Двигатели с печатными обмотками якоря

Малоинерционные двигатели с печатной обмоткой якоря

Малоинерционные двигатели постоянного тока

Бесконтактные исполнительные двигатели

Недостатком всех рассмотренных ранее исполнительных двигателей постоянного тока является наличие скользящих контактов — коллектора и щеток, которые значительно снижают надежность работы и ограничивают области их применения. С целью устранения этих недостатков в последнее время были разработаны и начали довольно широко применяться бесконтактные исполнительные (управляемые) двигатели постоянного тока, принципиально не отличающиеся от бесконтактных двигателей, рассмотренных ранее.

Эти двигатели (рис. 17.4) не имеют коллектора и щеток, что обеспечивает их более надежную работу в условиях тряски, вибрации, резко изменяющихся температур, при высоких частотах вращения, достигающих десятков и сотен тысяч оборотов в минуту, и значительно повышает срок службы.

Одним из недостатков контактных исполнительных двигателей постоянного тока является то, что они имеют шихтованные из листов стали якоря с большим моментом инерции, что значительно снижает их быстродействие. Этих недостатков нет у разработанных сравнительно недавно, но получивших уже достаточно широкое применение так называемых малоинерционных двигателей.

Малоинерционные двигатели в зависимости от конструкции и технологии изготовления их якорей можно разделить на две группы: двигатели с печатной обмоткой якоря и двигатели с обмоткой якоря, выполненной из обычного изолированного провода. По своим пусковым и рабочим свойствам эти двигатели близки друг другу.

Двигатели с печатной обмоткой в настоящее время выпускаются в двух конструктивных вариантах: с дисковыми и цилиндрическими якорями.

Дисковый якорь с печатной обмоткой (рис. 17.5) выполняется в виде тонкого диска из изоляционного материала (например, стеклотекстолита), на обе стороны которого, обычно электрохимическим путем, наносятся соединяющиеся между собой части плоской (печатной) обмотки. Проводники секций (см. рис. 17.5, б) выполняются из медной фольги, с трех сторон окруженной воздухом (четвертой стороной фольга прилегает к диску). Все первые — начальные половины секций (на рисунке показаны толстой линией) располагаются на одной стороне диска. Все вторые половины секций (выполнены пунктиром) располагаются на другой стороне диска. Концы полусекций, расположенных на разных сторонах диска, соединяются между собой с помощью имеющихся в нем отверстий. Изоляцией между отдельными проводниками обмотки якоря служит материал диска.

Дисковый якорь вращается между полюсами, создающими поток, направленный в воздушном зазоре аксиально (рис. 17.6). К печатной обмотке якоря посредством щеток, скользящих по неизолированным поверхностям проводников секций якоря, подводится напряжение. В результате взаимодействия тока проводников обмотки якоря с магнитным полем полюсов создается вращающий момент, так же как и в обычном двигателе постоянного тока.

Недостатком двигателей с дисковыми якорями является то, что при увеличении диаметра диска, вызванного необходимостью увеличения номинальной мощности двигателя, возрастает его момент инерции и ухудшается надежность работы вследствие возможного колебания диска при нагреве. Указанного недостатка лишены машины с полым цилиндрическим якорем, имеющим печатную обмотку.

Цилиндрический якорь с печатной обмоткой (рис. 17.7) изготовляется в виде полого цилиндра из изоляционного материала, на обе стороны которого (наружную и внутреннюю) наносятся соединяющиеся между собой части печатной обмотки. Концы секций обмотки выводятся к коллектору, расположенному на валу двигателя.

Наружная неподвижная часть двигателя с цилиндрическим якорем ничем не отличается от неподвижной части обычной машины постоянного тока. Она состоит из станины и полюсов, которые у исполнительных двигателей всегда выполняются шихтованными. Для уменьшения сопротивления на пути основного магнитного потока внутри полого цилиндрического якоря располагают сердечник внутреннего статора, который укрепляется либо на цилиндрическом выступе одного из подшипниковых щитов как внутренний статор асинхронного двигателя с полым ротором (см. рис. 17.4), либо с помощью подшипников на валу двигателя (см. рис. 17.7). Положительными качествами полого цилиндрического якоря с печатной обмоткой (по сравнению с дисковым) являются меньший момент инерции и большая механическая прочность.

Обычно двигатели с дисковым якорем рассчитывают на небольшие мощности — десятки, сотни ватт, двигатели же с цилиндрическим якорем — на мощности до 10 кВт.

Положительными качествами исполнительных двигателей с дисковым и цилиндрическим якорями, имеющими печатные обмотки, являются:

высокая технологичность якоря, позволяющая до минимума сократить ручной труд;

малый момент инерции якоря;

отсутствие потерь в стали двигателя, так как вращающийся якорь не имеет ферромагнитных частей;

хорошая безискровая коммутация вследствие малой самоиндукции и взаимоиндукции коммутируемых секций, окруженных воздухом;

отсутствие сил магнитного притяжения, действующих на якорь даже при неравномерном воздушном зазоре, что разгружает подшипники и сильно уменьшает механические потери;

хорошее охлаждение проводников обмотки якоря при вращении, что позволяет значительно повысить плотность Тока в обмотке якоря;

высокий КПД при возбуждении постоянными магнитами, что объясняется отсутствием потерь в стали и весьма незначительными механическими потерями (в двигателе практически имеются лишь потери в обмотке якоря);

отсутствие необходимости в межвитковой и пазовой изоляции.

К недостаткам малоинерционных двигателей с печатными обмотками относятся:

большой немагнитный промежуток на пути магнитного потока, состоящий из двух воздушных зазоров и толщины якоря, который не содержит ферромагнитных материалов;

недостаточная прочность конструкции якорей, что приводит к их колебанию при больших температурах;

ограниченное из-за технологических трудностей число витков обмотки якоря; что вынуждает всегда применять последовательную (волновую) обмотку и рассчитывать двигатели либо на работу от сетей с небольшим напряжением, либо на работу при больших частотах вращения.

Вследствие большого немагнитного промежутка на пути потока малоинерционные двигатели, как правило, возбуждаются постоянными магнитами, которые могут располагаться как внутри, так и снаружи полого якоря. Большой немагнитный промежуток в этом случае, хотя и ведет к необходимости увеличения объема магнитов, не приводит к увеличению потерь в двигателе.

Двигатели с печатной обмоткой якоря

Двигатели с печатной обмоткой якоря (рис. 17) также обладают малой инер­цией. Якорь этого двигателя имеет вид тонкого диска из немагнитного материала (текстолит, стекло и т. д.), на обеих сторонах которого расположены медные про­водники обмотки якоря. Проводники выполняются путем гальванического трав­ления листов медной фольги, наклеенных на диск якоря, либо гальваническим осаждением или переносом меди. Обмотка, изготовляемая таким способом, полу­чила название печатной. Схема обмотки якоря обычная, двухслойная, причем проводники отдельных слоев расположены на разных сторонах диска и соединя­ются электрически между собой через отверстия в диске. Серебряно-графитные щетки скользят по неизолированной поверхности элементов обмотки якоря, как по коллектору.

Возбуждение осуществляется с помощью постоянных магнитов или обмотки возбуждения. Напряжение таких машин составляет 6—50 В. Ввиду хороших условий охлаждения допустимы большие плотности тока в обмотке якоря (допри продолжительном режиме работы). В случае необходимости быстрого торможения после снятия напряжения сигнала диск якоря изготовляется из алюминия.

Двигатели постоянного тока с печатными обмотками обладают малым моментом инерции, большой перегрузоч­ной способностью и применяются в быстродействующих приводах. Они имеют два конструктивных варианта: с ци­линдрическим якорем и дисковым якорем.

Рис.17. Двигатель постоянного тока с печатной обмоткой якоря: а — разрез двигателя; б — обмотка якоря

1 — диск якоря с обмоткой; 2 — вал; 3 — втулка; 4 — щетки и щеткодержатель; 5 — постоянные магниты (полюсы); 6 — полюсные наконечники;7 и 8 –диски из магнитно-мягкой стали

Цилиндрический якорь с печатной обмоткой (рис. 18) изготовляют в виде полого цилиндра 1 из изоляционного материала, на внешнюю и внутреннюю поверхности которо­го электрохимическим путем наносят медную обмотку.

Обмотку якоря подсоеди­няют к коллектору 2, кото­рый имеет обычное исполне­ние. Коллектор и цилиндри­ческий якорь вращаются вместе.

Машина имеет два ста­тора — внешний и внутрен­ний. Внешний статор имеет обычное для машин посто­янного тока исполнение. На нем размещают полюсы ма­шины. Внутренний статор 3 представляет собой непо­движный цилиндр из ферро­магнитного материала и слу­жит для проведения маг­нитного потока. Его закреп­ляют на одном из подшипниковых щитов через подшипники на валу машины.

Дисковый якорь (рис. 19) представляет собой тонкий диск из электроизоляционного материала, на обе стороны которого нанесена обмотка. Этот диск располагается на ва­лу машины и вращается между полюсами, создающими поток в осевом направлении. В машине отсутствует коллек­тор, а щетки скользят по поверхности диска, соприкасаясь непосредственно с проводниками.

Рис. 18. Цилиндрический якорь с печатной обмоткой

Рис. 19. Дисковый якорь с пе­чатной обмоткой

Вращающаяся часть якоря машин с печатными обмотка­ми имеет небольшую массу, благодаря чему снижается мо­мент инерции. В этих машинах для возбуждения часто при­меняют полюсы из постоянных магнитов.

Двигатели с цилиндрическим якорем имеют мощность от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт, а двига­тели с дисковым якорем — несколько десятков или сотен ватт.

Электрическим двигателем называют машину, которая преобразует электрическую энергию в механическую. Обычно механическая работа выражается во вращении вала. Работают эти устройства от различных источников питания и хотя выполняют одну задачу, имеют определённые отличия, которые обуславливают область их применения. Ведь не зря же в холодильники ставят одни моторы, в вентиляторы – другие, в стиральные машины, вообще, третьего вида. Для лучшего понимания рассмотрим виды электродвигателей и чем они отличаются друг от друга. Это поможет понять логику выбора того или иного движка для каждого из устройств.

Виды электродвигателей: классификация

Жёсткой классификации электродвигателей нет, но различать их можно по нескольким параметрам. Основные – тип питания и наличие скользящего контакта. Эти позиции можно считать ключевыми и по ним проще ориентироваться. В общем-то, видов электродвигателей не так и много – синхронные, асинхронные, постоянного тока, вентильные. Вот, пожалуй, всё. Другое дело, что в большинстве «категорий» есть достаточно вариантов, которые значительно меняют свойства и характеристики. Но с этим придётся разбираться применительно к каждой конструкции.

Электрические двигатели отличаются типом питания, устройством и назначением

Итак, рассмотрим виды электродвигателей по виду питающего напряжения. Они бывают:

• постоянного тока;
• переменного тока:
  • однофазное питание;
  • трехфазное питание;
• универсальные.

Пояснений требует только универсальный тип. Такой электродвигатель может работать как от постоянного, так и от переменного напряжения. По сути, один вид – универсальный коллекторный двигатель с обмотками возбуждения. К двигателям переменного тока относятся синхронные, асинхронные. На постоянном токе работают коллекторные и вентильные.

Наиболее распространённые виды электродвигателей

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

• с коллектором (щёточные);
• без коллектора (бесщёточные).

Бесщёточные электродвигатели требуют меньше обслуживания, работают тише, более надёжны. К ним относятся асинхронные с короткозамкнутым ротором (работают от переменного напряжения), вентильные (питаются постоянным напряжением). Остальные имеют коллектор и щётки, через которые на обмотки катушек подаётся напряжение.

Постоянного тока

Двигатели постоянного тока появились еще в конце 19 века. С некоторыми изменениями они используются и сегодня и притом они популярны. Например, вибрирование в современном смартфоне обеспечивает именно двигатель постоянного тока, очень маленький и мощностью в милли ватты, но все же. В большей части игрушек тоже стоят такие движки. Но это не значит, что их не используют в серьёзной технике, ещё как используют. Самые мощные стоят в качестве тяговых на электровозах. У них мощность исчисляется сотнями киловатт (больше 800), а питаются они от напряжения 1,5 кВ.

Типы электромоторов постоянного тока

Коллекторные

Коллекторный двигатель постоянного тока, как и все другие, состоит из неподвижной (статор) и подвижной (якорь) части. На статоре установлены магнитные полюса. Для маломощных моделей ставят постоянные магниты, для мощных добавляют обмотки (называются обмотками возбуждения), которые усиливают магнитное поле.

Ротор представляет собой магнитопровод из металлических пластин, в пазы которого уложены витки медного провода – роторные обмотки. Концы роторных обмоток выведены на коллектор, который представляет собой медные пластины в виде секторов цилиндра. Пластины изолированы друг от друга и от вала, на котором закреплены. Концы обмоток выводятся на коллекторные пластины. Вторая часть коллекторного узла – графитовые щётки со щеткодержателем. Щётки прижимаются к коллекторным пластинам, но не мешают вращению якоря.

Устройство двигателя постоянного тока коллекторного типа

На щетки подаётся напряжение. В определённый момент времени они имеют контакт с какой-то парой пластин на коллекторе (редко щеток бывает четыре). Эта пара пластин подключена к роторным обмоткам, то есть, через щетки на обмотку подаётся питание. Вокруг якоря возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем статора. Результирующий вектор этого взаимодействия «толкает» якорь, заставляя его вращаться.

Вал прокручивается, щетки контактируют с другой парой пластин, передавая потенциал на другие обмотки, которое проталкивают якорь дальше. Так и работает коллекторный двигатель постоянного тока, а более подробно в предыдущей статье.

Универсальный

В большей части бытовой техники, которая работает от сети, стоит универсальный коллекторный двигатель. Его отличия от описанного выше незначительны. Как может одна и та же конструкция работать и на постоянном и на переменном напряжении? Всё из-за того, что в этой машине взаимодействуют магнитные поля полюсов и роторных обмоток. Все знают, что поменять направление вращения якоря просто: надо изменить полярность на полюсах или на роторе. А что получится, если их поменять сразу и там, и там? Ничего. Якорь продолжит движение в прежнем направлении. На этом и основана работа коллекторного электродвигателя на переменном токе.

Универсальный коллекторный двигатель в разрезе

Обмотки возбуждения и якоря соединяются последовательно, так, что полярность питания на них меняется практически в одно и то же время. Единственное, что пришлось изменить в универсальном двигателе – сделать сердечник якоря шихтованным. Это необходимо чтобы стабилизировать взаимодействие магнитных полей якоря и полюсов (с обмотками возбуждения).

Достоинства, недостатки, область применения

Почему коллекторные двигатели ставят в большей части бытовой и строительной техники? На то есть несколько причин. Первая: они могут разгоняться до высоких скоростей – до 10 тыс.об/мин. По сравнению с 3 тыс. об/мин, которые развивают асинхронные их ближайшие конкуренты, а это очень неплохо. Вторая причина популярности – ими легко управлять. Частота вращения напрямую зависит от приложенного напряжения, а момент от тока якоря. До появления полупроводников и создания частотных преобразователей, это был единственный тип электродвигателей, который позволял легко и достаточно точно управлять скоростью. Третья причина широкого применения, несложная конструкция и относительно небольшая цена. Четвёртая – они могут иметь хороший крутящий момент даже на небольших оборотах.

Один из популярных видов электродвижков — коллекторный двигатель

Все эти свойства определили широкую область применения коллекторных двигателей постоянного тока. Они стоят на стиральных машинах, в дрелях, миксерах и т.д. Везде, где требуются высокие скорости, возможность плавной регулировки, хороший крутящий момент.

Но наличие щеток, которые искрят и стираются, вносит свои коррективы. Этот узел требует постоянного ухода, часто щетки приходится заменять, коллектор чистить. Кроме того, он является причиной ещё двух неприятных моментов. Первая – шумная работа. Для строительной техники или промышленного оборудования это, возможно, и не очень критично, но для бытовой – существенный минус. Вторая неприятность – щетки перескакивают с одной пары на другую, так что потребление тока получается импульсным, что плохо влияет на параметры питания и создаёт радиопомехи. Это оказывает влияние на работающие рядом приборы с радиоуправлением. Это не только игрушки, но и разного рода пульты ДУ. Для сглаживания этих скачков на входе ставят конденсаторы, они сглаживают пульсации и убирают помехи.

Вентильные электродвигатели

Эти двигатели называют ещё вентильно-индукторными, безколлекторным или безщеточными. Бывают вентильные двигатели двух типов – «обычный» и с самовозбуждением. Причем отличаются и по устройству и по функциям.

Вентильные двигатели независимо от типа предусматривают электронное управление

Вентильно-индукторный двигатель

Если сравнивать виды электродвигателей по размеру, вентильные будут самыми маленькими. Что характерно, работают они от постоянного тока, причём питаются им статорные обмотки, ротор обмоток не имеет, а сделан из постоянных магнитов. Причём и ротор, и статор имеют зубчатое строение. В «комплект» входит датчик холла, небольшой современный контроллер, который определяет положение ротора и в зависимости от его положения подаёт питание на ту или другую пару обмоток на статоре. То есть, вентильный двигатель управляется при помощи электронного прибора.

Конструкция вентильного безколлекторного электродвигателя

Принцип работы, наверное, уже понятен. Питание подаётся на одну пару обмоток, вокруг неё возникает магнитное поле. К этому полю притягивается ближайший полюс магнита. Далее, питание переключается на следующую пару обмоток, магнит притягивается туда. Так и получается вращение ротора. Чем быстрее переключается питание, тем быстрее скорость вращения ротора. Как видим, никаких щеток, только магнитная индукция. Это и есть основной плюс, а минус – в «пульсирующем» характере крутящего момента. Потому вентильно-индукционные двигатели не применяются в транспорте, мало кому понравиться, если колёса будут прокручиваться рывками. Тем не менее рассматривая эти виды электродвигателей, приходим к выводу, что этот имеет четыре существенных плюса: простота конструкции, хорошая управляемость скоростью, отсутствие коллектора и четвёртый – малые габариты. Всё это позволяет заменять ими асинхронные движки в некоторых случаях.

С независимым возбуждением

Этот вид электродвигателей стоит выделить отдельно, так как он значительно отличается как по устройству, так и по характеристикам и области применения. Начнём с того, что ротор состоит из двух отдельных магнитных пакетов, разнесённых на некотором расстоянии друг от друга. Полюса двух пакетов ориентированы так, чтобы результирующий момент был равен нулю (согласованное положение). Обмотка возбуждения крепится к статору хотя и обмотана вокруг ротора, но его она не касается. Магнитная система статора также собрана из металлических пластин. По характеру трёхфазная распределённая, три фазных обмотки со смещением друг относительно друга на 120°. Обмотка статора по размерам слегка больше либо равна собранному ротору (оба пакета охватывает магнитное поле).

Вентильно-индукционный электродвигатель с самовозбуждением

Питание подаётся на одну из обмоток статора. Поле, наводимое, в роторе поворачивает его так, чтобы оно совпало с полем статора. Причём поле одновременно наводится в двух пакетах, так что движение не такое скачкообразное, как у предыдущей модели. Питание переключается на следующую обмотку, вращение продолжается.

Чем хорош этот вид электродвигателей? Плюсов много. Легко управлять скоростью вращения, как у синхронных машин с обмоткой возбуждения, доступно векторное управление. Можно увеличивать или уменьшать скорость, регулировать момент. В нём нет магнитов, которые стоят немало, да ещё могут размагнититься. И еще один плюс, нет коллектора и щеток. Минус, все-таки есть. Этот вид электродвигателей нельзя запитать напрямую от сети – требуется преобразователь. И ещё, он имеет более сложную конструкцию, чем описанный выше вариант. Зато крутящий момент более плавный и практически линейный.

Переменного тока

Электрические двигатели переменного тока бывают синхронными и асинхронными. Чем отличаются эти виды электродвигателей? Разница в том, что у синхронных ротор вращается с той же скоростью, с которой изменяется поле статора, в асинхронных моделях скорость ротора отличается.

Есть два типа двигателей переменного тока – с синхронным и асинхронным вращением ротора

Асинхронный двигатель переменного тока

В устройствах, которые питаются от трехфазной сети обычно ставят асинхронные движки. Так, что на производстве стоят именно они. В этих машинах в статор отдельная электромагнитная система. Внутрь корпуса вставляются пластины, в пазах которых располагаются фазные обмотки. Обычно фаз в статоре три, но может быть две, а может и много.

Ротор может быть двух типов – короткозамкнутый или фазный. Короткозамкнутый может быть цельнометаллическим (последние модели) или состоять из «беличьей» клетки с залитыми алюминием промежутками между стержнями клетки. Ротор вставляется в статор, между ними оставляют минимальный зазор, не более пары миллиметров даже для самых мощных. На статор подается напряжение, которое формирует вращающееся магнитное поле. Ротор попадает в зону действия магнитного поля, в нем наводятся токи. Результирующее поле имеет определённое направление, так что ротор начинает вращение. Так как поле возникает путём индукции, электрического контакта ротора со статором нет, нет коллектора и щеток. Вал фиксируется только в крышках статора на подшипниках. Этот двигатель относится к группе бесщеточных (безколлекторных).

Асинхронный двигатель с разными роторами

Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет коллекторный узел. На вал надевают магнитопровод из наборных пластин с ячейками под три фазные обмотки. Питание на обмотки подаётся через коллекторный узел, в них поочерёдно возникает магнитное поле, которое вкладывается с магнитным полем статора. Благодаря этому возникает вращение.

Особенности однофазных моделей

В однофазном асинхронном двигателе в статоре располагают две обмотки: она фазная, вторая вспомогательная или стартовая. Она нужна для «разгона» ротора, чтобы придать ему начальное вращение. Для обеспечения «отставания» включается стартовая обмотка через конденсатор. Так что часто такой тип асинхронника называют конденсаторным двигателем. Хотя, по сути, двигатель всё тот же асинхронный, но двухфазный.

Такие двигатели не могут развивать достаточного крутящего момента, потому применяются там, где это не требуется, например в вытяжных вентиляторах. Другие виды электродвигателей в этой области не применяют, так как большой крутящий момент тут излишен.

Как уже говорили, асинхронные двигатели популярны и в основном модели с короткозамкнутым ротором. Плюсов несколько. Первый – нет коллектора, что упрощает конструкцию, мотор требует более простого и редкого обслуживания. Второй – их можно подключать к сети напрямую. Во время старта потребление тока сильно возрастает (в 3-7 раз по сравнению с номинальным), го такие перегрузки допустимы. Третий – конструкция проста и следовательно недорога.

Область применения асинхронных двигателей промышленные процессы, оборудование. Особенно там, где нет необходимости в высоких скоростях и в изменении скорости. Максимальная скорость, которую может развить подобный движок – 3 тыс. об /мин. Не так много, но для большинства оборудования достаточно. Регулируется скорость у такого движка слабо. Можно понизить напряжение и скорость уменьшится. Но если напряжение будет слишком низким, вырастет отставание скорости ротора от скорости магнитного поля, что приведёт к перегреву и двигатель может перегореть.

Область применения двигателей переменного тока – приводить в действие оборудование на производстве

В настоящее время решена проблема регулирования скорости асинхронных двигателей. Их используют совместно с преобразователями частоты, подавая напряжение с них или встраивают этот блок в конструкцию, получая так называемые инверторные двигатели. В большинстве случаев, это именно асинхронники, питание которых осуществляется через встроенный преобразователь. Что позволяет менять скорость в ещё более широких пределах, чем это позволяет делать двигатель постоянного тока. Причём может регулироваться и момент, уходит проблема стартовых токов, выключать движок тоже можно «мягко».

Синхронные электродвигатели

Статор синхронного двигателя переменного тока сделан практически так же, как и асинхронного. Разница между ними в устройстве ротора. Он состоит из постоянных магнитов. Они могут быть закреплены на поверхности или встроены внутрь. Так что виды электродвигателей, синхронный от асинхронного, можно отличить по ротору.

Когда на обмотки статора подаётся питание, возникает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле ротора постоянное и при их взаимодействии возникает крутящий момент, который и «проталкивает» ротор. Во время работы постоянное поле магнитов на роторе «сцепляется» с вращающимся магнитным полем статора, потому их скорости вращения одинаковы и скоростью ротора легко управлять. Но это явление затрудняет пуск. Ротор «сцепится» с полем статора только, если будет иметь ту же скорость.

Ротор синхронного двигателя постоянного тока сделан из магнитов

У синхронных электродвигателей есть одна проблема – их сложно завести. Скорость вращения ротора должна быть равна скорости поля статора или так, или никак. Сразу, со старта он развить такую скорость просто не может, потому поле статора просто «соскальзывает». В результате ротор, при старте просто подрагивает, но не вращается. Говорят двигатель «не синхронизировался». Проблема обычно решается устройством на роторе специальной пусковой обмотки асинхронного типа. С её помощью вал разгоняется, затем пусковая обмотка отключается, а постоянное поле магнитов синхронизирует частоту вращения.

Достоинства, недостатки, применение

Как вы уже, наверное, поняли, скорость синхронного двигателя никак не регулируется. В смысле, можно изменять скорость магнитного поля статора, а оно зависит от частоты. До изобретений полупроводниковых приборов это было сложно, хлопотно и неэффективно. Несмотря на стабильность работы, простоту конструкции, применялись они мало. Во-первых, трудно запустить; во-вторых, нет возможности регулировать скорость. Другие виды электродвигателей были более популярны.

С изобретением частотного преобразователя проблема исчезла. Частоту трехфазного тока с их помощью можно менять от 1 Гц до 500 Гц, так что и пределы регулировки асинхронного двигателя тоже могут быть более чем значительны. Причем характеристики этой «пары» практически такие же, как и у двигателей постоянного тока. Потому сейчас синхронные двигатели с частотными преобразователями активно заменяют другие виды электродвигателей, например, ставят вместо коллекторного привода. Пример тому стиральные машины с прямым приводом, кулеры охлаждения. Стали менять и двигатели постоянного тока, появились новые электропоезда с синхронными двигателями и частотными преобразователями.

Виды электродвигателей: какой лучше

Описаны только основные виды электродвигателей и даны краткие характеристики, очень сжато описано устройство и принцип работы. Тем не менее, уже можно сделать выводы о том, что идеального решения, причём для всех случаев, просто нет. Есть наиболее подходящее для каждого конкретного случая.

• Асинхронный электродвигатель без частотного регулирования – лучший выбор для насосов.
• Коллекторный двигатель с его регулируемыми скоростями вне конкуренции для дрелей и пылесосов. И то, в последнее время стали делать с вентильными, они без щеток, что делает работу тише, срок службы дольше, хотя цену выше. Так что, тут, как посмотреть.

  Выбирать вид электродвигателя надо под каждый конкретный случай

• Для вентиляторов с длительным режимом работы выбирать приходится между асинхронных и вентильных. Но только если они не слишком мощные. Для мощных важным является возможность разделения на секции, а это проще реализовать у вентильных. И даже на кулерах стали в последнее время использовать вентильные с магнитным ротором.

В общем, чтобы ответить какой лучше, надо рассматривать совокупность условий и характеристик работы. Принимать во внимание достоинства и недостатки, перебирать все виды электродвигателей и только так можно найти оптимальный.

Принцип работы электродвигателя

Принцип работы электродвигателя основывается на эффекте обнаруженном Майклом Фарадеем еще в 1821 году. Он сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита, может возникнуть непрерывное вращение.

Принцип работы электродвигателя постоянного тока

Если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться. В результате рамка повернется в горизонтальное положение, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент. На рисунке выше это делается при помощи двух полуколец, к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается.

В современных электродвигателях вместо постоянных магнитов для создания магнитного поля используются катушки индуктивности или электромагниты. Если разобрать любой мотор, то Вы увидите намотанные витки проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эти витки и есть электромагнит или как их еще называют обмотка возбуждения.

Простыми словами о сложном

На самом деле там векторное произведение, дифференциалы и т.п. но это детали, а у нас упрощённый случай. И так…

Рис. 1 Основа работы электрического двигателя

Направление силы ампера определяется правилом левой руки.

Рис. 2 Правило левой руки

Мысленно ставим левую ладонь на верхний рисунок и получаем направление сил Ампера. Она типа растягивают рамку с током в том положении как нарисовано на рис.1. И никуда вертеться тут ничего не будет, рамка в равновесии, устойчивом.

А если рамка с током повернута по-другому, то вот что будет:

Рис. 3 Рамка

Здесь уже равновесия нет, сила Ампера разворачивает противоположные стенки так, что рамка начинает вращаться. Появляется механическое вращение. Это основа электрического двигателя, самая суть, дальше только детали.

Далее.

Теперь что будет делать рамка с током на рис.3?. Если система идеальная, без трения, то очевидно будут колебания. Если трение присутствует, то колебания постепенно затухнут, рамка с током стабилизируется и станет как на рис.1.

Но нам нужно постоянное вращение и достичь его можно двумя принципиально разными способами и отсюда и возникает разница между двигателями постоянного и переменного трёхфазного тока.

Принцип работы электродвигателя постоянного тока

Способ 1. Смена направления тока в рамке.

Этот способ используется в двигателях постоянного тока и его потомках.

Наблюдаем за картинками. Пусть наш двигатель обесточен и рамка с током ориентирована как-то хаотично, вот так например:

Рис. 4.1 Случайно расположенная рамка

На случайно расположенную рамку действует сила Ампера и она начинает вращаться.

Рис. 4.2

В процессе движения рамка достигает угла 90°. Момент (момент пары сил или вращательный момент) максимальный.

Рис. 4.3

И вот рамка достигает положения, когда момента вращения нет. И если сейчас не отключить ток, то сила Ампера будет уже тормозить рамку и в конце полуоборота рамка остановится и начнёт вращение в противоположном направлении. Но нам ведь этого не надо.

Поэтому мы на рис.3 делаем хитрый ход – меняем направление тока в рамке.

Рис. 4.4

И вот после пересечения этого положения, рамка с поменянным направлением тока уже не тормозится, а снова разгоняется.

Рис. 4.5

А когда рамка подходит к следующему положению равновесия, мы меняем ток ещё раз.

Рис. 4.6

И рамка опять продолжает ускоряться куда нам надо.

Вот так и получается постоянное вращение. Красиво? Красиво. Нужно только менять направление тока два раза за оборот и всего делов.

А делает это, т.е. обеспечивает смену тока специальный узел – щёточно-коллекторный узел. Принципиально он устроен так:

Рис. 5

Рисунок понятен и без пояснений. Рамка трётся то об один контакт, то об другой и так вот ток и меняется.

Очень важная особенность щёточно-коллекторного узла – его малый ресурс. Из-за трения. Например, вот движок ДПР-52-Н1 – минимальная наработка 1000 часов. В то же время срок службы современных бесколлекторных двигателей более 10000 часов, а двигателей переменного тока (там тоже нет ЩКУ) более 40000 часов.

Принцип работы электродвигателя переменного тока

Способ 2. Вращается магнитный поток, т.е. магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле получают с помощью переменного трёхфазного тока. Вот есть статор.

Рис. 6 Статор электродвигателя

А есть значит 3 фазы переменного тока.

Рис. 7

Между ними как видно на Рис. 7 120 градусов, электрических градусов.

Эти три фазы укладывают в статор специальным образом, чтобы они геометрически были повернуты друг к дружке на 120°.

Рис. 8

И тогда при подаче трёхфазного питания получается само собой за счёт складывания магнитных потоков от трёх обмоток вращающееся магнитное поле.

Рис. 9 Вращающееся магнитное поле

Далее вращающееся магнитное поле влияет силой Ампера на нашу рамку и она вращается.

Но здесь есть тоже различия, два разных способа.

Способ 2а. Рамка запитывается (синхронный двигатель).

Подаём значит на рамку напряжение (постоянное), рамка выставляется по магнитному полю. Помните рис.1 из самого начала? Вот так рамка и становится.

Рис. 10 (Рис.1)

Но поле магнитное у нас тут вращается, а не просто так висит. Рамка чего будет делать? Тоже будет вращаться, следуя за магнитным полем.

Они (рамка и поле) вращаются с одинаковой частотой, или синхронно, поэтому такие двигатели называются синхронными двигателями.

Способ 2б. Рамка не запитывается (асинхронный двигатель).

Фишка в том, что рамка не запитывается, совсем не запитывается. Просто проволока такая замкнутая.

Когда мы начинаем вращать магнитное поле, по законам электромагнетизма в рамке наводится ток. От этого тока и магнитного поля получается сила Ампера. Но сила Ампера будет возникать только если рамка движется относительно магнитного поля (известная история с опытами Ампера и его походами в соседнюю комнату).

Так что рамка всегда будет отставать от магнитного поля. А то, если она его вдруг почему-то догонит, то пропадёт наводка от поля, пропадёт ток, пропадёт сила Ампера и всё вообще пропадёт. То есть, в асинхронном двигателе рамка всегда отстаёт от поля и частота у них значит разная, то есть вращаются они асинхронно, поэтому и двигатель называется асинхронным.

Лом электродвигателей, цена за 1 кг лома и как разобрать двигатель

Рано или поздно электродвигатель окончательно выходит из строя, и его необходимо сдать в металлолом. Сложность заключается в том, что данные изделия состоят из разнородного количества и сортамента: меди, чугуна, электростали. Поэтому непосредственно сдать лом электродвигателей на пункт приёма нерационально: требуется некоторая подготовка.

Сложности разборки электродвигателя на лом и решение проблемы

Предлагаем почитать реальную историю нашего подписчика о его опыте добыче меди из лома электродвигателя — Медь и электродвигатель АИРХМ132S6У3.

Электродвигатели, которые подлежат сдаче в лом, различаются по мощности, габаритам и типу, а, следовательно, имеют и различное устройство.

Например, по своим размерам двигатели можно подразделить на мелкие, мощностью до 3 кВт, средние, мощностью до 10 кВт и более крупные. Различается также устройство двигателей переменного и постоянного тока.

Маленькие электродвигатели

Электродвигатель 100квт

Многие базы Вторчермета предлагают свои услуги по демонтажу двигателей. Однако при должной квалификации подобные работы можно выполнить и самостоятельно. Более того, одновременно можно выполнить сортировку деталей из разных металлов и сплавов. Существует несколько способов разделки, перед тем, как сдать электродвигатель в лом. Самым простым считается вскрытие корпуса, отделение статора от ротора, а затем последующая сортировка деталей. С этой целью можно применить и механизированную сепарацию, но она в таких ситуациях малопроизводительна, поэтому многие работы выполняются вручную. Кроме того, невозможно удалить алюминиевую и/или медную обмотки, а преобладающая часть цветных металлов и специальных сталей своего вида вообще не меняют. Например, пластины электротехнической стали остаются в слое изоляции, а вал часто не извлекается.

Видео — достаем медь (обмотки) из статора электродвигателя:

Как разобрать электродвигатель на лом быстро и качественно? Оптимальной является разборка, в ходе которой фронтальная часть обмотки статора и ротора отрезается дисковой пилой, а затем изоляция обжигается. После этого извлечь медные провода уже довольно легко. Затем обжигается лобовая часть, и производится спрессовывание медной обмотки.

Рекомендуемая последовательность разборки заключается в следующем:

• Снимается крышка, ослабляются и извлекаются все крепёжные детали;

• Снимаются подшипники;

• Вынимается ротор;

• Демонтируется задняя крышка и снимается вал;

• Выполняется распайка всех соединений, после чего извлекается обмотка.

Был выдуман даже специальный станок для удаления обмотки статора электродвигателя — видео:

Все удаляемые из корпуса части сортируют, после чего можно раздробить коллектор и корпус электродвигателя, используя пневматические молотки с насадками в форме зубила. Медьсодержащие узлы разрезают на фрагменты диной 150…200 мм, а для лучшего извлечения алюминиевых частей можно применить нагрев ротора до 650…7000С, и выдержать его при такой температуре в течение 1,5…2 часов: при таких условиях можно полностью выплавить алюминиевые стержни из ротора.

Как определить содержание меди в электродвигателе

При описанном выше способе разделки цветных металлов такая проблема вообще не возникает. Достаточно просто оценить массу фрагментов стального, чугунного литья, алюминиевых и медных составляющих. Очистку меди от более легких материалов выполняют при помощи пневматической очистки, когда применяются промышленные пылесосы. С их помощью можно легко отделить резину, пластик, остатки неснятой изоляции и т.д.

Электродвигатель в разрезе

Для количественной оценки наличия меди применяется метод спектроскопической сортировки с использованием явления лазерной эмиссии. Импульс лазерного излучения направляется на поверхность медной пластины, и, отражаясь от неё, воспринимается спектральным датчиком. Он по длине волны характеристического излучения, устанавливает марку меди и, следовательно, её содержание в исследуемом фрагменте. Метод пригоден лишь тогда, когда медьсодержащие части находятся в чистом состоянии, не окрашены, и не имеют жировых поверхностных загрязнений.

Более сложно производить оценку количества меди в кабельной продукции. В крупных пунктах, где производится приём электродвигателей на лом, кабельную продукцию сортируют по следующим группам:

• Проводка, покрытая слоем изоляции;

• Проводка, покрытая двумя слоями изоляции.

Во втором случае неизбежно приходится удалять наружный слой вручную. Далее выполняется резка медной проводки на куски по 150…200 мм, разделение проводов от изоляции, очистка и взвешивание.

Медь в электродвигателе

Ориентировочно количество меди в электродвигателе можно оценить по его мощности, используя данные следующей таблицы:

N, кВт	До 1	До 2,5	До 4	До 10	До 20	До 30	До 50
m, кг	1,5…2,0	2,5…3,5	3,5…4,0	5,0…8,0	10…13	14…20	20…28

Цена на лом электродвигателей

Цены при сдаче электродвигателей в лом составляют примерно 20 руб/кг — среднерыночная цена по России. Это означает, что электродвигатели в неразобранном виде можно привести на пункт приема — их завешивают и рассчитываются 20 руб/кг, что, в принципе, тоже неплохо, т.к. некоторые вообще умудряются сдавать электродвигатели как лом черных металлов, по категории 3А.

Электродвигатели на лом

Цена на лом электродвигателей может зависеть от: количества двигателей, объёма работ, которые требуется провести по дроблению корпуса электродвигателя и выполнения переходов сепарирования цветных и чёрных металлов.

Если двигателей много, то рентабельнее произвести разделение меди и чугуна (корпуса электродвигателя). Для этого можно нанять человека, кто будет кувалдой колоть корпуса, а другой будет заниматься добычей меди. Все зависит от количества двигателей. Если их много — то работы могут занять несколько дней, при этом расходы на зарплату будут мизерными — 1500-2000 рублей в день, а полученный доход от меди и чугуна в итоге с лихвой перекроет все затраты.

Лом электродвигателей, цена которого определяется массой и мощностью двигателя, а также его конструкцией – важный источник поставки сырья чёрных и цветных металлов на металлургические мини-заводы.

Таблица расчета меди в электродвигателях:

Электродвигатели 4А, 4АМ масса, кг при числе пар полюсов
Мощность, кВт	2/3000 об/мин		4/1500 об/мин		6/1000 об/мин		8/750 об/мин
	двигатель	медь, кг	двигатель	медь, кг	двигатель	медь, кг	двигатель	медь, кг
0,06			3,3/3	0,419/0,485
0,09	3,3/3	0,426/0,440	3,3/3	0,542/0,534
0,12	3,3/3	0,542/0,534	4,5/4,3	0,50/0,48
0,18	4,5/4,3	0,42/0,38	4,5/4,3	0,55/0,63	6,3/6,1	0,64/0,62
0,25	4,5/4,3	0,45/0,44	6,3/6,1	0,59/0,61	6,3/6,1	0,83/0,85	15,1/14	0,95
0,37	6,3/6,1	0,58/0,55	6,3/6,1	0,59/0,61	15,1/14	0,97	17,5/17,1	1,16
0,55	6,3/6,1	0,60/0,62	15,1/14	0,92/0,93	15,1/14	1,08/1,11	20,0/19,5	1,33/1,34
0,75	15,1/14	0,91/0,93	15,1/14	0,94/0,97	17,5/17,1	1,24/1,19	25,5	1,58/1,62
0,9							25,5	1,59/1,53
1,1	15,1/14	0,96/0,92	17,5/17,1	1,36/1,35	20,0/19,5	1,58/1,51	25,5	1,91/1,9
1,2							25,5	1,91/1,87
1,5	17,5/17,1	1,59/1,51	20,0/19,5	1,49/1,44	28,7/25,5	1,95/1,92	42,0/40,5	2,28/2,25
1,7					28,7/25,5	1,88/1,90	42,0/40,5	2,56/2,49
2,2	20,0/19,5	1,82/1,74	28,7/25,5	1,92/1,87	42,0/40,5	2,28/2,25	56,0/54,0	3,04/3,16
2,4			28,7/25,5	1,92/1,93
3	28,7/25,5	2,51/2,6	36,0/36,4	2,80/2,95	56,0/54,0	3,05/2,99	56,0/54,0	3,45/3,65
3,5	28,7/25,5	2,50/2,42
4	36,0/36,4	3,76/3,64	42,0/40,5	2,81/2,95	56,0/54,0	3,42/3,42	77,0/72,0
5,5	42,0/40,5	4,12/4,0	56,0/54,0	3,49/3,53	77,0/72,0	4,35/4,38	93,0/90,0
7,5	56,0/54,0	4,79/4,71	77,0/72,0	5,44/5,20	93,0/90,0	4,94/5,07	135,0	7,3
11	93,0/90,0		93,0/90,0	6,09/6,26	135,0	7,9/8,1	160,0	8,4/8,5
15	130,0	9,0/9,2	135,0	9,9/10,9	160,0	9,2/9,3	195,0	11,7/11,6
18,5	145,0	9,7/9,6	160,0	11,3/11,2	195,0	12,1/12,2	270,0	13,5/13,1
22	165,0	12,5/12,3	175,0	13,2	270,0	15,9/15,8	310/300	14,5
30	185,0	14,8/14,4	195,0	14,5/14,4	310/300	16,8/16,6	355	19,4/19,3
37	255/250	19,7/19,5	270	17,6/18,1	355	21,3/21,6	490	22,7/23,5
45	280/275	21,0/20,7	310/300	20,5/19,5	490	26,6	535	26,8/25,8
55	355/350	24,8/24,7	355	25,8/25,1	535	27,0/27,9	785
75	470	33	490	39,6/38	785		835
90	510	34,8/35,0	535	43,8/40,0	835		875

Электродвигатели

Дмитрий Левкин Электрический двигатель, сокращенно электродвигатель — электрическая машина, с помощью которой электрическая энергия преобразуется в механическую, для приведения в движение различных механизмов. Электродвигатель является основным элементом электропривода.

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является — электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

Стандартная конструкция вращающегося электродвигателя

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

1. Согласно закону Ампера на проводник с током I в магнитном поле будет действовать сила F. 2. Если проводник с током I согнуть в рамку и поместить в магнитное поле, то две стороны рамки, находящиеся под прямым углом к магнитному полю, будут испытывать противоположно направленные силы F3. Силы, действующие на рамку, создают крутящий момент или момент силы, вращающий ее. 4. Производимые электродвигатели имеют несколько витков на якоре, чтобы обеспечить больший постоянный момент.5. Магнитное поле может создаваться как магнитами, так и электромагнитами. Электромагнит обычно представляет из себя провод намотанный на сердечник. Таким образом, по закону электромагнитной индукции ток протекающий в рамки будет индуцировать ток в обмотки электромагнита, который в свою очередь будет создавать магнитное поле.

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

Классификация электродвигателей

Вращающийся электродвигатель
Само коммутируемый			Внешне коммутируемый
С механической коммутацией (коллекторный)		С электронной коммутацией1 (вентильный2, 3)	Асинхронный электродвигатель	Синхронный электродвигатель
Переменного тока	Постоянного тока	Переменного тока4	Переменного тока
Универсальный Репульсионный	КДПТ с обмоткой возбуждения Включение обмотки Независимое Последовательное возбуждения Параллельное Комбинированное КДПТ с постоянными магнитами	БДПТ (Бесколлекторный двигатель + ЭП |+ ДПР) ВРД (Реактивный двигатель с ротором с явновыраженными полюсами и сосредоточенной обмоткой статора + ЭП |+ ДПР)	Трехфазный (многофазный) АДКР АДФР Двухфазный (конденсаторный) Однофазный с пусковой обмоткой с экранированными полюсами с асимметричным магнитопроводом	СДОВ СДПМ СДПМВ СДПМП Гибридный СРД Гистерезисный Индукторный Гибридный СРД-ПМ Реактивно-гистерезисный Шаговый5
Простая электроника	Выпрямители, транзисторы	Более сложная электроника	Сложная электроника (ЧП)

Примечание:

1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, — датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря .
3. Вентильный электродвигатель постоянного тока — электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля .
4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

Аббревиатура:

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

• СДПМ — синхронный двигатель с постоянными магнитами
• СДПМП — синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
• СДПМВ — синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами
• СРД — синхронный реактивный двигатель
• ПМ — постоянные магниты
• ЧП — частотный преобразователь

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором . В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Может работать на переменном и постоянном токе. Широко используется в ручном электроинструменте и в некоторых бытовых приборах (в пылесосах, стиральных машинах и др.). В США и Европе использовался как тяговый электродвигатель. Получил большое распространение благодаря небольшим размерам, относительно низкой цены и легкости управления.

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Электрическая машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую. Преимуществами электродвигателя постоянного тока являются: высокий пусковой момент, быстродействие, возможность плавного управления частотой вращения, простота устройства и управления. Недостатком двигателя является необходимость обслуживания коллекторно-щеточных узлов и ограниченный срок службы из-за износа коллектора.

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

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

Асинхронный электродвигатель

Наиболее распространенный электродвигатель в промышленности. Достоинствами электродвигателя являются: простота конструкции, надежность, низкая себестоимость, высокий срок службы, высокий пусковой момент и перегрузочная способность. Недостатком асинхронного электродвигателя является сложность регулирования частоты вращения.

Cинхронный электродвигатель

Синхронные двигатели обычно используются в задачах, где требуется точное управление скоростью вращения, либо где требуется максимальное значение таких параметров как мощность/объем, КПД и др.

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Серводвигатели не являются отдельным классом двигателей. В качестве серводвигателя могут использоваться электродвигатели постоянного и переменного тока с датчиком положения ротора. Серводвигатель используется в составе сервомеханизма для точного управления угловым положением, скоростью и ускорением исполнительного механизма. Для работы серводвигатель требует относительно сложную систему управления, которая обычно разрабатывается специально для сервопривода.

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

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

,

• где M – вращающий момент, Нм,
• F – сила, Н,
• r – радиус-вектор, м

Справка: Номинальный вращающий момент Мном, Нм, определяют по формуле

,

• где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• nном — номинальная частота вращения, мин-1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

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

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

• Мощность электродвигателя постоянного тока

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

• где P – мощность, Вт,
• A – работа, Дж,
• t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы .

,

• где s – расстояние, м

Для вращательного движения

,

• где – угол, рад,

,

• где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение — значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

• где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
• P1 — подведенная мощность (электрическая), Вт,
• P2 — полезная мощность (механическая), Вт

При этом потери в электродвигатели обусловлены:
• электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
• магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
• механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
• дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

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

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Частота вращения

• где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

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

,

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

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

1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

• где – угловое ускорение, с-2

,

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

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики .

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

• где – постоянная времени, с

Механическая характеристика

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

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

• Сравнение механических характеристик электродвигателей разных типов при ограниченном токе статора
• Зависимость мощности от скорости вращения вала для двигателей разных типов при ограниченном токе статора

Параметр	АДКР	СДПМП	СДПМВ	СРД-ПМ	СДОВ
Постоянство мощности во всем диапазоне скоростей
Момент к току статора
Эффективность (КПД) во всем рабочем диапазоне
Вес

Примечание: Оранжевый цвет — низкий показатель, желтый цвет — средний показатель, светло-желтый цвет — высокий показатель. Аббревиатура:

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

В соответствии с выше приведенными показателями гибридный синхронный электродвигатель, а именно синхронный реактивный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами, является наиболее подходящим для применения в качестве тягового электродвигателя в автомобилестроении (выбор проводился для концепта автомобилей BMW i3 & BMW i8). Использование реактивного момента обеспечивает высокую мощность в верхнем диапазоне скоростей. Более того такой двигатель обеспечивает очень высокую эффективность (КПД) в широком рабочем диапазоне .

Области применения электродвигателей

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии .

Электродвигатели используются повсеместно, основные области применения:
• промышленность: насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, движущая сила для других машин и др.
• строительство: насосы, вентиляторы, конвейеры, лифты, системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха и др.
• потребительские устройства: холодильники, кондиционеры, персональные компьютеры и ноутбуки (жесткие диски, вентиляторы), пылесосы, стиральные машинки, миксеры и др.

ЭД1	Функции	Области применения
Вращающиеся электродвигатели	Насосы	Системы водоснабжения и водоотведения
		Системы перекачки охлажденной или нагретой воды, системы отопления, ОВК2, системы полива
		Системы канализации
		Перекачка нефтепродуктов
	Вентиляторы	Приточно-вытяжная вентиляция, ОВК2, вентиляторы
	Компрессоры	Системы вентиляции, холодильные и морозильные установки, ОВК2
		Накопление и распределение сжатого воздуха, пневматические системы
		Системы сжижения газа, системы перекачки природного газа
	Вращение, смешивание, движение	Прокатный стан, станки: обработка металла, камня, пластика
		Прессовое оборудование: обработка алюминия, пластиков
		Обработка текстиля: ткачество, стирка, сушка
		Смешивание, взбалтывание: еда, краски, пластики
	Транспорт	Пассажирские лифты, эскалаторы, конвейеры
		Грузовые лифты, подъемные краны, подъемники, конвейеры, лебедки
		Транспортные средства: поезда, трамваи, троллейбусы, автомобили, электромобили, автобусы, мотоциклы, велосипеды, зубчатая железная дорога, канатная дорога
	Угловые перемещения (шаговые двигатели, серводвигатели)	Вентили (открыть/закрыть)
		Серво (установка положения)
Линейные электродвигатели	Открыть/закрыть	Вентили
	Сортировка	Производство
	Хватать и перемещать	Роботы

Примечание:

1. ЭД — электродвигатель
2. ОВК — системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха

Производители электродвигателей

• Российские производители электродвигателей
• Производители электродвигателей ближнего зарубежья
• Производители электродвигателей дальнего зарубежья

Российские производители электродвигателей

Регион	Производитель	Асинхронный двигатель		Синхронный двигатель				УД	КДПТ
		АДКР	АДФР	СДОВ	СДПМ, серво	СРД, СГД	Шаговый		КДПТ ОВ	КДПТ ПМ
Краснодарский край	Армавирский электротехнический завод
Свердловская область	Баранчинский электромеханический завод
Владимир	Владимирский электромоторный завод
Санкт-Петербург	ВНИТИ ЭМ
Москва	ЗВИ Московский электромеханический завод имени Владимира Ильича
Пермь	ИОЛЛА
Республика Марий Эл	Красногорский завод «Электродвигатель»
Воронеж	МЭЛ
Новочеркасск	Новочеркасский электровозостроительный завод
Санкт-Петербург	НПО «Электрические машины»
Томская область	НПО Сибэлектромотор
Новосибирск	НПО Элсиб
Удмуртская республика	Сарапульский электрогенераторный завод
Киров	Электромашиностроительный завод Лепсе
Санкт-Петербург	Ленинградский электромашиностроительный завод
Псков	Псковский электромашиностроительный завод
Ярославль	Ярославский электромашиностроительный завод

Аббревиатура:

Производители электродвигателей ближнего зарубежья

Страна	Производитель	Асинхронный двигатель		Синхронный двигатель				УД	КДПТ
		АДКР	АДФР	СДОВ	СДПМ, серво	СРД, СГД	Шаговый		КДПТ ОВ	КДПТ ПМ
Беларусь	Могилевский завод «Электродвигатель»
Беларусь	Полесьеэлектромаш
Украина	Харьковский электротехнический завод «Укрэлектромаш»
Молдова	Электромаш
Украина	Электромашина
Украина	Электромотор
Украина	Электротяжмаш

Производители электродвигателей дальнего зарубежья

Страна	Производитель	Асинхронный двигатель		Синхронный двигатель				УД	КДПТ
		АДКР	АДФР	СДОВ	СДПМ, серво	СРД, СГД	Шаговый		КДПТ ОВ	КДПТ ПМ
Швейцария	ABB Limited
США	Allied Motion Technologies Inc.
США	Ametek Inc.
США	Anaheim automation
США	Arc System Inc.
Германия	Baumueller
Словения	Domel
США	Emerson Electric Corporation
США	General Electric
США	Johnson Electric Holdings Limited
Германия	Liebherr
Швейцария	Maxon motor
Япония	Nidec Corporation
Германия	Nord
США	Regal Beloit Corporation
Германия	Rexroth Bosch Group
Германия	Siemens AG
Бразилия	WEG

>Как выбрать станину для электродвигателя

Корпус электродвигателя: алюминий или чугун

В зависимости от вида электродвигателя, назначения его конструкции, условий использования, станины электродвигателей отличаются как по своей форме, так и по используемому материалу для ее изготовления. Современные электродвигатели изготавливаются в корпусах двух видов: из алюминиевого сплава или чугуна. Как правило, электродвигатели мощностью от 0,12 до 11 кВт имеют алюминиевую станину, а моторы свыше 11 кВт чугунную. В связи с этими отличиями и технологии их изготовления имеют небольшие отличия.

Электродвигатели с чугунной станиной

Станины из чугуна изготавливаются способом отливки по технологии литья в песчаные формы и в большинстве случаев имеют литые лапы для крепления. При этом обрабатывается плоскость лап, внутренняя поверхность корпуса для посадки сердечника статора, поверхность для посадки подшипниковых щитов. Этот материал обеспечивает отсутствие магнитных нагрузок и жесткость конструкции корпуса. На производствах, где присутствуют высокие вибрации, электродвигатели с чугунной станиной являются необходимым условием. Например, в горнодобывающей промышленности на дробильно-сортировочном оборудовании устанавливают только и исключительно агрегаты в чугунном корпусе с литыми лапами. Эксплуатация мотора с алюминиевым корпусом в таких условиях непременно приведет к механическим повреждениям агрегата. Самое распространенное повреждение это трещины соединения лап с корпусом и последствия этого. Ну а если мотор устанавливается на фланец, и по условиям конструкции лапы электромотора будут мешать установке электродвигателя, то, в крайнем случае, лапы можно спилить.

Алюминиевые электродвигатели

Алюминиевые корпуса изготавливаются методом литья под давлением в специальных литейных машинах или методом экструзии из алюминиевой трубы. Для литья станин используется не чистый алюминий, а его сплав. В этих станинах лапы мотора прикручены к корпусу болтами. Эта конструкция обеспечивает легкий переход от крепления 2081 (лапы и фланец) на 3081 (фланец). Для этого нужно просто открутить лапы. В некоторых моторах есть возможность переставить лапы на другую плоскость корпуса, например, можно установить лапы так, что бы коробка выводов находилась справа либо слева, а не сверху как изначально задумано конструкцией. Правда в некоторых изделиях китайского производства, которые предусматривают такую модификацию, в результате этой особенности не соблюдается заявленная степень защиты. Неоспоримым плюсом эл двигателей с алюминиевыми корпусами является их небольшой вес. Сокращаются расходы на транспортировку агрегатов, небольшой вес двигателей положительно сказывается на общем весе оборудования, приводом которого он служит. Правда эксплуатационная надежность такого агрегата снижается, все-таки жесткость конструкции любого изделия является приоритетной при выборе. Однако, эти моторы незаменимы при использовании в вентиляционном оборудовании, поскольку важным условием этих конструкций является как раз небольшой вес.

Как видите в зависимости от использования агрегата и его условий работы можно подобрать и желаемый материал его станины. У разных производителей может быть возможность изготовления в разных корпусах, а может и отсутствовать. Например, ОАО «Владимирский электромоторный завод» изготавливает серию электродвигателей 5АМХ от 132 до 200 габарита в алюминиевом корпусе. Однако подшипниковые щиты у этих эл двигателей сделаны из чугуна, что обеспечивает им дополнительную прочность. На самом деле двигатели с алюминиевой станиной габарита свыше 200 мм редкость. Такие агрегаты изготавливаются только под заказ, и не каждый производитель справится с этой задачей. Если Вы сомневаетесь, какой материал подойдет именно для вашего оборудования или в выборе эл двигателя, обратитесь к нашим специалистам.

Асинхронные электродвигатели. Виды и устройство. Работа

Асинхронные электродвигатели были изобретены в 1889 году. В настоящее время выпускается большой спектр электрических двигателей. Из них наибольшую популярность приобрел электродвигатель асинхронного типа, трехфазный. Половина всей электроэнергии в мире расходуется такими электродвигателями. Они нашли широкое использование во многих отраслях промышленности, в быту, электроинструменте, так как имеет невысокую стоимость, повышенную надежность, простое обслуживание и эксплуатацию.

Область использования таких электромашин становиться все шире, так как их конструкция совершенствуется. В переводе с английского такой электродвигатель называют индукционным. И это легко объяснить, так как это вид моторов, в котором явление индукции применяется для создания полюсов, другими словами, применяются наводки для образования движущей силы. Особенностью асинхронных двигателей является отличие частоты поля от скорости вращения вала. В других типах двигателей используются постоянные магниты, обмотки и т.д.

Устройство

Асинхронные электродвигатели состоят из:

• Ротора.
• Статора.

Статор, состоит из основных частей:

• Корпус. Служит для образования соединений деталей мотора. При малом размере мотора корпус цельнолитой. Материал изготовления – чугун. Могут использоваться сплавы алюминия, либо сталь. Часто в небольших двигателях функцию сердечника выполняет корпус. В больших моторах со значительной мощностью корпус имеет сварную конструкцию.
• Сердечник. Эта деталь запрессована в корпус, и предназначена для повышения магнитной индукции, изготовлена из электротехнической стали в виде пластин. Для уменьшения потерь, возникающих при вихревых токах, сердечник покрывается лаком.
• Обмотка. Она расположена в пазах сердечника. Для ее намотки применяется медная проволока, секциями, соединенными между собой по определенной схеме. Витки образуют 3 катушки, которые по сути дела играют роль обмотки статора. Эта обмотка первичная, непосредственно к ней подключается питание.

Ротор:

• Ротор – элемент двигателя, находящийся во вращении, предназначен для трансформации магнитного поля в энергию движения, состоит из частей:
• Вал. Подшипники вала находятся на его хвостовиках. При сборке двигателя подшипники запрессовываются, фиксируются болтами к крышкам корпуса.
• Сердечник. Его сборку производят на валу двигателя. Он состоит из металлических пластин электротехнической стали, которая обладает свойством малого сопротивления магнитному полю. Форма сердечника в виде цилиндра используется для укладки катушки якоря, которая называется вторичной. Она получает энергию от магнитного поля, появляющегося вокруг обмоток статора при подаче питания.

С короткозамкнутым ротором.
Такой тип двигателя оснащен обмоткой в виде алюминиевых стержней, расположенных в пазах сердечника. На торце ротора они замыкаются между собой кольцами.

• С ротором, оснащенным контактными кольцами.

Оба типа моторов имеют схожую конструкцию статора. Разница состоит лишь в конструкции якоря.

Классификация по числу фаз

Асинхронные электродвигатели трехфазные являются основными типами моторов. Они оснащены 3-мя обмотками на статоре, смещены на 120 градусов, соединены между собой треугольником, либо звездой, получают питание от трех фаз переменного тока.

Асинхронные электродвигатели небольшой мощности чаще всего изготавливаются двухфазными. Они отличаются от 3-фазных моторов оснащением 2-мя обмотками на статоре, которые смещены между собой на угол 90 градусов.

В случае равенства токов по модулю, и их сдвигу по фазе на 90 градусов, действие мотора не будет иметь отличия от 3-фазного двигателя. Но такие типы двигателей чаще подключаются от однофазной сети, а искусственный сдвиг на 90 градусов образуется за счет конденсаторов.

Асинхронные электродвигатели однофазные оснащаются единственной обмоткой на статоре. Они практически не могут работать. Когда вал электродвигателя неподвижен, то при подаче питания образуется только импульсное магнитное поле, а момент вращения равен нулю. Но если ротор у такого электродвигателя принудительно раскрутить, то он сможет функционировать и приводить в действие какой-либо привод механизма.

В таком случае пульсирующее поле складывается из 2-х симметричных полей: прямого и обратного. Они образуют разные моменты: один двигательный, другой тормозной. Но двигательный момент получается больше тормозного, возникающего вследствие токов ротора высокой частоты.

В связи с этим 1-фазные моторы оснащаются второй обмоткой, применяющейся в качестве пусковой. В ее цепи для сдвига фаз подключают конденсаторы. Их емкость имеет значительную величину, и может достигать нескольких десятков мкФ при маломощном моторе, меньше 1000 ватт.

В управляющих системах применяют 2-фазные асинхронные электродвигатели, получившие название исполнительных. Они оснащены двумя обмотками статора, которые имеют сдвиг фаз на 90 градусов. Одна обмотка (возбуждения) питается от сети 50 герц, а вторая применяется в качестве управляющей.

Чтобы образовалось магнитное поле с вращающим моментом, ток в управляющей обмотке должен иметь сдвиг 90 градусов. Для регулировки скорости мотора изменяют значение тока в этой обмотке, либо меняют угол фазы. Реверсивное движение обеспечивается сменой фазы в обмотке управления на 180 градусов, с помощью переключения обмотки.

2-фазные асинхронные электродвигатели производятся в разных исполнениях:

• Короткозамкнутым ротором.
• Полым магнитным ротором.
• Полым немагнитным ротором.

Чтобы преобразовать движение вращения в поступательное движение, необходимо применение определенных механизмов. Поэтому при необходимости двигатель конструктивно выполняют таким образом, что его ротор сделан в виде бегунка с линейными движениями.

В таком случае двигатель получается развернутым. Обмотка статора такого мотора сделана, как и у обычного двигателя, но она должна быть уложена на всей длине перемещения бегунка (ротора) в пазы. Такой ротор в виде бегунка чаще бывает короткозамкнутым. К нему присоединен привод механизма. На краях статора располагают ограничители, которые не дают ротору выходить за определенные пределы.

Принцип действия

Якорь электродвигателя приводится в действие с помощью эффекта магнитного поля, возникающего в катушках статора. Для лучшего понимания принципа работы мотора, нужно освежить в памяти закон самоиндукции. Он говорит, что вокруг подключенного к питанию проводника образуется магнитное поле. Его величина прямо зависит от индуктивности проводника и потока частиц.

Также, магнитное поле образует силу, направленную в определенную сторону, которая вращает ротор мотора. Чтобы двигатель работал с достаточной эффективностью, нужно получить значительный магнитный поток. Его можно создать особой установкой первичной обмотки.

Источник напряжения выдает переменное напряжение, значит, вокруг статора магнитное поле будет с такими же свойствами, и прямо зависит от изменения тока сети. Фазы смещены между собой на 120 градусов.

Процессы в обмотке статора

Все фазы сети подключаются к катушкам статора, каждая фаза к определенной катушке. Поэтому магнитное поле будет иметь смещение на 120 градусов. Питание поступает в виде переменного напряжения, значит, вокруг катушек возникнет переменное магнитное поле.

Схема двигателя выполняется так, чтобы магнитное поле вокруг катушек постепенно менялось и переходило от одной катушки к другой. Так образуется магнитное поле с эффектом вращения. Можно определить частоту вращения, которая будет измеряться в числе оборотов вала мотора. Она вычисляется по формуле:

n = 60*f / p, где f – частота тока в сети, р – количество пар полюсов статора.

Работа ротора

Процессы во вторичной обмотке ротора, и особенность конструкции, которую имеют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.

К обмотке якоря напряжение не подается. Оно возникает из-за индукционной связи с первичной обмоткой. Из-за этого и происходит действие, обратное действию в статоре. Оно соответствует закону: при пересечении проводника магнитным потоком, в нем образуется электрический ток. Магнитное поле возникает вокруг первичной обмотки от того, что к ней подключается трехфазное питание.

Совместная работа ротора и статора

Мы имеем асинхронный мотор с ротором, в котором протекает электрический ток по его обмотке. Этот ток станет причиной появления магнитного поля возле обмотки якоря. Но полярность потока не будет совпадать с потоком статора. А значит, и сила, которая создается им, будет противодействовать силе магнитного поля первичной обмотки, что заставит двигаться ротор, потому что на нем выполнена вторичная обмотка, а вал закреплен на подшипниках в корпусе мотора.

Разберемся в ситуации, когда взаимодействуют силы магнитных полей ротора и статора, по истечении времени. Известно, что магнитное поле первичной катушки вращается с определенной частотой. Образованная им сила будет передвигаться с такой же скоростью. Это приводит в действие асинхронный двигатель, его ротор будет вращаться вокруг своей оси.

Для запуска электродвигателя его нужно подключить к напряжению 3-фазного тока. Выполнить такое подключение возможно двумя методами: звездой и треугольником.

Схема звездой

Здесь изображен способ соединения треугольником.

Схемы собираются в клеммной коробке, расположенной на корпусе двигателя.

Чтобы запустить электродвигатель в обратном направлении вращения, необходимо только изменить местами две любые фазы путем перебрасывания двух проводов в коробке двигателя.