переменного тока с питанием от сети 50 Гц не допускают высоких частот (выше 3000 об/мин), при необходимости используется коллекторный двигатель.

При этом ресурс ниже, чем у асинхронных двигателей переменного тока, что зависит от состояния подшипников и изоляции обмоток.

Как работает синхронный электродвигатель

Синхронные машины часто используются в качестве генераторов. Работает синхронно с частотой сети, так же с инвертором и датчиком положения ротора, это электронный аналог коллекторного двигателя постоянного тока.

Строение синхронного электродвигателя

Свойства

Эти двигатели не являются самозапускающимися механизмами, а требуют внешнего воздействия для разгона. Они нашли применение в компрессорах, насосах, прокатных машинах и подобном оборудовании, рабочая скорость которых не превышает пятисот оборотов в минуту, но необходимо увеличение мощности. Они имеют достаточно большие размеры, имеют «приличный» вес и высокую цену.

Запустить синхронный двигатель можно несколькими способами:

• Использование внешнего источника питания.
• Старт асинхронный.

В первом случае используют вспомогательный двигатель, которым может быть электродвигатель постоянного тока или трехфазный асинхронный двигатель. Изначально на двигатель не подается постоянный ток. Он начинает вращаться, достигая почти синхронной скорости. В этот момент подается постоянный ток. После замыкания магнитного поля связь с вспомогательным двигателем разрывается.

Во втором варианте необходимо установить в полюсные наконечники ротора дополнительную короткозамкнутую обмотку, пересекая которую вращающееся магнитное поле индуцирует в нем токи. Они при взаимодействии с полем статора вращают ротор. Пока не достигнет синхронной скорости. С этого момента крутящий момент и ЭДС уменьшаются, магнитное поле закрывается, отменяя крутящий момент.

Эти электродвигатели менее чувствительны, чем асинхронные, к колебаниям напряжения, обладают высокой перегрузочной способностью, сохраняют скорость неизменной при любой нагрузке на вал.

Однофазный электродвигатель: устройство и принцип работы

После запуска, использующий только одну обмотку статора (фазу) и не нуждающийся в собственном преобразователе, электродвигатель, работающий от однофазной сети переменного тока, является асинхронным или однофазным.

Однофазный электродвигатель имеет вращающуюся часть — ротор и неподвижную часть — статор, которая создает магнитное поле, необходимое для вращения ротора.

Из двух обмоток, размещенных в сердечнике статора под углом 90 градусов друг к другу, рабочая занимает 2/3 пазов. Другая обмотка, составляющая 1/3 дорожек, называется пусковой (вспомогательной).

Ротор также представляет собой короткозамкнутую обмотку. Стержни из алюминия или меди замыкаются на концах кольцом, а пространство между ними заполняется алюминиевым сплавом. Ротор может быть выполнен в виде полого ферромагнитного или немагнитного цилиндра.

Однофазный электродвигатель, мощность которого может быть от десятков ватт до десятков киловатт, применяется в бытовых приборах, устанавливается в деревообрабатывающих станках, на конвейерных лентах, в компрессорах и насосах.

Их преимуществом является возможность использования в помещениях, где нет трехфазной сети. По конструкции они мало чем отличаются от трехфазных асинхронных электродвигателей.

Виды электродвигателей: классификация

Строгой классификации электродвигателей не существует, но их можно различить по нескольким параметрам. Наиболее важными являются тип питания и наличие скользящего контакта. Эти позиции можно считать важными и более легкими для навигации.

Вообще типов электродвигателей не так много — синхронные, асинхронные, постоянного тока, вентильные. Это, наверное, все. Другое дело, что в большинстве «категорий» достаточно опций, существенно меняющих свойства и характеристики. Но это придется решать в отношении каждого дизайна.

Итак, рассмотрим виды электродвигателей по типу питающего напряжения. Они есть:

• постоянный ток;
• переменный ток:
  • однофазное питание;
  • трехфазное питание;
• универсальный.

Объяснений требует только универсальный тип. Такой электродвигатель может работать как на постоянном, так и на переменном напряжении. По сути, один тип представляет собой универсальный коллекторный двигатель с обмотками возбуждения. К электродвигателям переменного тока относятся синхронные, асинхронные. Коллектор и вентиль работают от постоянного тока.

Наиболее распространенные типы электродвигателей

По способу передачи мощности все электродвигатели можно разделить на две группы:

• с коллектором (кистью);
• без коллектора (бесщеточный).

Бесщеточные двигатели требуют меньше обслуживания, работают тише и надежнее. К ним относятся асинхронные с короткозамкнутым ротором (с приводом от переменного напряжения), вентильные (с приводом от постоянного напряжения). Остальные имеют коллектор и щетки, подающие напряжение на обмотки катушек.

Постоянного тока

Двигатели постоянного тока появились в конце 19 века. С некоторыми модификациями они используются и сегодня и, более того, пользуются популярностью. Например, вибрацию в современном смартфоне обеспечивает двигатель постоянного тока, очень маленький и с эффектом милливатт, но все же. Большинство игрушек также имеют такие моторы.

Но это не значит, что они не используются в серьезной технике, еще как используются. Самая мощная зубчатая рейка в качестве тяги на электровозах. Их мощность составляет сотни киловатт (более 800), питаются они напряжением 1,5 кВ.

Коллекторные

Коллекторный двигатель постоянного тока, как и любой другой, состоит из неподвижной (статор) и подвижной (якорь) частей. Статор имеет магнитные полюса. Для моделей с малой мощностью устанавливаются постоянные магниты, для мощных добавляются обмотки (называемые обмотками возбуждения), усиливающие магнитное поле.

Ротор представляет собой магнитопровод из металлических пластин, в пазы которых уложены витки медной проволоки — обмотки ротора. Концы обмоток ротора подведены к коллектору, представляющему собой медную пластину в виде цилиндрических секторов. Пластины изолированы друг от друга и от вала, к которому они прикреплены.

Концы обмоток подведены к коллекторным пластинам. Вторая часть коллекторного узла – графитовые щетки со щеткодержателем. Щетки прижимаются к пластинам коллектора, но не мешают вращению якоря.

Кисти получают энергию. В определенный момент они соприкасаются с парой пластин на коллекторе (редко бывает четыре щетки). Эта пара пластин соединена с обмотками ротора, то есть в обмотку через щетки подается ток. Вокруг якоря возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем статора. Результирующий вектор этого взаимодействия «толкает» якорь, заставляя его вращаться.

Вал вращается, щетки контактируют с другой парой пластин и передают потенциал на другие обмотки, которые толкают якорь дальше. Вот как работает коллекторный двигатель постоянного тока, и более подробно в предыдущей статье.

Универсальный

В большинстве бытовых приборов, работающих от сети, имеется универсальный коллекторный двигатель. Его отличия от описанных выше незначительны. Как одна и та же конструкция может работать как при постоянном, так и при переменном напряжении? Все из-за того, что в этой машине взаимодействуют магнитные поля полюсов и обмотки ротора.

Всем известно, что легко изменить направление вращения якоря: нужно изменить полярность полюсов или ротора. А что произойдет, если вы поменяете их прямо здесь и сейчас? Ничего такого. Якорь будет продолжать двигаться в том же направлении. На этом основана работа коллекторного электродвигателя на переменном токе

Обмотки возбуждения и якоря соединены последовательно так, что полярность подачи питания на них меняется практически одновременно. Единственное, что пришлось изменить в универсальном двигателе, это сделать сердечник якоря многослойным. Это необходимо для стабилизации взаимодействия магнитных полей якоря с полюсами (с обмотками возбуждения).

Достоинства, недостатки, область применения

Почему коллекторные двигатели устанавливаются на большинстве бытовой и строительной техники? На это есть несколько причин. Во-первых: они могут разгоняться до высоких скоростей — до 10 тысяч об/мин. По сравнению с 3 тыс об/мин, которые развивают его ближайшие конкуренты асинхронно, и это очень хорошо. Другая причина их популярности заключается в том, что ими легко управлять.

Скорость вращения напрямую зависит от приложенного напряжения, а момент от тока якоря. До появления полупроводников и создания преобразователей частоты это был единственный тип электродвигателя, который позволял легко и точно регулировать скорость.

Третьей причиной широкого использования является простота конструкции и относительно невысокая цена. В-четвертых, они могут иметь хороший крутящий момент даже на низких оборотах.

Все эти свойства определили широкий спектр применения коллекторных двигателей постоянного тока. Встречаются на стиральных машинах, дрелях, миксерах и т д. Везде, где требуются высокие обороты, возможность плавной регулировки, хороший крутящий момент.

Но наличие кистей, которые сверкают и размываются, вносят свои коррективы. Этот узел требует постоянного ухода, часто нужно менять щетки, чистить коллектор. Кроме того, она является причиной еще двух неприятных моментов. Во-первых, шумная работа.

Для строительной техники или промышленного оборудования это может быть не особо критично, но для бытовой техники это существенный минус. Вторая проблема заключается в том, что щетки перескакивают с одной пары на другую, так что потребление тока получается импульсным, что плохо влияет на параметры тока и создает радиопомехи.

Это влияет на радиоуправляемые устройства поблизости. Это не только игрушки, но и различные виды пультов дистанционного управления. Для сглаживания этих скачков на входе ставятся конденсаторы, они сглаживают пульсации и убирают помехи.

Вентильные электродвигатели

Эти моторы еще называют реактивными вентилями, бесколлекторными или бесколлекторными. Существует два типа бесколлекторных двигателей — «обычные» и с самовозбуждением. При этом они различаются как по устройству, так и по функциям.

Клапанные двигатели, независимо от типа, обеспечивают электронное управление

Вентильно-индукторный двигатель

Если сравнивать типы электродвигателей по размерам, вентильные двигатели будут самыми маленькими. Что характерно, работают они от постоянного тока, и от него питаются обмотки статора, ротор не имеет обмоток, а сделан из постоянных магнитов.

Кроме того, и ротор, и статор имеют зубчатую структуру. В «комплект» входит датчик холла, небольшой современный контроллер, определяющий положение ротора и в зависимости от его положения подающий ток на ту или иную пару обмоток на статоре. То есть бесколлекторный двигатель управляется электронным блоком

Принцип работы, наверное, уже ясен. На пару обмоток подается ток, вокруг нее возникает магнитное поле. Ближайший к магниту полюс притягивается этим полем. Затем питание переключается на следующую пару обмоток, туда притягивается магнит. Так вращается ротор.

Чем быстрее изменяется мощность, тем выше скорость вращения ротора. Как видите, никаких щеток, только магнитная индукция. В этом главный плюс, а минус в «пульсирующем» характере крутящего момента.

Поскольку вентильные асинхронные двигатели на транспорте не используются, мало кому понравится, если колеса крутятся рывками. Тем не менее, рассматривая эти типы электродвигателей, приходим к выводу, что этот имеет четыре существенных преимущества: простая конструкция, хорошая регулировка оборотов, отсутствие коллектора и четвертое — малые габариты. Все это позволяет им в ряде случаев заменить асинхронные двигатели.

С независимым возбуждением

Этот тип электродвигателя следует выделить отдельно, так как он существенно отличается как по конструкции, так и по характеристикам и области применения. Начнем с того, что ротор состоит из двух отдельных магнитных пакетов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Полюса двух пакетов ориентированы так, что результирующий крутящий момент равен нулю (согласованное положение).

Обмотка возбуждения крепится к статору, хотя и намотана на ротор, но не касается его. Магнитная статорная система также собирается из металлических листов. По характеру трехфазные распределенные, трехфазные обмотки со смещением относительно друг друга на 120°. Обмотка статора немного больше или того же размера, что и собранный ротор (оба пакета охвачены магнитным полем).

Питание подается на одну из обмоток статора. Индуцированное поле в роторе вращает его так, что оно совпадает с полем статора. Причем поле индуцируется одновременно в двух пакетах, благодаря чему движение не такое резкое, как в предыдущей модели. Ток переключается на следующую обмотку, вращение продолжается.

Чем хорош этот тип электродвигателя? Есть много плюсов. Легко управлять скоростью вращения, как и у синхронных машин с обмоткой возбуждения, доступно векторное управление. Вы можете увеличивать или уменьшать скорость, регулировать момент. В нем нет магнитов, которые стоят немало, да еще и размагничиваться можно.

И еще плюс, нет коллекторов и щеток. Минус все же есть. Этот тип электродвигателя нельзя запитать напрямую от сети – необходим преобразователь. И все же он имеет более сложную конструкцию, чем описанный выше вариант. Но крутящий момент более плавный и почти линейный.

Читайте также: Проверка молниезащиты

Переменного тока

Двигатели переменного тока бывают синхронными и асинхронными. Чем отличаются эти типы двигателей? Отличие в том, что у синхронных моделей ротор вращается с той же скоростью, что и поле статора, у асинхронных моделей скорость ротора другая.

Различают два типа двигателей переменного тока — с синхронным и асинхронным вращением ротора

Асинхронный двигатель переменного тока

В устройствах с питанием от трехфазной сети обычно устанавливают асинхронные двигатели. Так они в производстве. В этих машинах статор имеет отдельную электромагнитную систему. Пластины вставляются внутрь корпуса, в пазы, в которых размещены фазные обмотки. Обычно в статоре три фазы, но может быть и две, а может быть и много.

Ротор может быть двух типов — короткозамкнутый или фазный. КЗ может быть полностью металлическим (последние модели) или состоять из «беличьей» клетки с промежутками между стержнями клетки, заполненными алюминием. Ротор вставляется в статор, между ними оставляют минимальный зазор, не более пары миллиметров, даже у самых мощных. На статор подается напряжение, которое создает вращающееся магнитное поле.

Ротор попадает в зону действия магнитного поля, в нем индуцируются токи. Результирующее поле имеет определенное направление, поэтому ротор начинает вращаться. Так как поле возникает за счет индукции, то между ротором и статором нет электрического контакта, нет коллектора и щеток. Вал фиксируется только в крышках статора на подшипниках. Этот мотор относится к группе бесщеточных (бесколлекторных).

Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет коллекторный блок. На валу установлен магнитопровод из установочных пластин с ячейками для трехфазных обмоток. Через коллекторный блок к обмоткам подается ток, в них в свою очередь возникает магнитное поле, которое встраивается в магнитное поле статора. Это приводит к вращению.

Особенности однофазных моделей

В однофазном асинхронном двигателе в статоре расположены две обмотки: она фазная, другая вспомогательная или пусковая. Необходимо «разогнать» ротор, чтобы придать ему начальное вращение. Для обеспечения «запаздывания» через конденсатор включается пусковая обмотка.

Поэтому часто этот тип асинхронного двигателя называют конденсаторным двигателем. Хотя двигатель на самом деле все тот же асинхронный, но двухфазный.

Такие двигатели не могут развивать достаточный крутящий момент, поэтому их применяют там, где в этом нет необходимости, например в вытяжных вентиляторах. Другие типы электродвигателей в этой области не используются, так как здесь не нужен большой крутящий момент.

Достоинства, недостатки, область применения

Как уже упоминалось, популярны асинхронные двигатели, в основном это модели с короткозамкнутым ротором. Есть несколько плюсов. Во-первых, отсутствует коллектор, что упрощает конструкцию, двигатель требует более простого и менее частого обслуживания.

Во-вторых, их можно подключать напрямую к сети. При пуске резко возрастает потребляемая мощность (в 3-7 раз по сравнению с номинальной), но такие перегрузки допускаются. В-третьих, конструкция проста и поэтому дешева.

Область применения асинхронных двигателей в промышленных процессах, оборудовании. Особенно там, где нет необходимости в высоких скоростях и скоростных переключениях. Максимальная скорость, которую может развить такой двигатель, составляет 3 тысячи об/мин. Не много, но достаточно для большей части оборудования.

Скорость такого двигателя плохо регулируется. Можно снизить напряжение и скорость уменьшится. Однако, если напряжение слишком низкое, скорость ротора будет отставать от скорости магнитного поля, что вызовет перегрев и двигатель может сгореть.

Область применения двигателей переменного тока — для привода оборудования на производстве

В настоящее время решается проблема регулирования скорости асинхронных двигателей. Их используют совместно с преобразователями частоты, питая от них напряжение, или это устройство встраивают в конструкцию, добиваясь так называемых инверторных двигателей.

В большинстве случаев это асинхронные схемы, которые работают через встроенный преобразователь. Он позволяет изменять скорость в еще более широком диапазоне, чем позволяет двигатель постоянного тока. Тем более, что момент тоже можно регулировать, исчезает проблема пусковых токов, так же можно «мягко» заглушить двигатель».

Синхронные электродвигатели

Статор синхронного двигателя переменного тока выполнен почти так же, как и асинхронный. Разница между ними заключается в узле ротора. Он состоит из постоянных магнитов. Они могут быть внешними или встроенными. Так можно выделить типы электродвигателей, синхронные от асинхронных, от роторных.

Когда обмотки статора активируются, образуется вращающееся магнитное поле. Магнитное поле ротора постоянно, и при их взаимодействии возникает момент, который «толкает» ротор. В процессе работы постоянное поле магнитов на роторе «сцепляется» с вращающимся магнитным полем статора, так как скорости их вращения одинаковы и скорость вращения ротора легко регулируется.

Но это явление затрудняет запуск. Ротор будет «зацепляться» с полем статора только в том случае, если он имеет одинаковую скорость.

Ротор синхронного двигателя постоянного тока состоит из магнитов

Синхронные двигатели имеют одну проблему – их трудно запустить. Скорость вращения ротора должна быть равна скорости поля статора или около того, или не быть вовсе. Сразу же, со старта, он просто не сможет развить такую ​​скорость, потому что поле статора просто «ускользает».

В результате ротор вначале просто вибрирует, но не вращается. Говорят, что двигатель «рассинхронизирован». Проблема обычно решается устройством на роторе специальной пусковой обмотки асинхронного типа. С его помощью вал разгоняется, затем отключается пусковая обмотка, а постоянное поле магнитов синхронизирует скорость вращения.

Достоинства, недостатки, применение

Как вы, наверное, уже поняли, скорость синхронного двигателя никак не регулируется. В некотором смысле вы можете изменить скорость магнитного поля статора, и она зависит от частоты. До изобретения полупроводниковых приборов это было сложно, хлопотно и неэффективно. Несмотря на стабильность работы, простую конструкцию, использовались они мало.

Во-первых, бегать сложно; во-вторых, нет возможности регулировать скорость. Другие типы электродвигателей были более популярны.

С изобретением преобразователя частоты проблема исчезла. Частоту трехфазного тока с их помощью можно изменять от 1 Гц до 500 Гц, поэтому пределы регулировки асинхронного двигателя также могут быть более чем значительными. При этом характеристики этой «пары» почти такие же, как у двигателей постоянного тока. Поэтому синхронные двигатели с преобразователями частоты сейчас активно вытесняют другие типы электродвигателей, например, их ставят вместо коллекторного привода.

Пример тому – стиральные машины с прямым приводом, холодильники. Также стали меняться двигатели постоянного тока, появились новые электропоезда с синхронными двигателями и преобразователями частоты.

Виды электродвигателей: какой лучше

Описаны только основные типы электродвигателей и даны краткие характеристики, очень кратко описано устройство и принцип действия. Тем не менее, уже сейчас можно сделать выводы, что идеального решения просто нет, причем на все случаи жизни. Именно он наиболее подходит для каждого отдельного случая.

• Асинхронный двигатель без частотного регулирования – лучший выбор для насосов.
• Коллекторный двигатель с регулируемой частотой вращения незаменим для дрелей и пылесосов. И так, в последнее время стали делать с клапанами, они без щеток, что делает работу тише, срок службы больше, хотя и цена выше. Итак, вот как ты выглядишь.
  Подбирать тип электродвигателя необходимо для каждого индивидуального случая
• Для вентиляторов с длительным режимом работы приходится выбирать между асинхронными и вентильными. Но только если они не слишком мощные. Для мощных важна возможность разделения на секции, а это проще реализовать с клапанами. И даже на кулерах в последнее время стали использовать вентили с магнитными роторами.

В общем, чтобы ответить, что лучше, необходимо учитывать всю совокупность условий и особенностей работы. Учитывайте достоинства и недостатки, перебирайте все типы электродвигателей, и только так можно найти лучший.