Электродвигатель. Виды и применение. Работа и особенности

Устройство под названием «электродвигатель» предназначается для преобразования энергии э/м поля в ее механическую (вращательную) разновидность. Такие агрегаты широко применяются во многих областях хозяйственной деятельности человека. Они востребованы в механизмах, где вращательное движение вала двигателя позволяет производить полезную работу.

В основу работы электродвигателей различного типа заложен принцип взаимодействия магнитных полей, открытый М. Фарадеем в 1821 году. Коротко его суть можно сформулировать следующим образом:

• При протекании тока через провод (обмотку) вокруг него появляется собственное магнитное поле.
• Если такой провод находится рядом с постоянным магнитом – он начнет отклоняться в ту или другую сторону.
• Величина и вектор отклонения зависят от направления протекания потока электронов и его интенсивности.
• Если пропускать постоянный ток через рамку, расположенную в промежутке между двумя полюсами магнита – она начнет вращаться.
• Направление вращения зависит от того, в какую сторону движутся заряженные частицы.

Это открытие легло в основу разработки известного всем двигателя постоянного тока.

Представленный схематично электродвигатель состоит из следующих основных частей:

• Двухполюсный постоянный магнит.
• Вращающаяся рамка, по которой пропускается ток.
• Токосъемные графитовые щетки

Для полноценной работы такого устройства потребуется отдельный источник энергии.

Вращение рамочной конструкции в поле постоянного магнита объясняется отталкиванием однополярных полюсов и притягиванием противоположных. В реальном электродвигателе вместо одиночной рамки используется так называемый «ротор» или «якорь», состоящий из множества витков проводников выбранного диаметра.

На основании того же открытия была разработана еще одна разновидность преобразователя электроэнергии во вращательное движение. Это электродвигатель, в котором в качестве магнитов используются катушки с протекающим по ним трехфазным током. Принцип его работы точно такой же, что и у описанной выше модели, но конструкция и способ преобразования несколько иные.

В устройствах переменного тока ротор, расположенный между многополюсными катушками, под воздействием изменяющегося по величине и направлению э/м поля начинает вращаться. Чаще всего он изготавливается в виде цилиндра, состоящего из множества короткозамкнутых витков и внешне напоминающего клетку белки. Применение ротора, называемого «беличьим колесом», позволяет повысить КПД электродвигателя и улучшить его эксплуатационные показатели.

Разновидности электродвигателей

Электродвигатели классифицируются по следующим основным признакам:

• Вид электрической энергии, используемой для формирования э/м поля в катушках.
• Особенности взаимодействия неподвижного статора и вращающегося ротора.
• Способ подачи напряжения на подвижный узел.

В особую группу выделяются шаговые серводвигатели, ротор которых вращается не непрерывно, а дискретно (пошагово).

Согласно первому признаку все известные устройства делятся на двигатели постоянного и переменного тока. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы и востребован в определенных условиях эксплуатации.

По способу взаимодействия э/м полей статора и ротора электродвигатели подразделяются на асинхронные и синхронные. Первые отличаются от вторых тем, что скорость вращения ротора у них несколько меньше того же показателя для э/м поля статора. Он слегка отстает от вращающегося э/м потока и как бы «скользит» по нему. В синхронных устройствах такого отставания нет.

Асинхронный электродвигатель

Основными узлами являются неподвижный статор в виде медных обмоток и вращающийся ротор, вал которого передает механический импульс на приводной механизм. Катушки намотаны на сердечниках из специальной электротехнической стали, позволяющей получить нужные рабочие характеристики.

Они выполнены в виде трех групп одинаковых полюсов, разнесенных по окружности одна относительно другой на 120 градусов. На каждую такую группу от трехфазной сети подается напряжение соответствующей фазы, смещенное относительно двух других на ту же треть периода (360/3). Благодаря этому электромагнитное поле катушек перемещается по окружности статора с сетевой частотой 50 герц. При этом оно взаимодействует с э/м полем ротора, который начинает вращаться с той же радианной скоростью.

Помимо этих двух частей, асинхронный электродвигатель содержит следующие обязательные узлы:

1. Клеммная коробка.
2. Вал.
3. Статор.
4. Ротор.
5. Корпус.
6. Вентилятор.
7. Комплект подшипников скольжения.

Для охлаждения трущихся частей на корпус агрегата устанавливается вентилятор, работающий от того же трехфазного источника тока.

Асинхронные двигатели отличаются относительной дешевизной и высокой надежностью функционирования.

К недостаткам традиционно относят:

• Непостоянство скорости вращения вала.
• Сложность управления этим параметром.
• Его ограниченность по величине (не более 3000 оборотов в минуту).

Для устранения всех перечисленных недостатков был разработан синхронный электродвигатель.

Синхронные агрегаты

Этот тип электродвигателей примечателен тем, что ротор у них вращается синхронно с создаваемым статором э/м полем. В корпусе такого изделия также имеются полюса с обмотками (3). Подвижный ротор, называемый в этом случае «якорем», тоже состоит из обмоток, намотанных в пазах основания из электротехнической стали.

Выводы его катушек припаиваются к секторам коллектора 5, выполненного в виде токосъемного кольца. А на них в свою очередь подается рабочее напряжение, для чего используются графитовые щетки 4. За счет подачи напряжения на коллектор якоря в его обмотках формируется свое собственное э/м поле.

Вращающий момент в синхронных двигателях создается в результате взаимодействия между электромагнитными потоками ротора (якоря) и возбуждающей обмотки. Регулировать скорость вращения вала можно путем изменения величины прикладываемого к щеткам напряжения. В большинстве бытовых приборов, работающих по этому принципу, в качестве регулирующего органа чаще всего используется переменное сопротивление или проволочный реостат.

По способу подачи питания на вращающийся ротор все известные двигатели подразделяются на агрегаты с коллекторным подключением и обходящиеся без него. Вторая разновидность так и называется – бесколлекторные моторы. Они характеризуются высокой надежностью и привлекают пользователя низким уровнем вредных электромагнитных излучений.

К их достоинствам также относят:

• Отсутствие искрообразования, позволяющее применять эти устройства на особо опасных производствах.
• Пониженная шумность.
• Длительные сроки эксплуатации.
• Простота обслуживания.

Такие электродвигатели востребованы во взрывоопасных производствах, связанных с переработкой и перекачкой нефти и газа.

Бесколлекторные агрегаты применяются не только в промышленном производстве. Они востребованы и в быту, где на их основе производятся такие нужные в домашнем хозяйстве устройства, как электрические мясорубки, холодильники, пылесосы, а также вентиляторы, соковыжималки и т.п. Универсальность этих агрегатов заключается в том, что они выпускаются в двух исполнениях, одно из которых работает от сети переменного тока, а второе – от постоянного напряжения. Это позволяет применять такой электродвигатель в миниатюрных приборах самого широкого назначения.

Области применения асинхронных и синхронных машин

Асинхронные электродвигатели – самый распространенный тип устройств, преобразующих электрическую энергию во вращательное движение. Изделия этого класса широко применяются в самых различных областях народнохозяйственной деятельности. Чаще всего они используются в качестве приводных агрегатов, устанавливаемых в дерево- и металлообрабатывающих станках и в подобных им механизмах.

В бытовых условиях асинхронные двигатели применяются в приборах, где не требуется регулировка скорости вращения вала.

К этой категории относятся следующие изделия:

• Холодильники различных типов.
• Бытовые вентиляторы.
• Стиральные машины.
• Электробритвы.
• Звуковоспроизводящая аппаратура и другие устройства.

Однофазные синхронные (коллекторные) электродвигатели нередко применяются в быту там, где требуется высокая скорость вращения, а также возможность ее плавного изменения. Они востребованы и в тех областях, где необходима частота вращения вала более 3000 оборотов в минуту. Такой электродвигатель устанавливается в профессиональном и бытовом электроинструменте (в дрелях и перфораторах, например), а также в кофемолках, пылесосах и миксерах.

Похожие темы:

• Микродвигатели. Виды и устройство. Подключения и особенности
• Магнитные двигатели. Виды и устройство. Применение и работа
• Тахогенераторы. Виды и устройство. Работа и применение
• Сельсины. Виды и режимы работы. Принцип действия и особенности
• Вентильные двигатели. Виды и устройство. Работа и применение

✔ Виды электродвигателей и их особенности

Экономичность и надежность оборудования напрямую зависят от электродвигателя, поэтому его выбор требует серьезного подхода.

Посредством электродвигателя электрическая энергия преобразуется в механическую. Мощность, количество оборотов в минуту, напряжение и тип питания являются основными показателями электродвигателей. Также, большое значение имеют массогабаритные и энергетические показатели.

Электродвигатели обладают большими преимуществами. Так, по сравнению с тепловыми двигателями сопоставимой мощности, по размеру электрические двигатели намного компактнее. Они прекрасно подходят для установки на небольших площадках, например в оборудовании трамваев, электровозов и на станках различного назначения.

При их использовании не выделяется пар и продукты распада, что обеспечивает экологическую чистоту. Электродвигатели делятся на двигатели постоянного и переменного тока, шаговые электродвигатели, серводвигатели и линейные.

Электродвигатели переменного тока, в свою очередь, подразделяются на синхронные и асинхронные.

 

Электродвигатели постоянного тока

Используются для создания регулируемых электроприводов с высокими динамическими и эксплуатационными показателями. К таким показателям относятся высокая равномерность вращения и перезагрузочная способность. Их используют для комплектации бумагоделательных, красильно-отделочных и подъемно-транспортных машин, для полимерного оборудования, буровых станков и вспомогательных агрегатов экскаваторов. Часто они применяются для оснащения всех видов электротранспорта.

 

Электродвигатели переменного тока

Пользуются более высоким спросом, чем двигатели постоянного тока. Их часто используют в быту и в промышленности. Их производство намного дешевле, конструкция проще и надежнее, а эксплуатация достаточно проста. Практически вся домашняя бытовая техника оборудована электродвигателями переменного тока. Их используют в стиральных машинах, кухонных вытяжных устройствах и т. д. В крупной промышленности с их помощью приводится в движение станковое оборудование, лебедки для перемещения тяжелого груза, компрессоры, гидравлические и пневматические насосы и промышленные вентиляторы.

 

Шаговые электродвигатели

Действуют по принципу преобразования электрических импульсов в механическое перемещение дискретного характера. Большинство офисной и компьютерной техники оборудовано ими. Такие двигатели очень малы, но высокопродуктивны. Иногда и востребованы в отдельных отраслях промышленности.

 

Серводвигатели

Относятся к двигателям постоянного тока. Они высокотехнологичны. Их работа осуществляется посредством использования отрицательной обратной связи. Такой двигатель отличается особой мощностью и способен развивать высокую скорость вращения вала, регулировка которого осуществляется с помощью компьютерного обеспечения. Такая функция делает его востребованным при оборудовании поточных линий и в современных промышленных станках.

 

Линейные электродвигатели

Обладают уникальной способностью прямолинейного перемещения ротора и статора относительно друг друга. Такие двигатели незаменимы для работы механизмов, действие которых основано на поступательном и возвратно-поступательном движении рабочих органов. Использование линейного электродвигателя способно повысить надежность и экономичность механизма благодаря тому, что значительно упрощает его деятельность и почти полностью исключает механическую передачу.

 

Синхронные двигатели

Являются разновидностью электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора равняется частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре. Их используют для компрессоров, крупных вентиляторов, насосов и генераторов постоянного тока, так как они работают с постоянной скоростью.

 

Асинхронные двигатели

Также, относятся к категории электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается током обмотки статора. Асинхронные двигатели разделяются на два типа, в зависимости от конструкции ротора: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Конструкция статора в обоих видах одинакова, различие только в обмотке.

Электродвигатели незаменимы в современном мире. Благодаря им значительно облегчается работа людей. Их использование помогает снизить затрату человеческих сил и сделать повседневную жизнь намного комфортнее.

Перейти в каталог электродвигаетелей

Различные типы электродвигателей, используемых в электромобилях

Если вы заинтересованы в глубоком погружении в технологию двигателей внутреннего сгорания, вы должны быть готовы к тому, что вас обстреляют множеством различных концепций. Безнаддувные двигатели, двигатели с турбонаддувом, непосредственный впрыск, непрямой впрыск или как прямой, так и непрямой впрыск! Бензин, дизель, СПГ, СНГ, цикл Аткинсона, цикл Миллера, цикл Будэка, цикл Дизеля и цикл Отто (см. двигатель Mazda Skyactiv-X), турбо с фиксированной геометрией, турбо с изменяемой геометрией, турбо с двойной прокруткой, регулируемые фазы газораспределения… список продолжается. на.

Почти автоматически возникает вопрос: почему у нас так много конструкций и концепций двигателей внутреннего сгорания? Ответ прост — потому что ни один из них не является достаточно хорошим с точки зрения эффективности. В поисках повышения эффективности инженеры внедряли множество конструкций на протяжении всей истории автомобилестроения. Актуально ли это разнообразие конструкций и для электродвигателей? Сколько типов двигателей используется в электромобилях? Ответ только 3 основных. Познакомимся с ними.

Асинхронный асинхронный двигатель — Краткий урок истории

Асинхронный асинхронный двигатель не является чем-то новым. Он был изобретен двумя независимыми исследователями — единственным и неповторимым Николой Теслой и Галилео Феррарисом. Несмотря на то, что итальянский изобретатель впервые разработал этот двигатель в 1885 году, Никола Тесла первым подал заявку на патент в 1888 году.

Изобретение асинхронного двигателя, без сомнения, является одним из величайших достижений в использовании электричества для обеспечения нашей жизни. Внедрение этого типа двигателя настолько широко распространено в наши дни, что без него очень трудно представить повседневную жизнь. Эти двигатели используются во многих электрических устройствах, и подавляющее большинство промышленных двигателей относятся к асинхронному асинхронному типу.

Исторический патент Николы Теслы на асинхронный двигатель

Как работает асинхронный асинхронный двигатель?

Все электродвигатели состоят из двух основных частей. Статическая часть называется статором, а вращающаяся часть называется ротором. Начнем со статора — обычно это стальной цилиндр с прорезями и медными катушками, сплетенными с определенной геометрией. Эти катушки питаются трехфазным переменным током, который был преобразован из постоянного тока (обеспечиваемого аккумулятором) в силовой электронике. Этот ток создает вращающееся магнитное поле в статоре, и скорость этого вращающегося магнитного поля называется синхронной скоростью.

По сути, вот как работает этот тип двигателя: переменное напряжение подается на медные катушки (или обмотки), и в результате мы получаем вращающееся магнитное поле, это поле индуцирует напряжение в роторе, которое, в свою очередь, вызывает протекание тока. . Этот поток тока создает собственное вращающееся магнитное поле в роторе, которое отстает от магнитного поля статора. Сила между двумя магнитными полями, которые приводят в движение ротор, называется силой Лоренца. Затем движение ротора передается на колеса автомобиля через соответствующий редуктор.

Этот двигатель называется асинхронным, потому что вращающееся магнитное поле ротора и статора не синхронизированы. Индукционная часть возникает из-за вращающегося магнитного поля, напряжения и тока, индуцируемых статором. Когда мы нажимаем на педаль акселератора, магнитное поле ротора немного отстает от поля статора. Когда мы замедляемся и двигатель работает как генератор (рекуперативное торможение), то вращающееся магнитное поле ротора опережает статор. Эта разница во вращающихся магнитных полях называется «скольжением» и обычно составляет до 5 % в зависимости от конструкции двигателя.

Типовой КПД трехфазного асинхронного двигателя, используемого в автомобильной промышленности, составляет около 90 %. Благодаря своей надежности, простоте, долговечности и отсутствию требований к экзотическим материалам этот двигатель используется почти исключительно в промышленных процессах. Кроме того, его хорошие характеристики перегрузки делают его идеальным двигателем по требованию, поэтому его часто используют в качестве переднего двигателя в электромобилях с полным приводом.

Плюсы

• Хорошая эффективность
• Дешево сделать
• Нет необходимости в редкоземельных материалах
• Практически идеальная надежность

Минусы

• Большие потребности в охлаждении
• Меньшая удельная мощность
• Более низкий КПД по сравнению с другими двигателями

Некоторые автомобили, использующие асинхронные асинхронные двигатели: Audi e-Tron SUV, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, 3, X и Y на передних осях, а также автомобили VW Group MEB используют их на передних осях.

Асинхронный двигатель, используемый в Mercedes-Benz EQC

Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Основное различие между асинхронными асинхронными двигателями и синхронными двигателями с постоянными магнитами заключается в способе создания и взаимодействия вращающихся магнитных полей в роторе и статоре. . В синхронных двигателях с постоянными магнитами в роторе имеется собственное вращающееся магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами (отсюда и название двигателя). Вращающиеся магнитные поля ротора и статора в этих двигателях заблокированы, и скольжение отсутствует.

Постоянные магниты в роторе являются одним из ключевых элементов, повышающих удельную мощность и повышающих эффективность двигателя. Повышенная удельная мощность означает высокую мощность при малом объеме, поэтому двигатели с постоянными магнитами используются исключительно в PHEV. Электродвигатель в этих транспортных средствах размещен в коробке передач, и существуют ограничения по пространству.

Постоянные магниты изготавливаются из редкоземельных материалов, большинство из которых контролируется Китаем. Есть вопросы об этических аспектах процесса добычи, и по этой причине многие производители стараются сократить использование этих материалов в своих двигателях. Тем не менее, синхронный двигатель с постоянными магнитами является королем КПД — он может достигать до 94-95% и когда в машине только один мотор, то используется именно этот тип мотора.

Плюсы

• Очень высокая эффективность
• Нижнее охлаждение требуется
• Высокая удельная мощность

Минусы

• Стоимость производства
• Потребность в редкоземельных материалах
• Теоретическая опасность размагничивания

Hyundai Ioniq 5 Двигатели с постоянными магнитами

Двигатели с постоянными магнитами используются в Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, X и Y на задних осях. Автомобили VW Group MEB также используют их на задних мостах, Jaguar i-pace, Audi e-tron GT и Porsche Taycan, и это лишь некоторые из них.

Синхронный двигатель с электрическим возбуждением

Синхронные двигатели с постоянными магнитами обеспечивают наилучший КПД из всех, но редкоземельные материалы, необходимые для их конструкции, имеют определенные последствия. Для решения этих проблем некоторые производители, а именно BMW, Renault Groupe и Smart в настоящее время, используют гибридную конструкцию двигателя — они используют синхронные двигатели, для которых не требуются редкоземельные материалы.

Итак, как работают эти моторы? Что ж, вместо использования постоянных магнитов в роторе для создания тока в этих двигателях используются щетки и контактные кольца. По данным BMW, этот тип двигателя обеспечивает КПД до 93%, что очень близко к эффективности двигателей с постоянными магнитами. Несмотря на то, что этот тип двигателя кажется очень многообещающим, тот факт, что в нем используются щетки, означает, что в какой-то момент потребуется замена этих компонентов. Будем надеяться, что производители, разрабатывающие такой мотор, используют щетки с достаточно долгим сроком службы.

Синхронный двигатель BMW с электрическим возбуждением

Pros

• Очень высокий КПД
• Дешевле в производстве, чем синхронный двигатель с постоянными магнитами

.

• Отсутствие риска размагничивания
• Нет необходимости в редкоземельных материалах

Минусы

• Щетки долговременная надежность

Этот тип двигателя используется в BMW iX3, iX и i4; Renault Megane E-TECH и SMART EQ.

Общие типы электродвигателей

Электродвигатель представляет собой электрическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Механическая энергия может вращать вентиляторы электромобиля, миксер, конвейеры или шины. Электродвигатель — это рабочая лошадка отрасли передачи электроэнергии.

Все двигатели имеют определенные характеристики. Таким образом, мы можем классифицировать их на основе конкретных функций или стандартов.

Двигатели, используемые в Северной Америке, чаще всего соответствуют стандартам NEMA (Национальная ассоциация производителей электрооборудования). Их обычно называют двигателями NEMA. Практически весь остальной мир использует метрическую версию, называемую СИ или международный стандарт, известную как стандарты МЭК. Часто называют двигателями IEC. NEMA использует лошадиные силы и дюймы, в то время как IEC использует миллиметры и киловатты

Мы классифицируем два типа электродвигателей в зависимости от источника питания:

• Двигатели постоянного или постоянного тока
• Двигатели переменного тока или двигатели переменного тока

Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока были первым типом широко используемых двигателей, поскольку они могли питаться от существующих систем распределения электроэнергии постоянного тока. Обычно они оснащены постоянными магнитами в своей статической части, но некоторые другие содержат электромагниты вместо постоянных магнитов в статоре. Скорость двигателя постоянного тока можно регулировать в широком диапазоне, используя либо переменное напряжение питания, либо изменение силы тока в его обмотках возбуждения. Небольшие двигатели постоянного тока используются в игрушках, инструментах и ​​бытовой технике.

Переменный ток означает, что ток вместо того, чтобы течь в одном направлении, движется вперед и назад и меняет направление с определенной частотой в герцах. В большинстве стран в качестве частоты переменного тока используется 50 Гц (50 Гц или 50 циклов в секунду). Лишь немногие используют 60 Гц. Стандартом в Соединенных Штатах является электричество переменного тока с частотой 60 Гц.

Мы классифицируем два основных типа двигателей переменного тока в соответствии с фазами:

• Однофазные
• Трехфазный

Однофазный двигатель

Однофазный двигатель работает от однофазного источника питания. Они содержат два типа проводки: горячую и нейтральную. Их мощность может достигать до 3кВт. Их можно использовать в основном в домах, офисах, магазинах, небольших непромышленных компаниях и других устройствах, таких как дрели, кондиционеры и системы открывания и закрывания гаражных ворот.

Трехфазный двигатель

Трехфазный двигатель работает от трехфазного источника питания. Они управляются тремя переменными токами одинаковой частоты, пики которых приходятся на переменные моменты. Они могут иметь мощность до 300 кВт и скорость от 900 до 3600 об/мин. Благодаря высокой эффективности и низкой стоимости трехфазный двигатель переменного тока чаще всего используется в промышленности.

Мы также можем классифицировать двигатели по типу корпуса. Мы расскажем об этом в другой статье.
Читайте здесь: Наиболее распространенные типы корпусов электродвигателей .

Электричество является наиболее экономичным способом передачи энергии на большие расстояния по проводам. Однако использовать электроэнергию напрямую практически невозможно, например, для перекачивания воды требуется механическая энергия. В этом случае нам необходимо производить механическую энергию из электричества для выполнения механической работы. По этой причине мы используем электродвигатели, которые потребляют электричество на входе и отдают механическую мощность на выходе.

Ознакомьтесь с некоторыми приложениями, где требуются электродвигатели:

• Промышленное использование. Существуют различные процессы во всех отраслях промышленности, в которых нам требуется механическая энергия от электродвигателей, например, перемешивание, подъем, вытягивание и т. д.

• Домашнее хозяйство. Для комфортной жизни мы полагаемся на множество электроприборов, для которых требуются электродвигатели, такие как кондиционеры, электровентиляторы, пылесосы, водяные насосы, кофемолки, миксеры и т. д.

Не стесняйтесь  Свяжитесь с нами , если у вас есть какие-либо вопросы, вам нужна дополнительная информация или если вы заинтересованы в покупке электродвигателей.

HVH Industrial Solutions является авторизованным дистрибьютором следующих производителей электромобилей: Elektrim Motors, Weg , Toshiba Motors & Drives , , Toshiba Motors & Drives , , Toshiba Motors & Drives , , Toshiba Motors & Drives , , Toshiba Motors & Drives , , .0189 , MGM Electric Motors ,  North American Electric , Techtop Electric Motors ,  Aurora Motors,   Worldwide Electric,  and  Rossi .