Двигатели электрические: Применение электродвигателей в бытовой технике | Полезные статьи

Номинальная механическая мощность

Этот параметр электродвигателя записывается в паспортную табличку и измеряется в киловаттах. На фото характеристик электродвигателей показан внешний вид паспортной таблички (шильдика).

Номинальная механическая мощность относится к валу электродвигателя, и это понятие отличается от электрической мощности, рассчитываемой в зависимости от количества потребляемой электроэнергии.

Например, если на шильдике указана мощность 2200 ватт, это означает, что при оптимальной скорости работы устройство в секунду производит механическую работу, равную 2200 джоулей.

Номинальная активная электрическая мощность

Следующая характеристика двигателей переменного тока рассчитывается с помощью значения КПД, которое также указано на паспортной табличке. Чем больше КПД, тем больше мощности из сети переводится в механическую мощность движения вала. Допустим, если КПД равен 80%, то номинальная активная мощность равна 2200/0.8 = 2750 Вт.

Номинальная полная электрическая мощность

Для ее нахождения используется косинус фи, который прописан на шильдике электродвигателя. Полная электрическая мощность равна отношению активной мощности и косинуса фи. При косинусе фи равном 0,87 полная мощность равна 2750/0,87=3160 Вт.

Номинальная реактивная электрическая мощность

Мощность, которая возвращается в электрическую сеть, называется реактивная мощность. Она рассчитывается как квадратный корень из разности квадратов полной и активной электрической мощностей. В нашем примере она равна 2750 ВАР (вольт-ампер реактивных).

Механические характеристики электродвигателей также важны при выборе и покупке устройства. Рассмотрим правила, по которым они рассчитываются.

Частота вращения ротора

Для вычисления этого параметра электродвигателей нам понадобится частота переменного тока и количество оборотов в минуту при оптимальной нагрузке. Пусть в паспортной табличке указаны следующие данные: частота тока составляет 50 Гц, а количество оборотов – 2800.

Переменный ток создает магнитное поле, которое имеет частоту 50*60=3000 оборотов в секунду. Известно, что электродвигатель асинхронный, а это означает, что наблюдается отставание от номинальной частоты вращения на некоторую величину. Назовем ее скольжением и обозначим за s.

Величина скольжения определяется следующей формулой: s = ((3000 – 2800) / 3000) * 100% = 6,7%.

Угловая скорость

Следующей немаловажной характеристикой асинхронного электродвигателя является угловая скорость. Для того, чтобы ее вычислить, в первую очередь нужно перевести частоту вращения ротора в другие единицы измерения. Сначала посчитаем количество оборотов в секунду: 2800 / 60 = 46,7.

Далее нужно умножить полученное число на 2 Пи: 46,7 * 2 * 3,14 = 293,276 радиан в секунду. Полученная величина характеризует угловую скорость электродвигателя. Иногда, для удобства вычислений, угловую скорость переводят в градусы. Получаем: 46,7 * 360 = 16812 градусов в секунду.

Асинхронный низкооборотистый электродвигатель на 220 вольт

Двигатели есть у любого прибора или устройства. Они необходимы, чтобы преобразовывать электричество в механическую энергию. В этой статье рассказывается о том, что такое малогабаритные электродвигатели переменного тока 220 В и где они применяются.

Что такое электродвигатель на 220 В

Однофазный двигатель представляет собой электрическое устройство, которое питается от сети. Его особенностями являются наличие 1-фазной обмотки и способность функционировать без преобразователя частот.

Обратите внимание! Наиболее распространённый и популярный пример — мотор на 220 В. Его используют преимущественно для оснащения оборудования бытового назначения небольшой мощности.

Технические характеристики электродвигателя на 220 В

Однофазные электродвигатели 220 В, схемы подключения которых будут рассмотрены далее, имеют ряд отличительных от других разновидностей оборудования особенностей. Они оснащены специальным устройством. На их статоре есть однофазная обмотка. Она занимает две из пяти точек абсолютно каждого полюса двигателя.

Короткозамкнутым путем чаще всего приводится в движение ротор. Есть два встроенных редуктора. Это червячный и цилиндрический типы узлов. Статорная обмотка подключается к источнику электроэнергии, при этом создается магнитное поле. Трансформатор индуцирует ток в роторных проводах. Ось его будет не совпадать со статором.

Обратите внимание! Чем проще конструкция оборудования, тем долговечнее его срок эксплуатации. Поэтому стоит отдавать предпочтение моторам с представленными конструктивными особенностями.

Принцип работы электродвигателя на 220 В

Переменный электроток создаёт магнитное поле в статоре, которое имеет два своих поля. Они одинаковы по амплитуде, частоте, но разнонаправленные. Эти поля воздействуют на неподвижный ротор, и вследствие того, что поля разнонаправленные, ротор начинает вращаться. При отсутствии в моторе пускового механизма ротор будет стоять на месте.

Важно! Ротор, начав вращение в одну сторону, будет вращаться далее в этом же направлении.

Сфера применения

Электромоторы этого типа находят применение в основном в маломощных устройствах: бытовой технике, вентиляторах низкой мощности, насосах, станках для обработки сырья и т. п. Выпускаются модели с мощностью от 5 Вт до 10 кВт.

Значения КПД, мощности и пускового момента у однофазных моторов существенно ниже, чем у трехфазных устройств тех же размеров. Перегрузочная способность также выше у двигателей с 3 фазами. Так, мощность однофазного механизма не превышает 70 % мощности трехфазного того же размера.

Обратите внимание! Такие электромоторы нашли широкое применение в бытовых стиральных машинах, бетономешалках, строительном электроинструменте, кухонных многофункциональных комбайнах, деревообрабатывающих и сверлильных станках и другом бытовом оборудовании.

Асинхронные электрические двигатели также применяются для приводов различных крановых установок промышленного назначения, всевозможных грузовых лебедок и прочих устройств, которые применяются в производстве. Электромоторы переменного тока имеют огромное значение для многих отраслей промышленности. Асинхронные агрегаты могут быть с преобразовательным устройством в виде коллектора (коллекторный электродвигатель 220 В) или не иметь его (бесколлекторные электромоторы).

Устройство электродвигателя на 220 вольт

Фактически имеет 2 фазы, но работу выполняет лишь одна из них, поэтому моторчик называют однофазным. Как и любые электромашины, однофазный электродвигатель имеет в составе два основных элемента, ротор и статор. Они представляют из себя асинхронный электромотор на неподвижном элементе, в котором находится одна рабочая обмотка, подсоединяемая к источнику однофазного тока.

К преимуществам электромотора этого вида относят легкость конструкции, которая состоит из ротора с короткозамкнутой обмоткой. К минусам — низкие показатели пускового момента и коэффициент полезного действия. К основному недостатку однофазного тока также относят нереальность генерирования им магнитного поля, создающего вращение.

Важно! Чтобы образовалось магнитное поле, крутящее ротор, на статоре должны быть как минимум две обмотки (фазы).

Необходим также сдвиг одной обмотки под небольшой угол относительно второй. В процессе работы выполняется обтекание обмоток переменными электрополями. Из-за этого на неподвижном элементе однофазного электромотора находится так называемая пусковая обмотка. Она передвигается на 60° по отношению к рабочей обмотке.

В роли основного элемента для статора и ротора применяется электротехническая сталь 2212.

Обратите внимание! Неверно называть однофазными такие электродвигатели, которые по своему строению являются 2- и 3-фазными, но подключаются к однофазному источнику питания посредством схем согласования (конденсаторные электромоторы). Обе фазы таких устройств являются рабочими и включены все время.

Плюсы и минусы электродвигателя

Преимуществ перед ДВС у электродвигателя много:

• малый вес и достаточно компактные размеры. К примеру, инженеры Yasa Motors разработали мотор весом 25 кг, который может выдавать до 650 Нм;
• долговечность, простая эксплуатация;
• экологичность;
• максимальный крутящий момент доступен уже с 0 об/мин;
• высокий КПД;
• нет необходимости в коробке передач. Хотя, по мнению специалистов, электромобилю она не помешает;
• возможность рекуперации.

Электродвигатель: понятие, типы

Электродвигатель — это электрическая машина, в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Существует несколько типов электродвигателей: синхронные, асинхронные и двигатели постоянного тока.

Синхронные двигатели

Синхронные двигатели имеют большую мощность (50-100кВт и более), по сравнению с другими двигателями, применяются на металлургических заводах, в шахтах и других предприятиях, служат для приведения в движения насосов, компрессоров, вентиляторов, двигательно-генераторных установок и др.

Особенностью синхронных электродвигателей определяющей их функциональные возможности и области применения, является постоянство средней частоты вращения при неизменной частоте, амплитуде напряжения питания и колебания момента нагрузки. Следовательно, при снижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, а возможность форсировки возбуждения увеличивает надежность работы при аварийных понижениях напряжения. Большой воздушный зазор и применение постоянных магнитов делает КПД синхронных двигателей выше.

Синхронный двигатель состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. В пазах статора размещена обмотка переменного тока, получающая питание от сети, а в роторе – обмотка постоянного тока. Электродвигатели вращают, ротор синхронно с магнитным полем питающего напряжения. Расположенная на роторе обмотка возбуждения получает питание от источника постоянного тока через контактные кольца. В основном применяются на приводах большой мощности. Мощность такого электродвигателя достигает несколько десятков мегаватт.

Имея столько достоинств, синхронные двигатели имеют ограничение в применении — сложностью конструкций, наличием возбудителя, высокой ценой и сложностью пуска.

Асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели подразделяются на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. Электродвигатели мощностью больше 0,5 кВт обычно выполняются трехфазными, а при меньшей мощности однофазными.

Асинхронные электродвигатели применяются в станкостроении, сельском хозяйстве, деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности, строительной технике и др. Такие электродвигатели давно известны отечественному рынку. Эти электродвигатели имеют не высокую стоимость, неприхотливы в обслуживании и просты в конструкции.

При выборе асинхронного электродвигателя необходимо учитывать два фактора: КПД преобразования энергии и тип исполнения агрегата. Существует множество аналогов электродвигателей марки АИР (АИР марка электродвигателей, которая не привязана к определенному заводу), например новые современные электродвигателе 5АИ. В работе этого оборудования используются менее шумные подшипники, повышенная степень защиты: исполнение IP55, резьбовое отверстие в торце вала и др.

Принцип действия двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам статора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля, при условии, что частота вращения ротора меньше частоты вращения поля. Асинхронные электродвигатели потребляют реактивную мощность из сети. Предел применения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором определяется мощностью системы электроснабжения конкретного предприятия, так как большие пусковые токи при малой мощности системы создают большие понижения напряжения.

Двигатели постоянного тока

Принцип работы основан на электромагнитном преобразовании энергии. Широко применяются в промышленности, транспортных и других установках, где требуется плавное регулирование скорости вращения (прокатные станы, мощные металлорежущие станки, электрическая тяга на транспорте и т. д.).

Различаются двигатели с параллельным, независимым, последовательным и смешанным возбуждением.

• Двигатели постоянного тока с независимым или параллельным возбуждением, подключенные к сети с постоянным напряжением, может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме и переходить из одного режима работы в другой. Двигатели с параллельным возбуждением имеют параллельное подключение обмотки возбуждения с обмоткой якоря к сети. Если в двигателе обмотка якоря и обмотка возбуждения подключены к источникам питания с различными напряжениями, то его называют двигателем с независимым возбуждением. Такие двигатели применяют в электрических приводах, у которых питание обмотки якоря осуществляется от генератора или полупроводникового преобразователя.
• Двигатели с последовательным возбуждением широко применяются в различных электрических приводах, особенно там, где имеется изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.).
• Двигатель со смешанным возбуждением, благодаря магнитному потоку создает совместное действие двух обмоток возбуждения – параллельной и последовательной.

Электродвигатель — Технический центр Эдисона

2.a) Детали электродвигателя:

Есть много видов электродвигателей, но в целом они имеют похожие детали. Каждый мотор имеет статор , который может быть постоянным магнитом (как показано в «универсальном двигателе» выше) или намотанными изолированными проводами (электромагнит, как на фото вверху справа).Ротор находится посередине (большую часть времени) и подлежит к магнитному полю создается статором. Ротор вращается, поскольку его полюса притягиваются и отталкиваются полюсами статора. Смотрите наши видео ниже, показывающее, как это работает. В этом видео рассматривается бесщеточный двигатель постоянного тока, ротор которого находится снаружи, в других двигателях. тот же принцип обратный, с электромагнитами снаружи. Видео (1 минута):

Мощность мотора:
Сила двигателя (крутящий момент) определяется напряжением и длина провода электромагнита в статоре, чем длиннее провод (что означает больше катушек в статоре), тем сильнее магнитное поле.Это означает больше мощности для повернуть ротор. Смотрите наше видео, которое относится как к генераторам, так и к двигателям. Узнать больше.

Арматура — вращающаяся часть двигателя — это раньше называлось ротором, это поддерживает вращающиеся медные катушки. На фото ниже вы не видите катушки, потому что они плотно заправлены в якорь. Гладкий корпус защищает катушки от повреждений.

Вверху: В этом статоре отчетливо видны четыре отдельные катушки (якорь был удалено)

Обмотка или «Катушка» — медные провода, намотанные на сердечник для создания или получить электромагнитную энергию.

Провода, используемые в обмотки ДОЛЖНЫ быть изолированы. На некоторых фото вы увидите, что выглядит как обмотки из голого медного провода, это не так, это просто эмалированная с прозрачным покрытием.

Медь это самый распространенный материал для обмоток. Алюминий также используется но должен быть толще, чтобы нести такую ​​же электрическую безопасно загружать.Медные обмотки позволяют использовать двигатель меньшего размера. Подробнее о меди>

Перегорание мотора, поиск неисправностей:
Если двигатель работает слишком долго или с чрезмерной нагрузки, он может «сгореть». Это означает, что высокая температура вызвала изоляция обмотки может сломаться или оплавиться, а затем обмотки закорочены когда они касаются друг друга, и двигатель выходит из строя. Вы также можете сжечь двигатель, подав на него большее напряжение, чем обмоточные провода рассчитаны на.В этом случае провод расплавится в самом слабом месте, разорвав соединение. Вы можете проверьте двигатель, чтобы увидеть, не перегорел ли он таким образом, проверив сопротивление (сопротивление) с помощью мультиметра. Как правило, при проверке двигателя вы должны искать черные метки на обмотках.

Squirrel Cage

Электродвигатель | Британника

Самый простой тип асинхронного двигателя показан на рисунке в разрезе.Трехфазный набор обмоток статора вставлен в пазы в железе статора. Эти обмотки могут быть подключены по схеме «звезда», обычно без внешнего подключения к нейтральной точке, или по схеме «треугольник». Ротор состоит из цилиндрического стального сердечника с проводниками, размещенными в пазах по всей поверхности. В наиболее обычной форме эти проводники ротора соединены вместе на каждом конце ротора проводящим концевым кольцом.

Поперечное сечение трехфазного асинхронного двигателя.

Основы работы асинхронного двигателя можно разработать, сначала предположив, что обмотки статора подключены к трехфазному источнику питания и что набор из трех синусоидальных токов, показанных на рисунке, протекает в обмотках статора. На этом рисунке показано влияние этих токов на создание магнитного поля в воздушном зазоре машины в течение шести моментов цикла. Для простоты показана только центральная токопроводящая петля для каждой фазной обмотки.В момент t ₁ на рисунке ток в фазе a является максимально положительным, а в фазах b и c — это половина отрицательного значения. Результатом является магнитное поле с приблизительно синусоидальным распределением вокруг воздушного зазора с максимальным значением наружу вверху и максимальным значением внутрь внизу. В момент времени t ₂ на рисунке (т. Е. Одна шестая цикла позже), ток в фазе c является максимально отрицательным, тогда как в фазе b и фазе a составляет половину значения положительный.В результате, как показано на рисунке для t ₂ , снова будет синусоидально распределенное магнитное поле, но повернутое на 60 ° против часовой стрелки. Исследование распределения тока для t ₃ , t ₄ , t ₅ и t ₆ показывает, что магнитное поле продолжает вращаться с течением времени. Поле совершает один оборот за один цикл токов статора. Таким образом, совокупный эффект трех равных синусоидальных токов, равномерно смещенных во времени и текущих в трех обмотках статора, равномерно смещенных в угловом положении, должен создать вращающееся магнитное поле с постоянной величиной и механической угловой скоростью, которая зависит от частоты электроснабжение.

Вращательное движение магнитного поля относительно проводников ротора вызывает индуцирование напряжения в каждом из них, пропорционального величине и скорости поля относительно проводников. Поскольку проводники ротора закорочены вместе на каждом конце, это приведет к тому, что в этих проводниках будут протекать токи. В простейшем режиме работы эти токи будут примерно равны индуцированному напряжению, деленному на сопротивление проводника.На этом рисунке показана диаграмма токов ротора для мгновенного t ₁ рисунка. Видно, что токи приблизительно синусоидально распределены по периферии ротора и расположены так, чтобы создавать вращающий момент против часовой стрелки на роторе (то есть вращающий момент в том же направлении, что и вращение поля). Этот крутящий момент ускоряет ротор и вращает механическую нагрузку. По мере увеличения скорости вращения ротора его скорость относительно скорости вращающегося поля уменьшается.Таким образом, индуцированное напряжение уменьшается, что приводит к пропорциональному снижению тока в проводнике ротора и крутящего момента. Скорость ротора достигает постоянного значения, когда крутящий момент, создаваемый токами ротора, равен крутящему моменту, необходимому на этой скорости для нагрузки, при отсутствии избыточного крутящего момента для ускорения объединенной инерции нагрузки и двигателя.

Вращающееся поле и токи, которые оно создает в короткозамкнутых проводниках ротора.

Механическая выходная мощность должна обеспечиваться входной электрической мощностью.Первоначальных токов статора, показанных на рисунке, достаточно для создания вращающегося магнитного поля. Чтобы поддерживать это вращающееся поле при наличии токов ротора, показанных на рисунке, необходимо, чтобы обмотки статора несли дополнительную составляющую синусоидального тока такой величины и фазы, чтобы нейтрализовать влияние магнитного поля, которое в противном случае могло бы возникнуть. токами ротора на рисунке. Полный ток статора в каждой фазной обмотке складывается из синусоидальной составляющей, создающей магнитное поле, и другой синусоиды, опережающей первую на четверть цикла, или 90 °, для обеспечения необходимой электроэнергии.Вторая, или силовая, составляющая тока находится в фазе с напряжением, приложенным к статору, в то время как первая, или намагничивающая, составляющая отстает от приложенного напряжения на четверть цикла или 90 °. При номинальной нагрузке эта намагничивающая составляющая обычно находится в диапазоне от 0,4 до 0,6 величины составляющей мощности.

Большинство трехфазных асинхронных двигателей работают с обмотками статора, подключенными непосредственно к трехфазному источнику питания постоянного напряжения и постоянной частоты. Типичное напряжение питания составляет от 230 В между фазами для двигателей относительно небольшой мощности (например,от 0,5 до 50 киловатт) до примерно 15 киловольт между фазами для двигателей большой мощности примерно до 10 мегаватт.

За исключением небольшого падения напряжения на сопротивлении обмотки статора, напряжение питания согласовано со скоростью изменения магнитного потока в статоре машины во времени. Таким образом, при питании с постоянной частотой и постоянным напряжением величина вращающегося магнитного поля остается постоянной, а крутящий момент примерно пропорционален силовой составляющей тока питания.

В асинхронном двигателе, показанном на предыдущих рисунках, магнитное поле вращается на один оборот за каждый цикл частоты питания. Для источника с частотой 60 Гц скорость поля составляет 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту. Скорость ротора меньше скорости поля на величину, достаточную для того, чтобы индуцировать необходимое напряжение в проводниках ротора для создания тока ротора, необходимого для момента нагрузки. При полной нагрузке скорость обычно на 0,5–5 процентов ниже полевой скорости (часто называемой синхронной скоростью), причем более высокий процент применяется к двигателям меньшего размера.Эта разница в скорости часто называется скольжением.

Другие синхронные скорости могут быть получены с источником постоянной частоты, построив машину с большим количеством пар магнитных полюсов, в отличие от двухполюсной конструкции, показанной на рисунке. Возможные значения скорости магнитного поля в оборотах в минуту: 120 f / p , где f — частота в герцах (циклов в секунду), а p — количество полюсов (которое должно быть четное число).Данный железный каркас может быть намотан для любого из нескольких возможных количеств пар полюсов с помощью катушек, охватывающих угол приблизительно (360/ p ) °. Крутящий момент, поступающий от рамы машины, останется неизменным, поскольку он пропорционален произведению магнитного поля и допустимого тока катушки. Таким образом, номинальная мощность рамы, являющаяся произведением крутящего момента и скорости, будет примерно обратно пропорциональна количеству пар полюсов. Наиболее распространенные синхронные скорости для двигателей с частотой 60 Гц — 1800 и 1200 оборотов в минуту.

Электродвигатель

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию .

Большинство электродвигателей работают за счет взаимодействия магнитных полей и проводников с током для создания силы. Обратный процесс, производящий электрическую энергию из механической энергии, осуществляется генераторами, такими как генератор переменного тока или динамо-машина; некоторые электродвигатели также могут использоваться в качестве генераторов, например, тяговый двигатель на транспортном средстве может выполнять обе задачи.Электродвигатели и генераторы обычно называют электрическими машинами.

Электродвигатели используются в самых разных областях, таких как промышленные вентиляторы, нагнетатели и насосы, станки, бытовые приборы, электроинструменты и дисководы. Они могут питаться от постоянного тока, например, . , портативное устройство или автомобиль с батарейным питанием, или переменным током от центральной распределительной сети или инвертора. Самые маленькие моторы можно найти в наручных электрических часах.Двигатели среднего размера с строго стандартизованными размерами и характеристиками обеспечивают удобную механическую мощность для промышленного использования. Самые большие электродвигатели используются для приведения в движение судов, трубопроводных компрессоров и водяных насосов мощностью в миллионы ватт. Электродвигатели можно классифицировать по источнику электроэнергии, по их внутренней конструкции, по их применению или по типу движения, которое они создают.

Физический принцип производства механической силы за счет взаимодействия электрического тока и магнитного поля был известен еще в 1821 году.Электродвигатели с повышенным КПД строились на протяжении 19 века, но коммерческое использование электродвигателей в больших масштабах требовало эффективных электрических генераторов и электрических распределительных сетей.

Некоторые устройства преобразуют электричество в движение, но в качестве основной цели не генерируют полезную механическую энергию, поэтому их обычно не называют электродвигателями. Например, магнитные соленоиды и громкоговорители обычно описываются как приводы и преобразователи, ^[1] соответственно, а не двигатели.Некоторые электродвигатели используются для создания крутящего момента или силы. ^[2]

История и развитие

Преобразование электрической энергии в механическую с помощью электромагнитных средств было продемонстрировано британским ученым Майклом Фарадеем в 1821 году. Свободно висящий провод был погружен в ванну с ртутью, на которую был помещен постоянный магнит. Когда через провод пропускали ток, он вращался вокруг магнита, показывая, что ток вызывает близкое круговое магнитное поле вокруг провода. ^[4] Этот двигатель часто демонстрируется на школьных уроках физики, но вместо токсичной ртути иногда используется рассол (соленая вода). Это простейшая форма класса устройств, называемых униполярными двигателями. Более поздняя доработка — колесо Барлоу. Это были только демонстрационные устройства, непригодные для практического применения из-за своей примитивной конструкции. ^{[ необходима ссылка ]}

В 1827 году венгерский физик Аньош Едлик начал экспериментировать с устройствами, которые он назвал «электромагнитными самовращающимися роторами». Хотя они использовались только в учебных целях, в 1828 году Джедлик продемонстрировал первое устройство, содержащее три основных компонента практических двигателей постоянного тока: статор, ротор и коммутатор. В устройстве не использовались постоянные магниты, так как магнитные поля как стационарных, так и вращающихся компонентов создавались исключительно токами, протекающими через их обмотки. ^{[6] [7] [8] [9] [10] [11]}

Первые электродвигатели

Первый электродвигатель постоянного тока коммутаторного типа, способный вращать механизмы, был изобретен британским ученым Уильямом Стердженом в 1832 году. ^[12] Следуя работе Стерджена, электродвигатель постоянного тока коммутаторного типа был создан с намерением коммерческого использования был построен американцами Эмили и Томасом Давенпортами и запатентован в 1837 году.Их двигатели работали со скоростью до 600 оборотов в минуту, они приводили в действие станки и печатный станок. ^[13] Из-за высокой стоимости цинковых электродов, необходимых для питания первичной батареи, двигатели не имели коммерческого успеха, и Davenports обанкротились. Несколько изобретателей последовали за Sturgeon в разработке двигателей постоянного тока, но все столкнулись с одними и теми же проблемами стоимости с питанием от первичной батареи. В то время не было развито распределение электроэнергии. Как и в случае с двигателем Стерджена, эти двигатели не имели практического коммерческого рынка. ^{[ необходима ссылка ]}

В 1855 году Джедлик построил устройство, основанное на принципах, аналогичных тем, которые использовались в его электромагнитных роторных двигателях, которое было способно выполнять полезную работу. ^{[6] [8]} В том же году он построил модель автомобиля с электродвигателем. ^[14]

Современный двигатель постоянного тока был изобретен случайно в 1873 году, когда Зеноб Грамм соединил изобретенную им динамо-машину со вторым аналогичным устройством, управляя им как двигателем. Машина Gramme была первым электродвигателем, получившим успех в отрасли. ^{[ необходима ссылка ]}

В 1886 году Франк Джулиан Спраг изобрел первый практический двигатель постоянного тока, неискрящий двигатель, способный работать с постоянной скоростью при переменных нагрузках. Другие электрические изобретения Sprague примерно в это время значительно улучшили распределение электроэнергии в сети (предыдущая работа была проделана, когда использовалась Томасом Эдисоном), позволили вернуть энергию от электродвигателей в электрическую сеть, обеспечив ее распределение между тележками через воздушные провода и опору троллейбуса. и предоставил системы управления для электрических операций.Это позволило Спрэгу использовать электродвигатели для изобретения первой системы электрических тележек в 1887–88 годах в Ричмонде, штат Вирджиния, электрического лифта и системы управления в 1892 году, а также электрического метро с вагонами с автономным приводом и централизованным управлением, которое было впервые установлено в 1892 году в Чикаго. около южной стороны надземной железной дороги, где он стал широко известен как «L». Двигатель Спрага и связанные с ним изобретения привели к взрыву интереса к электродвигателям и их использованию в промышленности, в то время как почти одновременно с этим другой великий изобретатель разрабатывал своего основного конкурента, который стал бы гораздо более распространенным.

В 1888 году Никола Тесла изобрел первый реально работающий двигатель переменного тока, а вместе с ним и систему многофазной передачи энергии. Тесла продолжил свою работу над двигателем переменного тока в последующие годы в компании Westinghouse.

Разработка электродвигателей с приемлемым КПД была отложена на несколько десятилетий из-за непонимания чрезвычайной важности относительно небольшого воздушного зазора между ротором и статором. Эффективные конструкции имеют сравнительно небольшой воздушный зазор. ^[15]

Св.Мотор Луи, долгое время использовавшийся в классах для демонстрации моторных принципов, крайне неэффективен по той же причине, а также совершенно не похож на современный мотор. Фотография традиционной формы мотора Сент-Луиса: [4]

Применение электродвигателей произвело революцию в отрасли. Промышленные процессы больше не ограничивались передачей энергии с использованием линейных валов, ремней, сжатого воздуха или гидравлического давления. Вместо этого каждая машина может быть оснащена собственным электродвигателем, обеспечивающим простое управление в месте использования и повышающим эффективность передачи энергии.Электродвигатели, применяемые в сельском хозяйстве, избавили людей и животных от таких задач, как обработка зерна или перекачивание воды. Использование электродвигателей в домашних условиях сократило объем тяжелого домашнего труда и сделало возможными более высокие стандарты удобства, комфорта и безопасности. Сегодня электродвигатели потребляют более половины всей производимой электроэнергии. ^{[16] [17]}

Терминология

В электродвигателе подвижная часть называется ротором , а неподвижная часть называется статором .Магнитные поля создаются на полюсах , и это могут быть выступающих полюсов , где они возбуждаются витками электрического провода. Заштрихованный полюс содержит индуктор для задержки фазы магнитного поля для этого полюса.

Коммутатор переключает ток на обмотки ротора в зависимости от угла ротора.

Двигатель постоянного тока питается от постоянного тока, хотя почти всегда имеется внутренний механизм (например, коммутатор), преобразующий постоянный ток в переменный для части двигателя.Электродвигатель переменного тока питается переменным током, что часто позволяет избежать использования коммутатора. Синхронный двигатель — это двигатель переменного тока, который работает со скоростью, фиксированной на долю частоты источника питания, а асинхронный двигатель — это двигатель переменного тока, обычно асинхронный двигатель, скорость которого снижается с увеличением крутящего момента до немного меньше, чем синхронная скорость. Универсальные двигатели могут работать как от переменного, так и от постоянного тока, хотя максимальная частота переменного тока может быть ограничена.

Принцип действия

Для изготовления электродвигателей используются как минимум 3 различных принципа работы: магнетизм, электростатика, пьезоэлектрический. Безусловно, наиболее распространенным является магнитный.

Магнитный

Почти все электродвигатели основаны на магнетизме. В этих двигателях магнитные поля образуются как в роторе, так и в статоре. Продукт между этими двумя полями создает силу и, следовательно, крутящий момент на валу двигателя. Одно или оба из этих полей должны изменяться при вращении двигателя.Это делается путем включения и выключения шестов в нужное время или изменения силы шеста.

Классификация

Основными типами являются двигатели постоянного и переменного тока, хотя продолжающаяся тенденция к электронному управлению несколько смягчает различие, ^{[ необходима ссылка ] [ сомнительно — обсудить ]} , поскольку современные драйверы переместили коммутатор из кожух двигателя для некоторых типов двигателей постоянного тока.

Учитывая, что все вращающиеся (или линейные) электродвигатели требуют синхронизма между движущимся магнитным полем и движущимся токовым слоем для создания среднего крутящего момента, существует четкое различие между асинхронным двигателем и синхронным типом.Асинхронный двигатель требует скольжения — относительного движения между магнитным полем (создаваемым статором) и набором обмоток (ротором) для индукции тока в роторе за счет взаимной индуктивности. Самый распространенный пример асинхронных двигателей — это обычный асинхронный двигатель переменного тока, который должен проскальзывать для создания крутящего момента.

В синхронных типах индукция (или скольжение) не является обязательным условием для производства магнитного поля или тока (например, двигатели с постоянными магнитами, синхронные бесщеточные электрические машины с двойным питанием ротора).

Номинальная выходная мощность также используется для классификации двигателей. Например, двигатели мощностью менее 746 Вт часто называют двигателями с дробной мощностью (FHP) в соответствии со старыми имперскими мерками.

Примечания:

1. Универсальные двигатели могут также работать с частотой сети переменного тока (вращение не зависит от частоты переменного напряжения)
2. Вращение синхронно с частотой переменного напряжения
3. Вращение всегда медленнее, чем синхронное.

Двигатели постоянного тока

Двигатель постоянного тока предназначен для работы от постоянного тока. Двумя примерами чистых конструкций постоянного тока являются униполярный двигатель Майкла Фарадея (что необычно) и двигатель на шариковых подшипниках, который (пока) является новинкой. Безусловно, наиболее распространенными типами двигателей постоянного тока являются щеточные и бесщеточные типы, в которых используется внутренняя и внешняя коммутация соответственно для реверсирования тока в обмотках синхронно с вращением.

Двигатели с постоянными магнитами

Основная статья: Электродвигатель с постоянными магнитами

Двигатель с постоянными магнитами не имеет обмотки возбуждения на раме статора, а вместо этого полагается на постоянные магниты, которые создают магнитное поле, с которым поле ротора взаимодействует для создания крутящего момента.Компенсирующие обмотки, включенные последовательно с якорем, могут использоваться на больших двигателях для улучшения коммутации под нагрузкой. Поскольку это поле является фиксированным, его нельзя настроить для управления скоростью. Поля с постоянными магнитами (статоры) удобны в миниатюрных двигателях, так как они исключают потребление энергии обмоткой возбуждения. Большинство более крупных двигателей постоянного тока относятся к типу «динамо», которые имеют обмотки статора. Исторически сложилось так, что постоянные магниты нельзя было заставить сохранять высокий магнитный поток, если бы они были разобраны; обмотки возбуждения были более практичными для получения необходимого количества магнитного потока.Однако большие постоянные магниты дороги, опасны и сложны в сборке; это благоприятствует намотанным полям для больших машин.

Для минимизации общего веса и размера в миниатюрных двигателях с постоянными магнитами могут использоваться высокоэнергетические магниты, сделанные из неодима или других стратегических элементов; большинство из них — сплав неодим-железо-бор. Благодаря более высокой плотности потока электрические машины с высокоэнергетическими постоянными магнитами, по крайней мере, конкурентоспособны со всеми оптимально сконструированными синхронными и индукционными электрическими машинами с однополярным питанием.Миниатюрные двигатели напоминают структуру на иллюстрации, за исключением того, что у них есть по крайней мере три полюса ротора (для обеспечения запуска, независимо от положения ротора), а их внешний корпус представляет собой стальную трубку, которая магнитно связывает внешние части изогнутых магнитов поля.

Двигатели постоянного тока с щетками

имеют переменный ток в роторе с обмоткой, также называемом якорем, с коллектором с разрезным кольцом и статором с обмоткой или постоянным магнитом. Коммутатор и щетки представляют собой долговечный поворотный переключатель. Ротор состоит из одной или нескольких катушек проволоки, намотанных на ламинированный «мягкий» ферромагнитный сердечник на валу; источник электроэнергии питает обмотки ротора через коммутатор и его щетки, временно намагничивая сердечник ротора в определенном направлении. Коммутатор переключает питание на катушки по мере вращения ротора, предотвращая полное совпадение магнитных полюсов ротора с магнитными полюсами поля статора, так что ротор никогда не останавливается (как это делает стрелка компаса), а скорее продолжает вращаться. пока подано питание.

Многие ограничения классического коллекторного двигателя постоянного тока связаны с необходимостью прижимания щеток к коммутатору. Это создает трение. Искры создаются щетками, замыкая и размыкая цепи через катушки ротора, когда щетки пересекают изолирующие промежутки между секциями коллектора. В зависимости от конструкции коммутатора, это может включать в себя замыкание щеток между соседними секциями — и, следовательно, концами катушки — на мгновение при пересечении промежутков. Кроме того, индуктивность катушек ротора заставляет напряжение на каждой из них повышаться при размыкании цепи, увеличивая искрение щеток.Это искрение ограничивает максимальную скорость машины, так как слишком быстрое искрение приведет к перегреву, разрушению или даже расплавлению коллектора. Плотность тока на единицу площади щеток в сочетании с их удельным сопротивлением ограничивает мощность двигателя. Замыкание и размыкание электрического контакта также вызывает электрический шум; искрение порождает радиопомехи. Щетки со временем изнашиваются и требуют замены, а сам коллектор подлежит износу и техническому обслуживанию (на более крупных двигателях) или замене (на небольших двигателях).Сборка коммутатора на большом двигателе — дорогостоящий элемент, требующий точной сборки многих деталей. В небольших двигателях коммутатор обычно постоянно встроен в ротор, поэтому его замена обычно требует замены всего ротора.

Хотя большинство коммутаторов имеют цилиндрическую форму, некоторые из них представляют собой плоские диски, состоящие из нескольких сегментов (обычно не менее трех), установленных на изоляторе.

Большие щетки желательны для большей площади контакта щеток, чтобы максимизировать мощность двигателя, но маленькие щетки желательны для малой массы, чтобы максимизировать скорость, с которой двигатель может работать без чрезмерного подпрыгивания щеток и искрения (сравнимо с проблемой «смещения клапана» «в двигателях внутреннего сгорания).(Маленькие щетки также желательны для более низкой стоимости.) Более жесткие щеточные пружины также могут использоваться, чтобы заставить щетки заданной массы работать с более высокой скоростью, но за счет больших потерь на трение (более низкая эффективность) и ускоренного износа щеток и коллектора. Следовательно, конструкция щетки двигателя постоянного тока предполагает компромисс между выходной мощностью, скоростью и эффективностью / износом.

Терминологические пояснения

Первыми практическими электродвигателями, использовавшимися для уличных железных дорог, были электродвигатели постоянного тока с коммутаторами.Электроэнергия подавалась на коммутаторы (сделанные из меди) с помощью медных щеток, но разница напряжений между соседними шинами коллектора, отличная проводимость медных щеток и искрение вызвали значительный ущерб уже после довольно короткого периода работы. Инженер-электрик понял, что замена медных щеток электрически резистивными твердыми угольными блоками продлит срок службы. Хотя этот термин больше не является описательным, угольные блоки продолжают называть «щетками» и по сей день.

Скульпторы, работающие с глиной, нуждаются в опорных конструкциях, называемых арматурами, для предотвращения провисания больших изделий под действием силы тяжести. Магнитные пластинки в роторе с обмотками также поддерживают катушки из изолированной медной проволоки. По аналогии, намотанные роторы стали называть «якорями». ^{[ необходима ссылка ]}

Коммутаторы, по крайней мере среди некоторых людей, которые работают с ними ежедневно, стали настолько привычными, что некоторые даже не осознают, что они представляют собой лишь особую разновидность поворотных электрических переключателей.Учитывая, как часто возникают и разрываются связи, у них очень долгий срок службы.

Есть пять типов щеточных двигателей постоянного тока:

• Двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой
• Двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой
Составной двигатель постоянного тока
• (две конфигурации):
  • Суммарное соединение
  • Дифференциально сложное
• Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами (не показан)
• Отдельно возбужденный (не показан)

Бесщеточные двигатели постоянного тока

В бесщеточной конструкции устранены некоторые проблемы щеточного двигателя постоянного тока.В этом двигателе механический «вращающийся переключатель» или узел коммутатора / щеточного устройства заменен внешним электронным переключателем, синхронизированным с положением ротора. Бесщеточные двигатели обычно имеют КПД 85–90% или более, КПД бесщеточного электродвигателя достигает 96,5%, как сообщается ^[18] , тогда как двигатели постоянного тока с щеточной передачей обычно имеют КПД 75–80%.

На полпути между обычными двигателями постоянного тока и шаговыми двигателями находится область бесщеточных двигателей постоянного тока. Построенные по принципу, очень похожему на шаговые двигатели, они часто используют внешний ротор с постоянными магнитами, три фазы приводных катушек, могут использовать датчики эффекта Холла для определения положения ротора и соответствующую приводную электронику.Катушки активируются, одна фаза за другой, управляющей электроникой в ​​соответствии с сигналами либо от датчиков эффекта Холла, либо от обратной ЭДС (электродвижущей силы) неприведенных катушек. Фактически, они действуют как трехфазные синхронные двигатели, содержащие собственную электронику частотно-регулируемого привода. Специализированный класс контроллеров бесщеточных двигателей постоянного тока использует обратную связь по ЭДС через основные фазовые соединения вместо датчиков Холла для определения положения и скорости. Эти двигатели широко используются в электромобилях с радиоуправлением.Когда они сконфигурированы с магнитами снаружи, разработчики моделей называют их двигателями внешнего хода.

обычно используются там, где необходимо точное управление скоростью, например, в дисководах компьютеров или кассетных видеомагнитофонах, в шпинделях приводов компакт-дисков, компакт-дисков (и т. Д.), А также в механизмах офисных изделий, таких как вентиляторы, лазерные принтеры. и копировальные аппараты. Они имеют ряд преимуществ перед обычными двигателями:

• По сравнению с вентиляторами переменного тока, использующими двигатели с экранированными полюсами, они очень эффективны и работают намного холоднее, чем эквивалентные двигатели переменного тока.Эта холодная операция приводит к значительному увеличению срока службы подшипников вентилятора.
• Без изнашиваемого коммутатора срок службы бесщеточного двигателя постоянного тока может быть значительно дольше по сравнению с двигателем постоянного тока, использующим щетки и коммутатор. Коммутация также имеет тенденцию вызывать большое количество электрических и радиочастотных помех; Бесщеточный двигатель без коммутатора или щеток может использоваться в электрически чувствительных устройствах, таких как аудиооборудование или компьютеры.
• Те же датчики на эффекте Холла, которые обеспечивают коммутацию, также могут обеспечивать удобный сигнал тахометра для приложений с замкнутым контуром (сервоуправлением).В вентиляторах сигнал тахометра может использоваться для получения сигнала «вентилятор исправен», а также для обеспечения обратной связи по скорости вращения.
• Двигатель можно легко синхронизировать с внутренними или внешними часами, что позволяет точно регулировать скорость.
У бесщеточных двигателей
• нет шансов на искрение, в отличие от щеточных двигателей, что делает их более подходящими для сред с летучими химическими веществами и топливом. Кроме того, искрение генерирует озон, который может накапливаться в плохо вентилируемых зданиях, опасаясь причинения вреда здоровью людей.
• Бесщеточные двигатели обычно используются в небольшом оборудовании, таком как компьютеры, и обычно используются в вентиляторах, чтобы избавиться от нежелательного тепла.
• Это также очень тихие двигатели с акустической точки зрения, что является преимуществом при использовании в оборудовании, подверженном вибрации.

Современные бесщеточные двигатели постоянного тока имеют мощность от долей ватта до многих киловатт. В электромобилях используются более мощные бесщеточные двигатели мощностью до 100 кВт. Они также находят значительное применение в высокопроизводительных электрических моделях самолетов.

Реактивные реактивные двигатели

Основная статья: Импульсный реактивный двигатель

Импульсный реактивный двигатель (SRM) не имеет щеток или постоянных магнитов, а ротор не имеет электрического тока. Вместо этого крутящий момент возникает из-за небольшого несовпадения полюсов ротора с полюсами статора. Ротор выравнивается с магнитным полем статора, в то время как обмотки статора поля статора последовательно возбуждаются для вращения поля статора.

Магнитный поток, создаваемый обмотками возбуждения, следует по пути наименьшего магнитного сопротивления, что означает, что магнитный поток будет проходить через полюса ротора, которые находятся ближе всего к находящимся под напряжением полюсам статора, тем самым увеличивая эти полюса ротора и создавая крутящий момент. Когда ротор вращается, различные обмотки будут запитаны, поддерживая вращение ротора.

Импульсные реактивные электродвигатели теперь используются в некоторых устройствах. ^[19] .

Двигатели постоянного тока без сердечника или железа

Ни один из описанных выше двигателей в принципе не требует, чтобы железные (стальные) части ротора действительно вращались.Если магнитомягкий материал ротора выполнен в виде цилиндра, то (за исключением эффекта гистерезиса) крутящий момент действует только на обмотки электромагнитов. Этим фактом пользуется двигатель постоянного тока без сердечника или железа , специализированная форма щеточного или бесщеточного двигателя постоянного тока. Эти двигатели, оптимизированные для быстрого разгона, имеют ротор без железного сердечника. Ротор может иметь форму цилиндра, заполненного обмоткой, или самонесущей конструкции, содержащей только магнитный провод и связующий материал.Ротор может помещаться внутри магнитов статора; магнитомягкий неподвижный цилиндр внутри ротора обеспечивает обратный путь для магнитного потока статора. Во второй конструкции корзина обмотки ротора окружает магниты статора. В этой конструкции ротор помещается внутри магнитомягкого цилиндра, который может служить корпусом для двигателя, а также обеспечивает обратный путь для магнитного потока.

Поскольку ротор намного легче по весу (массе), чем обычный ротор, сформированный из медных обмоток на стальных пластинах, ротор может ускоряться намного быстрее, часто достигая механической постоянной времени менее 1 мс.Это особенно верно, если в обмотках используется алюминий, а не более тяжелая медь. Но поскольку в роторе нет металлической массы, которая могла бы служить радиатором, даже небольшие двигатели без сердечника часто должны охлаждаться принудительным воздухом. Перегрев может быть проблемой для двигателей постоянного тока без сердечника.

Среди этих типов есть типы дискового ротора, более подробно описанные в следующем разделе.

Вибромоторы для сотовых телефонов иногда представляют собой крошечные цилиндрические типы с постоянным магнитным полем, но есть также дискообразные типы, которые имеют тонкий многополярный дисковый магнит поля и преднамеренно несбалансированную структуру ротора из формованного пластика с двумя связанными без сердечника катушками.Металлические щетки и плоский коммутатор переключают питание на катушки ротора.

Соответствующие приводы с ограниченным ходом не имеют сердечника и катушки, размещенной между полюсами тонких постоянных магнитов с высокой магнитной индукцией. Это быстрые позиционеры головки для жестких дисков («жестких дисков»). Хотя современный дизайн значительно отличается от громкоговорителей, он все еще свободно (и неправильно) называется структурой «звуковой катушки», потому что некоторые более ранние головки жесткого диска двигались по прямым линиям и имели структуру привода, очень похожую на это громкоговоритель.

Двигатели постоянного тока с печатным рисунком якоря или блинчика

Двигатель довольно необычной конструкции, якорь с печатным рисунком, или двигатель-блинчик, имеет обмотки в форме диска, движущиеся между массивами магнитов с большим магнитным потоком. Магниты расположены по кругу, обращенному к ротору, с промежутком между ними, образуя осевой воздушный зазор. Эта конструкция широко известна как двигатель-блинчик из-за ее чрезвычайно плоского профиля, хотя с момента ее создания у технологии было много торговых марок, таких как ServoDisc.

Якорь с печатным рисунком (первоначально сформированный на печатной плате) в двигателе с печатным рисунком якоря изготовлен из перфорированных медных листов, которые ламинированы вместе с использованием современных композитных материалов, чтобы сформировать тонкий жесткий диск. Печатный якорь имеет уникальную конструкцию в мире щеточных двигателей, поскольку он не имеет отдельного кольцевого коммутатора. Щетки движутся непосредственно по поверхности якоря, что делает всю конструкцию очень компактной.

Альтернативный метод производства заключается в использовании намотанного медного провода, уложенного плоско с центральным обычным коммутатором, в форме цветка и лепестка.Обмотки обычно стабилизируются путем пропитки систем электролитической эпоксидной заливки. Это эпоксидные смолы с наполнителем, которые имеют умеренную смешанную вязкость и длительное время гелеобразования. Они отличаются низкой усадкой и низким экзотермическим эффектом и, как правило, признаны UL 1446 в качестве заливочного компаунда для использования при температуре до 180 ° C (класс H) (файл UL № E 210549).

Уникальное преимущество двигателей постоянного тока без железа состоит в том, что они не имеют зубцов (изменения крутящего момента, вызванные изменением притяжения между железом и магнитами).Паразитные вихревые токи не могут образовываться в роторе, поскольку он полностью не содержит железа, хотя железные роторы являются слоистыми. Это может значительно повысить эффективность, но контроллеры с регулируемой скоростью должны использовать более высокую частоту переключения (> 40 кГц) или постоянный ток из-за уменьшения электромагнитной индукции.

Эти двигатели были первоначально изобретены для привода приводов магнитных лентопротяжных устройств в быстро развивающейся компьютерной индустрии, где минимальное время для достижения рабочей скорости и минимальный тормозной путь были критически важны.Блинные двигатели до сих пор широко используются в высокопроизводительных сервоуправляемых системах, роботизированных системах гуманоидов, промышленной автоматизации и медицинских устройствах. Благодаря разнообразию конструкций, доступных в настоящее время, технология используется в приложениях, от высокотемпературных военных до недорогих насосов и базовых сервоприводов.

Универсальные двигатели

Двигатель с последовательной обмоткой называется универсальным двигателем , если он был разработан для работы от источника переменного или постоянного тока. Он может хорошо работать на переменном токе, потому что ток как в поле, так и в якоре (и, следовательно, результирующие магнитные поля) будут чередоваться (обратная полярность) синхронно, и, следовательно, результирующая механическая сила будет возникать в постоянном направлении вращения.

Универсальные двигатели, работающие на обычных частотах линии электропередачи, часто имеют диапазон, редко превышающий 1000 Вт. Универсальные двигатели также составляют основу традиционного железнодорожного тягового двигателя в электрических железных дорогах. В этом приложении использование переменного тока для питания двигателя, изначально предназначенного для работы на постоянном токе, привело бы к потерям эффективности из-за нагрева их магнитных компонентов вихревыми токами, особенно полюсных наконечников поля двигателя, которые для постоянного тока использовали бы твердые ( ламинированный) утюг.Хотя эффекты нагрева уменьшаются за счет использования многослойных полюсных наконечников, используемых для сердечников трансформаторов, и использования пластин из электротехнической стали с высокой проницаемостью, одним из решений, доступных в начале 20-го века, было использование электродвигателей от низкочастотные источники переменного тока, обычно с частотой 25 и 16,7 Гц. Поскольку они использовали универсальные двигатели, локомотивы, использующие эту конструкцию, также обычно могли работать от третьего рельса или воздушного провода с питанием от постоянного тока.Кроме того, учитывая, что паровые двигатели напрямую приводили в действие многие генераторы переменного тока, их относительно низкие частоты вращения благоприятствовали низким частотам, потому что требовалось сравнительно мало полюсов статора.

Преимущество универсального двигателя заключается в том, что источники питания переменного тока могут использоваться на двигателях, которые имеют некоторые характеристики, более общие для двигателей постоянного тока, в частности, высокий пусковой момент и очень компактную конструкцию, если используются высокие скорости вращения. Отрицательный аспект — проблемы с обслуживанием и недолгий срок службы коммутатора.Такие двигатели используются в таких устройствах, как миксеры для пищевых продуктов и электроинструменты, которые используются только с перерывами и часто требуют высокого пускового момента. Непрерывное управление скоростью универсального двигателя, работающего от переменного тока, легко достигается с помощью тиристорной схемы, в то время как несколько отводов на катушке возбуждения обеспечивают (неточное) ступенчатое управление скоростью. Бытовые блендеры, рекламирующие множество скоростей, часто сочетают в себе катушку возбуждения с несколькими ответвлениями и диод, который можно вставить последовательно с двигателем (в результате чего двигатель работает от полуволнового выпрямленного переменного тока).

В прошлом двигатели с отталкивающим пуском с фазным ротором обеспечивали высокий пусковой момент, но с дополнительной сложностью. Их роторы были похожи на роторы универсальных двигателей, но их щетки были связаны только друг с другом. Трансформатор индуцировал ток в ротор. Положение щетки относительно полюсов поля означало, что пусковой момент создавался отталкиванием ротора от полюсов поля. Центробежный механизм, когда он близок к рабочей скорости, соединил все стержни коллектора вместе, чтобы создать эквивалент ротора с короткозамкнутым ротором.К тому же, когда скорость была близка к рабочей, более совершенные двигатели поднимали щетки вне контакта.

Асинхронные двигатели не могут вращать вал быстрее, чем разрешено частотой сети. В отличие от этого универсальные двигатели обычно работают на высоких скоростях, что делает их полезными для таких устройств, как блендеры, пылесосы и фены, где желательны высокая скорость и легкий вес. Они также обычно используются в портативных электроинструментах, таких как дрели, шлифовальные машины, циркулярные и лобзиковые пилы, где характеристики двигателя хорошо работают.Моторы многих пылесосов и триммеров для сорняков превышают 10 000 об / мин, в то время как Dremel и другие подобные миниатюрные шлифовальные машины часто превышают 30 000 об / мин.

также подходят для электронного управления скоростью и, как таковые, являются идеальным выбором для бытовых стиральных машин. Двигатель можно использовать для перемешивания барабана (как вперед, так и назад), переключая обмотку возбуждения относительно якоря. Двигатель также может работать до высоких скоростей, необходимых для цикла отжима.

Двигатель может быть поврежден из-за превышения скорости (работа с частотой вращения, превышающей расчетные пределы), если агрегат эксплуатируется без значительной нагрузки.На более мощных двигателях следует избегать внезапной потери нагрузки, и возможность такого явления включена в схемы защиты и управления двигателя. В некоторых небольших приложениях лопасть вентилятора, прикрепленная к валу, часто действует как искусственная нагрузка, чтобы ограничить скорость двигателя до безопасного уровня, а также как средство для циркуляции охлаждающего воздуха по якорю и обмоткам возбуждения.

Двигатели переменного тока

В 1882 году Никола Тесла открыл вращающееся магнитное поле и первым применил вращающееся силовое поле для работы машин.Он использовал этот принцип для разработки уникального двухфазного асинхронного двигателя в 1883 году. В 1885 году Галилео Феррарис независимо исследовал эту концепцию. В 1888 году Феррарис опубликовал свое исследование в докладе Королевской академии наук в Турине.

Тесла предположил, что коммутаторы с машины могут быть удалены, и устройство может работать во вращающемся силовом поле. Его учитель профессор Пошель заявил, что это было бы похоже на создание вечного двигателя. ^[20] Тесла позже достигнет U.S. Патент 0,416,194, Электродвигатель (декабрь 1889 г.), который напоминает двигатель, изображенный на многих фотографиях Теслы. Этот классический электромагнитный двигатель переменного тока был асинхронным.

Михаил Осипович Доливо-Добровольский позже изобрел трехфазный «клеточный ротор» в 1890 году. Этот тип двигателя сейчас используется в подавляющем большинстве коммерческих приложений.

Двигатель переменного тока состоит из двух частей: неподвижного статора с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля, и ротора, прикрепленного к выходному валу, которому крутящий момент создается вращающимся полем.

Двигатель переменного тока со скользящим ротором

Тормозной двигатель с коническим ротором включает тормоз как неотъемлемую часть конического скользящего ротора. Когда двигатель находится в состоянии покоя, пружина воздействует на скользящий ротор и прижимает тормозное кольцо к тормозной крышке в двигателе, удерживая ротор в неподвижном состоянии. Когда двигатель находится под напряжением, его магнитное поле создает как осевую, так и радиальную составляющую. Осевой компонент преодолевает силу пружины, освобождая тормоз; в то время как радиальный компонент заставляет ротор вращаться.Дополнительного управления тормозом не требуется.

Электродвигатель синхронный

Синхронный электродвигатель — это электродвигатель переменного тока, отличающийся тем, что ротор вращается с катушками, пропускающими магниты с той же скоростью, что и переменный ток, и возникающим магнитным полем, которое его приводит в действие. Другими словами, он имеет нулевое скольжение в обычных условиях эксплуатации. Сравните это с асинхронным двигателем, который должен проскальзывать для создания крутящего момента. Один тип синхронного двигателя похож на асинхронный двигатель, за исключением того, что ротор возбуждается полем постоянного тока.Контактные кольца и щетки используются для подачи тока на ротор. Полюса ротора соединяются друг с другом и движутся с одинаковой скоростью, отсюда и название синхронный двигатель. Другой тип, для низкого крутящего момента нагрузки, имеет лыски, притертые к обычному ротору с короткозамкнутым ротором для создания дискретных полюсов. Еще один, например, сделанный Hammond для своих часов до Второй мировой войны, и в более старых органах Hammond, не имеет обмоток ротора и дискретных полюсов. Это не запускается автоматически. Часы требуют ручного запуска с помощью небольшой ручки на задней панели, в то время как старые органы Hammond имели вспомогательный пусковой двигатель, подключенный с помощью подпружиненного переключателя с ручным управлением.

Наконец, гистерезисные синхронные двигатели обычно (по существу) двухфазные двигатели с фазосдвигающим конденсатором для одной фазы. Они запускаются как асинхронные двигатели, но когда скорость скольжения значительно уменьшается, ротор (гладкий цилиндр) временно намагничивается. Благодаря распределенным полюсам он действует как синхронный двигатель с постоянным магнитом и ротором. Материал ротора, как и у обычного гвоздя, останется намагниченным, но его также можно размагнитить без особых усилий. После запуска полюса ротора остаются на месте; они не дрейфуют.

Маломощные синхронные синхронизирующие двигатели (например, для традиционных электрических часов) могут иметь многополюсные внешние чашечные роторы с постоянными магнитами и использовать затеняющие катушки для обеспечения пускового момента. Двигатели с часами Telechron ™ имеют затененные полюса для пускового момента и двухспицевый кольцевой ротор, который работает как дискретный двухполюсный ротор.

Асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель — это асинхронный двигатель переменного тока, в котором мощность передается на ротор за счет электромагнитной индукции, подобно действию трансформатора.Асинхронный двигатель напоминает вращающийся трансформатор, потому что статор (неподвижная часть) по существу является первичной стороной трансформатора, а ротор (вращающаяся часть) — вторичной стороной. Многофазные асинхронные двигатели широко используются в промышленности.

Асинхронные двигатели можно подразделить на двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Двигатели с короткозамкнутым ротором имеют тяжелую обмотку, состоящую из сплошных стержней, обычно из алюминия или меди, соединенных кольцами на концах ротора. Если рассматривать только стержни и кольца в целом, они очень похожи на вращающуюся клетку для упражнений животного, отсюда и название.

Наведенные в эту обмотку токи создают магнитное поле ротора. Форма стержней ротора определяет скоростные характеристики. На низких скоростях ток, наводимый в короткозамкнутой клетке, близок к линейной частоте и имеет тенденцию быть во внешних частях клетки ротора. По мере ускорения двигателя частота скольжения становится ниже, и внутри обмотки проходит больший ток. Путем придания стержням формы для изменения сопротивления частей обмотки во внутренней и внешней частях клетки эффективно вводится переменное сопротивление в цепь ротора.Однако у большинства таких моторов стержни одинаковые.

В двигателе с фазным ротором обмотка ротора состоит из множества витков изолированного провода и соединена с контактными кольцами на валу двигателя. В цепь ротора можно подключить внешний резистор или другие устройства управления. Резисторы позволяют управлять скоростью двигателя, хотя значительная мощность рассеивается на внешнем сопротивлении. Преобразователь может питаться от цепи ротора и возвращать энергию со скользящей частотой, которая иначе была бы потрачена впустую, обратно в систему питания через инвертор или отдельный двигатель-генератор.

Асинхронный двигатель с фазным ротором используется в основном для пуска нагрузки с высоким моментом инерции или нагрузки, требующей очень высокого пускового момента во всем диапазоне скоростей. При правильном выборе резисторов, используемых во вторичном резисторе или пускателе с контактным кольцом, двигатель может создавать максимальный крутящий момент при относительно низком токе питания от нулевой до полной скорости. Этот тип двигателя также обеспечивает регулируемую скорость.

Скорость двигателя можно изменить, поскольку кривая крутящего момента двигателя эффективно изменяется за счет величины сопротивления, подключенного к цепи ротора.Увеличение значения сопротивления приведет к снижению скорости максимального крутящего момента. Если сопротивление, подключенное к ротору, увеличивается за пределами точки, где максимальный крутящий момент возникает при нулевой скорости, крутящий момент будет еще больше уменьшен.

При использовании с нагрузкой, кривая крутящего момента которой увеличивается с увеличением скорости, двигатель будет работать на скорости, при которой крутящий момент, развиваемый двигателем, равен крутящему моменту нагрузки. Уменьшение нагрузки приведет к ускорению двигателя, а увеличение нагрузки приведет к замедлению двигателя до тех пор, пока нагрузка и крутящий момент двигателя не станут равными.При таком использовании потери скольжения рассеиваются на вторичных резисторах и могут быть очень значительными. Регулировка скорости и чистая эффективность также очень плохие.

Электродвигатель с двойным питанием

Электродвигатели с двойным питанием имеют два независимых набора многофазных обмоток, которые вносят активную (т. Е. Рабочую) мощность в процесс преобразования энергии, при этом по крайней мере один из наборов обмоток управляется электроникой для работы с переменной скоростью.Два независимых набора многофазных обмоток (т. Е. Двойной якорь) — это максимум, предусмотренный в одном корпусе без дублирования топологии. Электродвигатели с двойным питанием — это машины с эффективным диапазоном скорости вращения с постоянным крутящим моментом, который в два раза превышает синхронную скорость для данной частоты возбуждения. Это в два раза больше диапазона скоростей с постоянным крутящим моментом, чем у электрических машин с однополярным питанием, у которых есть только одна активная обмотка.

Двигатель с двойным питанием позволяет использовать электронный преобразователь меньшего размера, но стоимость обмотки ротора и контактных колец может компенсировать экономию на компонентах силовой электроники.Трудности с контролем скорости в приложениях с ограничением синхронной скорости. ^[21]

Электродвигатель с однополярным питанием

Основная статья: Электромашина с одиночным питанием

Большинство двигателей переменного тока питаются отдельно. Электродвигатели с однополярным питанием имеют одну многофазную обмотку, подключенную к источнику питания. Электромашины с одиночным питанием могут быть индукционными или синхронными. Комплект активной обмотки может управляться электроникой. Электрические машины с однополярным питанием имеют эффективный диапазон скоростей с постоянным крутящим моментом до синхронной скорости для данной частоты возбуждения.

Моментные двигатели

Моментный двигатель (также известный как двигатель с ограниченным крутящим моментом) — это особый вид асинхронного двигателя, который может работать неограниченно долго при остановке, то есть с заблокированным от вращения ротором без повреждений. В этом режиме работы двигатель будет прикладывать постоянный крутящий момент к нагрузке (отсюда и название).

Обычное применение моментного двигателя — это двигатели подающей и приемной катушек в ленточном накопителе. В этом приложении, приводимом в действие низким напряжением, характеристики этих двигателей позволяют приложить к ленте относительно постоянное легкое натяжение независимо от того, протягивает ли ведущая лента мимо головок ленты.Управляемые более высоким напряжением (и, следовательно, обеспечивающие более высокий крутящий момент), моментные двигатели также могут работать в режиме быстрой перемотки вперед и назад, не требуя каких-либо дополнительных механизмов, таких как шестерни или муфты. В мире компьютерных игр моментные двигатели используются в рулевых колесах с обратной связью по усилию.

Еще одно распространенное применение — управление дроссельной заслонкой двигателя внутреннего сгорания в сочетании с электронным регулятором. В этом случае двигатель работает против возвратной пружины, чтобы перемещать дроссельную заслонку в соответствии с выходом регулятора.Последний контролирует частоту вращения двигателя путем подсчета электрических импульсов от системы зажигания или от магнитного датчика ^[22] и, в зависимости от скорости, делает небольшие изменения в величине тока, подаваемого на двигатель. Если двигатель начинает замедляться относительно желаемой скорости, ток будет увеличиваться, двигатель будет развивать больший крутящий момент, натягиваясь на возвратную пружину и открывая дроссельную заслонку. Если двигатель работает слишком быстро, регулятор снизит ток, подаваемый на двигатель, в результате чего возвратная пружина отодвинется и закроет дроссельную заслонку.

Шаговые двигатели

По конструкции тесно связаны с трехфазными синхронными двигателями переменного тока шаговые двигатели, в которых внутренний ротор, содержащий постоянные магниты, или магнитно-мягкий ротор с явными полюсами управляется набором внешних магнитов, которые переключаются электронно. Шаговый двигатель также можно рассматривать как нечто среднее между электродвигателем постоянного тока и вращающимся соленоидом. Поскольку каждая катушка поочередно получает питание, ротор выравнивается с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения под напряжением.В отличие от синхронного двигателя, шаговый двигатель не может вращаться непрерывно; вместо этого он «шагает» — запускается и затем быстро останавливается — от одного положения к другому, поскольку обмотки возбуждения последовательно включаются и отключаются. В зависимости от последовательности, ротор может вращаться вперед или назад, и он может произвольно менять направление, останавливаться, ускоряться или замедляться в любое время.

Простые драйверы шаговых двигателей полностью включают или полностью обесточивают обмотки возбуждения, приводя ротор к «зубчатому» перемещению в ограниченное количество положений; более сложные драйверы могут пропорционально управлять мощностью обмоток возбуждения, позволяя роторам располагаться между точками шестерен и, таким образом, вращаться чрезвычайно плавно.Этот режим работы часто называют микрошагом. Шаговые двигатели с компьютерным управлением — одна из самых универсальных форм систем позиционирования, особенно когда они являются частью цифровой системы с сервоуправлением.

можно легко поворачивать на определенный угол дискретными шагами, и, следовательно, шаговые двигатели используются для позиционирования головки чтения / записи в дисководах компьютерных гибких дисков. Они использовались с той же целью в компьютерных дисковых накопителях до гигабайтной эры, где точность и скорость, которые они предлагали, были достаточными для правильного позиционирования головки чтения / записи жесткого диска.По мере увеличения плотности накопителей, ограничения точности и скорости шаговых двигателей сделали их устаревшими для жестких дисков — ограничение точности сделало их непригодными для использования, а ограничение скорости сделало их неконкурентоспособными — таким образом, в новых жестких дисках используются системы привода головки на основе звуковой катушки. (Термин «звуковая катушка» в этой связи является историческим; он относится к структуре в типичном (конусном) громкоговорителе. Эта структура некоторое время использовалась для размещения головок. Современные приводы имеют поворотное крепление катушки; катушка вращается вперед-назад, что-то вроде лопасти вращающегося вентилятора.Тем не менее, подобно звуковой катушке, современные проводники катушки исполнительного механизма (магнитный провод) движутся перпендикулярно магнитным силовым линиям.)

были и до сих пор часто используются в компьютерных принтерах, оптических сканерах и цифровых копировальных аппаратах для перемещения оптического сканирующего элемента, каретки печатающей головки (матричных и струйных принтеров) и валика или подающих роликов. Точно так же многие компьютерные плоттеры (которые с начала 1990-х были заменены широкоформатными струйными и лазерными принтерами) использовали вращающиеся шаговые двигатели для перемещения пера и валика; типичными альтернативами здесь были либо линейные шаговые двигатели, либо серводвигатели с аналоговыми системами управления с обратной связью.

Так называемые кварцевые аналоговые наручные часы содержат самые маленькие обычные шаговые двигатели; у них одна катушка, они потребляют очень мало энергии и имеют ротор с постоянными магнитами. Такой же двигатель приводит в действие кварцевые часы с батарейным питанием. Некоторые из этих часов, например хронографы, содержат более одного шагового двигателя.

Шаговые двигатели были модернизированы для использования в электромобилях под термином SRM (Switched Reluctance Motor).

Сравнение

Фактор качества

Основная статья: Коэффициент качества

Профессор Эрик Лейтуэйт предложил метрику для определения «качества» электродвигателя: ^[24]

Где:

G — коэффициент качества (коэффициенты выше 1, вероятно, будут эффективными)

A _м , A _e — поперечные сечения магнитной и электрической цепи

l _m , l _e — длины магнитной и электрической цепей

мкм — проницаемость сердечника

ω — угловая частота, при которой двигатель вращает

Из этого он показал, что наиболее эффективные двигатели имеют относительно большие магнитные полюса.Однако это уравнение напрямую относится только к двигателям с непостоянными магнитами.

Электростатический

Полный размер

Электростатический двигатель основан на притяжении и отталкивании электрического заряда. Обычно электростатические двигатели являются двойными по сравнению с обычными двигателями с катушками. Обычно для них требуется источник питания высокого напряжения, хотя в очень маленьких двигателях используется более низкое напряжение. Вместо этого обычные электродвигатели используют магнитное притяжение и отталкивание и требуют высокого тока при низких напряжениях.В 1750-х годах Бенджамин Франклин и Эндрю Гордон разработали первые электростатические двигатели. Сегодня электростатический двигатель часто используется в микромеханических (MEMS) системах, где их управляющее напряжение ниже 100 вольт и где движущиеся заряженные пластины гораздо проще изготовить, чем катушки и железные сердечники. Кроме того, молекулярные механизмы, управляющие живыми клетками, часто основаны на линейных и вращающихся электростатических двигателях.

Наномотор с нанотрубками

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли недавно разработали подшипники вращения на основе многослойных углеродных нанотрубок.Прикрепив золотую пластину (с размерами порядка 100 нм) к внешней оболочке подвешенной многослойной углеродной нанотрубки (как вложенные углеродные цилиндры), они могут электростатически вращать внешнюю оболочку относительно внутреннего ядра. Эти подшипники очень прочные; устройства колебались тысячи раз без признаков износа. Эти наноэлектромеханические системы (НЭМС) являются следующим шагом в миниатюризации и могут найти свое применение в коммерческих приложениях в будущем.

См. Также:

Пьезоэлектрический

Пьезоэлектрический двигатель или пьезодвигатель — это тип электродвигателя, основанный на изменении формы пьезоэлектрического материала при приложении электрического поля.Пьезоэлектрические двигатели используют обратный пьезоэлектрический эффект, при котором материал производит акустические или ультразвуковые колебания для создания линейного или вращательного движения. В одном механизме удлинение в одной плоскости используется для последовательного растяжения и удержания положения, подобно тому, как движется гусеница.

Использование и стили

Стандартные электродвигатели часто используются во многих современных машинах, но электродвигатели определенных типов предназначены для конкретных применений.

Поворотный

Применяется во вращающихся машинах, таких как вентиляторы, турбины, дрели, колеса электромобилей, локомотивы и конвейерные ленты. Кроме того, во многих вибрирующих или колеблющихся машинах электродвигатель раскручивает неуравновешенную массу, заставляя электродвигатель (и его монтажную конструкцию) вибрировать. Знакомое приложение — это вибросигналы сотового телефона, которые используются, когда пользователь отключил акустический «звонок».

Электродвигатели также популярны в робототехнике. Они вращают колеса автомобильных роботов, а серводвигатели управляют руками промышленных роботов; они также двигают руками и ногами у человекоподобных роботов.В летающих роботах, наряду с вертолетами, двигатель вращает пропеллер или аэродинамические лопасти несущего винта для создания управляемой подъемной силы.

Электродвигатели заменяют гидроцилиндры в самолетах и ​​военной технике. ^{[25] [26]}

На промышленных предприятиях электродвигатели вращают пилы и полотна в процессах резки и нарезки; они вращают детали, обрабатываемые на токарных и других станках, и вращают шлифовальные круги. Быстрые и точные серводвигатели позиционируют инструменты и работают на современных станках с ЧПУ.Миксеры с приводом от двигателя очень распространены в пищевой промышленности. Линейные двигатели часто используются для горизонтального выталкивания продуктов в контейнеры.

Во многих кухонных приборах также используются электродвигатели. Кухонные комбайны и кофемолки вращают лезвия, чтобы измельчать и измельчать продукты. Блендеры используют электродвигатели для смешивания жидкостей, а микроволновые печи используют электродвигатели, чтобы вращать поднос с едой, на которой стоит еда. В тостерах также используются электродвигатели, которые вращают конвейер для перемещения пищи по нагревательным элементам.

Серводвигатель

Основная статья: Серводвигатель

Серводвигатель — это двигатель, который очень часто продается в виде готового модуля, который используется в системе управления положением или скоростью с обратной связью.Серводвигатели используются в таких приложениях, как станки, перьевые плоттеры и другие системы управления. Двигатели, предназначенные для использования в сервомеханизмах, должны иметь хорошо задокументированные характеристики скорости, крутящего момента и мощности. Кривая зависимости скорости от крутящего момента очень важна. Также важны характеристики динамического отклика, такие как индуктивность обмотки и инерция ротора; эти факторы ограничивают общую производительность контура сервомеханизма. В больших, мощных, но медленно реагирующих контурах сервоприводов могут использоваться обычные двигатели переменного или постоянного тока и приводные системы с обратной связью по положению или скорости на двигателе.По мере увеличения требований к динамическому отклику используются более специализированные конструкции двигателей, такие как двигатели без сердечника.

Сервосистема отличается от некоторых приложений с шаговыми двигателями тем, что обратная связь по положению является непрерывной, пока двигатель работает; Шаговая система полагается на двигатель, который не «пропускает шаги» для кратковременной точности, хотя шаговая система может включать в себя «исходный» переключатель или другой элемент для обеспечения долговременной стабильности управления. ^[27] Например, когда запускается струйный компьютерный принтер, его контроллер заставляет шаговый двигатель печатающей головки перемещаться в крайнее левое положение, где датчик положения определяет исходное положение и останавливает шаг.Пока питание включено, двунаправленный счетчик в микропроцессоре принтера отслеживает положение печатающей головки.

Линейный двигатель

Линейный двигатель — это, по сути, любой электродвигатель, который был «раскручен» так, что вместо создания крутящего момента (вращения) он создает прямолинейную силу по всей своей длине.

Линейные двигатели чаще всего представляют собой асинхронные двигатели или шаговые двигатели. Линейные двигатели обычно встречаются во многих американских горках, где быстрое движение безмоторного железнодорожного вагона контролируется рельсом.Они также используются в поездах на магнитной подвеске, где поезд «летает» над землей. В меньшем масштабе по крайней мере один перьевой плоттер XY для компьютерной графики формата Letter (8,5 x 11 дюймов) производства Hewlett-Packard (с конца 1970-х до середины 1980-х) использовал два линейных шаговых двигателя для перемещения пера по двум направлениям. ортогональные оси.

Двигатели космические

Основная статья: двигатель космического корабля с электрическим приводом

Двигательная установка с электрическим приводом. Система представляет собой любую из множества форм электродвигателей, которые космический корабль может использовать для получения механической энергии в космическом пространстве.Большинство этих видов движителей космических аппаратов работают за счет электрического питания топлива до высокой скорости, но электродинамические тросы работают, взаимодействуя с магнитосферой планеты. ^[28]

Генератор

Многие электродвигатели используются в качестве генераторов либо частично (например, с рекуперативным торможением), либо в течение всего срока службы. При механическом приводе магнитные электродвигатели вырабатывают мощность за счет своей обратной ЭДС.

Производительность

Преобразование энергии электродвигателем

Используя математические модели в терминах магнитного диполя, Рибарич и Шуштершич ^[29] рассматривают, как в случае синхронного двигателя и асинхронного двигателя внешний источник подает электрическую энергию на статор, чтобы поддерживать его вращающееся магнитное поле; эта энергия затем передается вращающимся магнитным полем магнитному диполю ротора; там она преобразуется в механическую энергию и механически передается посредством вращающегося вала внешнему пользователю.С другой стороны, в случае коллекторного двигателя внешний источник подает электрическую энергию непосредственно на магнитный диполь ротора для преобразования в механическую энергию.

Мощность

Выходная мощность роторного электродвигателя:

Где P в лошадиных силах, об / мин — это скорость вала в оборотах в минуту, а T — крутящий момент в фут-фунтах.

А для линейного двигателя:

Где P — мощность в ваттах, F — в ньютонах, а v — скорость в метрах в секунду.

КПД

Для расчета КПД двигателя механическая выходная мощность делится на входную электрическую мощность:, где η — эффективность преобразования энергии, P _e — входная электрическая мощность, а P _m — механическая выходная мощность.

В простейшем случае P _e = В I и P _м = T ω, где В — входное напряжение, I — входной ток, T — выходной крутящий момент, а ω — выходная угловая скорость.Можно аналитически вывести точку максимальной эффективности. Обычно он составляет менее 1/2 крутящего момента при остановке.

Крутящий момент типов двигателей

При оптимальном проектировании в пределах заданного ограничения насыщения сердечника и для заданного активного тока (т. Е. Тока крутящего момента), напряжения, числа пар полюсов, частоты возбуждения (т. Е. Синхронной скорости) и плотности магнитного потока в воздушном зазоре, все категории электрических двигатели или генераторы будут демонстрировать практически одинаковый максимальный постоянный крутящий момент на валу (т.е.е., рабочий крутящий момент) в пределах заданной площади воздушного зазора с пазами обмотки и глубиной задней части, которая определяет физический размер электромагнитного сердечника. В некоторых приложениях требуются всплески крутящего момента, превышающие максимальный рабочий крутящий момент, например, короткие всплески крутящего момента для ускорения электромобиля с места. Всегда ограниченная насыщением магнитного сердечника или безопасным повышением рабочей температуры и напряжения, способность выдерживать скачки крутящего момента сверх максимального рабочего крутящего момента существенно различается между категориями электродвигателей или генераторов.

Способность к скачкам крутящего момента не следует путать со способностью ослабления поля, присущей полностью электромагнитным электрическим машинам (электрические машины с постоянным магнитом (PM) исключены). Ослабление поля, недоступное для электрических машин с ПМ, позволяет электрической машине работать за пределами расчетной частоты возбуждения.

Электрические машины без топологии трансформаторной схемы, такие как полевые машины (например, электромагнит) или постоянные магниты (PM). Синхронные электрические машины не могут реализовать всплески крутящего момента выше максимального расчетного крутящего момента без насыщения магнитного сердечника и увеличения тока. как бесполезно.Кроме того, узел постоянного магнита синхронных электрических машин с ПМ может быть непоправимо поврежден, если будут предприняты попытки увеличения крутящего момента, превышающего максимально допустимый рабочий крутящий момент.

Электрические машины с топологией трансформаторной схемы, такие как индукционные (т. Е. Асинхронные) электрические машины, индукционные электрические машины с двойной подачей питания и индукционные или синхронные электрические машины с двойной подачей ротора (WRDF), демонстрируют очень высокие всплески крутящего момента, поскольку текущий (т.е., Магнитодвижущая сила или произведение тока и витков обмотки), индуцированные с обеих сторон трансформатора, противостоят друг другу, и в результате активный ток не влияет на плотность потока магнитного сердечника трансформатора, что в противном случае привело бы к насыщение керна.

Электрические машины, основанные на принципах индукции или асинхронности, закорачивают один порт цепи трансформатора, и в результате реактивное сопротивление цепи трансформатора становится доминирующим по мере увеличения скольжения, что ограничивает величину активного (т.е.е., реальный) ток. Тем не менее, всплески крутящего момента, которые в два-три раза превышают максимальный расчетный крутящий момент, возможны.

Синхронная электрическая машина WRDF — единственная электрическая машина с действительно двухпортовой топологией трансформаторной схемы (т. Е. Оба порта независимо возбуждаются без короткозамкнутого порта). Топология схемы с двумя портами трансформатора, как известно, нестабильна и требует многофазного узла контактного кольца-щетки для передачи ограниченной мощности на обмотку ротора.Если бы были доступны прецизионные средства для мгновенного управления углом крутящего момента и проскальзыванием для синхронной работы во время движения или генерации, одновременно обеспечивая бесщеточную мощность для набора обмоток ротора (см. Бесщеточная электрическая машина с двойным питанием из обмотки ротора), активный ток синхронного электрического привода WRDF Машина не будет зависеть от реактивного сопротивления цепи трансформатора, и всплески крутящего момента, значительно превышающие максимальный рабочий крутящий момент и намного превосходящие практические возможности любого другого типа электрической машины, будут возможны.Были рассчитаны всплески крутящего момента, превышающие рабочий крутящий момент в восемь раз.

Постоянная плотность крутящего момента

Постоянная плотность крутящего момента обычных электрических машин определяется размером зоны воздушного зазора и глубиной задней части, которые определяются номинальной мощностью набора обмоток якоря, скоростью машины и достижимым воздухом. -зазорная магнитная индукция до насыщения активной зоны. Несмотря на высокую коэрцитивную силу неодимовых или самариево-кобальтовых постоянных магнитов, постоянная плотность крутящего момента практически одинакова для электрических машин с оптимально спроектированными наборами обмоток якоря.Никогда не следует путать постоянную плотность крутящего момента с пиковой плотностью крутящего момента, которая связана с выбранным производителем методом охлаждения, доступным для всех, или периодом работы до разрушения из-за перегрева обмоток или даже повреждения постоянного магнита.

Непрерывная плотность мощности

Постоянная плотность мощности определяется произведением постоянной плотности крутящего момента на диапазон скорости постоянного крутящего момента электрической машины.

Стандарты двигателей

Ниже приведены основные стандарты проектирования и производства электродвигателей:

Ссылки и дополнительная литература

Цитаты

1. ^ Шенхерр, Стивен Ф. [Рибарич М. и Шуштершич Л. Движущиеся точечные заряды, электрические и магнитные диполи, AM.J.Phys.60 (6), июнь 1992 г.]

Общие ссылки

• Дональд Г. Финк и Х. Уэйн Бити, Стандартное руководство для инженеров-электриков , одиннадцатое издание , МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 1978, ISBN 0-07-020974-X.
• Эдвин Дж. Хьюстон и Артур Кеннелли, Последние типы динамо-электрических машин , авторское право American Technical Book Company 1897, опубликовано П.Ф. Коллиер и сыновья Нью-Йорк, 1902
• Купхальдт, Тони Р. (2000–2006). «Глава 13 ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА». Уроки в электрических цепях — Том II . http://www.ibiblio.org/obp/electricCircuits/AC/AC_13.html. Проверено 11 апреля 2006.
• «А.О. Смит: переменного и постоянного тока электродвигателей» (PDF). http://www.aosmithmotors.com/uploadedFiles/AC-DC%20manual.pdf. Проверено 7 декабря 2009.
• Resenblat & Frienman Оборудование постоянного и переменного тока
• http://www.streetdirectory.com/travel_guide/115541/technology/understanding_electric_motors_and_their_uses.html

Дополнительная литература

• Шейнфилд Д. Дж., Промышленная электроника для инженеров, химиков и технических специалистов, William Andrew Publishing, Norwich, NY, 2001.
• Fitzgerald / Kingsley / Kusko (Fitzgerald / Kingsley / Umans в более поздние годы), Electric Machinery , классический текст для младших и старших студентов-электриков. Первоначально опубликовано в 1952 году, шестое издание вышло в 2002 году.
• Bedford, B.D .; Хофт, Р.G. et al. (1964). Принципы инверторных схем . Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc .. ISBN 0 471 06134 4. (Для управления скоростью двигателя с регулируемой частотой используются схемы инвертора)
• Б. Р. Пелли, «Тиристорные преобразователи с фазовым управлением и циклоконвертеры: работа, управление и производительность» (Нью-Йорк: Джон Вили, 1971).
• Джон Н.