Типи електродвигунів, їх різновиди, властивості, характеристики

Електричним двигуном називають машину, яка перетворює електричну енергію в механічну. Зазвичай механічна робота виражається в обертанні вала. Працюють ці пристрої від різних джерел живлення і хоча виконують одну задачу, мають певні відмінності, які зумовлюють область їх застосування. Адже не дарма ж в холодильники ставлять одні мотори, в вентилятори – інші, в пральні машини, взагалі, третього виду. Для кращого розуміння розглянемо види електродвигунів і чим вони відрізняються один від одного. Це допоможе зрозуміти логіку вибору того чи іншого движка для кожного з пристроїв.

Види електродвигунів: класифікація

Жорсткої класифікації електродвигунів немає, але розрізняти їх можна за кількома параметрами. Основні – тип харчування і наявність ковзного контакту. Ці позиції можна вважати ключовими і по ним простіше орієнтуватися. В общем-то, видів електродвигунів не так і багато – синхронні, асинхронні, постійного струму, вентильні. Ось, мабуть, все. Інша справа, що в більшості «категорій» є досить варіантів, які значною мірою змінюють властивості і характеристики. Але з цим доведеться розбиратися стосовно кожної конструкції.

Електричні двигуни відрізняються типом харчування, інструкціями щодо призначення

Отже, розглянемо види електродвигунів з вигляду напруги живлення. Вони бувають:

  • постійного струму;
  • змінного струму:
    • однофазне живлення;
    • трифазне харчування;
  • універсальні.

Пояснень вимагає тільки універсальний тип. Такий електродвигун може працювати як від постійного, так і від змінної напруги. По суті, один вид – універсальний колекторний двигун з обмотками збудження. До двигунів змінного струму відносяться синхронні, асинхронні. На постійному струмі працюють колекторні і вентильні.

Найбільш поширені види електродвигунів

За способом передачі електроживлення всі електродвигуни можна розділити на дві групи:

  • з колектором (щіткові);
  • без колектора (безщіточні).

Безщіточні електродвигуни вимагають менше обслуговування, працюють тихіше, більш надійні. До них відносяться асинхронні з короткозамкненим ротором (працюють від змінної напруги), вентильні (харчуються постійною напругою). Решта мають колектор і щітки, через які на обмотки котушок подається напруга.

Постійного струму

Двигуни постійного струму з’явилися ще в кінці 19 століття. З деякими змінами вони використовуються і сьогодні і до того ж вони популярні. Наприклад, вібрація в сучасному смартфоні забезпечує саме двигун постійного струму, дуже маленький і потужністю в мілі вати, але все ж. У більшій частині іграшок теж стоять такі движки. Але це не означає, що їх не використовують в серйозній техніці, ще як використовують. Найпотужніші стоять в якості тягових на електровозах. У них потужність обчислюється сотнями кіловат (більше 800), а харчуються вони від напруги 1,5 кВ.

Типи електромоторів постійного струму

колекторні

Колекторний двигун постійного струму, як і всі інші, складається з нерухомої (статор) і рухомого (якір) частини. На статорі встановлені магнітні полюси. Для малопотужних моделей ставлять постійні магніти, для потужних додають обмотки (називаються обмотками збудження), які підсилюють магнітне поле.

Ротор являє собою муздрамтеатр з металевих пластин, в пази якого покладені витки мідного дроту – роторні обмотки. Кінці роторних обмоток виведені на колектор, який являє собою мідні пластини у вигляді секторів циліндра. Пластини ізольовані один від одного і від вала, на якому закріплені. Кінці обмоток виводяться на колекторні пластини. Друга частина колекторного вузла – графітові щітки зі щіткотримачем. Щітки притискаються до колекторним пластин, але не заважають обертанню якоря.

Пристрій двигуна постійного струму колекторного типу

На щітки подається напруга. У певний момент часу вони мають контакт з якоюсь парою пластин на колекторі (рідко щіток буває чотири). Ця пара пластин підключена до роторних обмоток, тобто, через щітки на обмотку подається харчування. Навколо якоря виникає магнітне поле, яке взаємодіє з магнітним полем статора. Результуючий вектор цієї взаємодії «штовхає» якір, змушуючи його обертатися.

Вал прокручується, щітки контактують з іншою парою пластин, передаючи потенціал на інші обмотки, яке проштовхують якір далі. Так і працює колекторний двигун постійного струму, а більш детально в попередній статті.

універсальний

У більшій частині побутової техніки, яка працює від мережі, варто універсальний колекторний двигун. Його відмінності від описаного вище незначні. Як може одна і та ж конструкція працювати і на постійному і на змінному напрузі? Все через те, що в цій машині взаємодіють магнітні поля полюсів і роторних обмоток. Всі знають, що поміняти напрям обертання якоря просто: треба змінити полярність на полюсах або на роторі. А що вийде, якщо їх поміняти відразу і там, і там? Нічого. Якір продовжить рух в колишньому напрямі. На цьому і заснована робота колекторного електродвигуна на змінному струмі.

Універсальний колекторний двигун в розрізі

Обмотки збудження і якоря з’єднуються послідовно, так, що полярність харчування на них змінюється практично в один і той же час. Єдине, що довелося змінити в універсальному двигуні – зробити сердечник якоря шихтованим. Це необхідно щоб стабілізувати взаємодія магнітних полів якоря і полюсів (з обмотками збудження).

Переваги, недоліки, область застосування

Чому колекторні двигуни ставлять в більшій частині побутової і будівельної техніки? На те є кілька причин. Перша: вони можуть розганятися до високих швидкостей – до 10 тис.об / хв. У порівнянні з 3 тис. Об / хв, які розвивають асинхронні їх найближчі конкуренти, а це дуже непогано. Друга причина популярності – ними легко управляти. Частота обертання безпосередньо залежить від прикладеної напруги, а момент від струму якоря. До появи напівпровідників і створення частотних перетворювачів, це був єдиний тип електродвигунів, який дозволяв легко і досить точно управляти швидкістю. Третя причина широкого застосування, нескладна конструкція і відносно невелика ціна. Четверта – вони можуть мати хороший крутний момент навіть на невеликих оборотах.

Один з популярних видів електродвигунчика – колекторний двигун

Всі ці властивості визначили широку сферу застосування колекторних двигунів постійного струму. Вони стоять на пральних машинах, в дрилях, міксерах і т.д. Скрізь, де потрібні високі швидкості, можливість плавного регулювання, хороший крутний момент.

Але наявність щіток, які іскрять і стираються, вносить свої корективи. Цей вузол вимагає постійного догляду, часто щітки доводиться замінювати, колектор чистити. Крім того, він є причиною ще двох неприємних моментів. Перша – галаслива робота. Для будівельної техніки або промислового обладнання це, можливо, і не дуже критично, але для побутової – істотний мінус. Друга неприємність – щітки перескакують з однієї пари на іншу, так що споживання струму виходить імпульсним, що погано впливає на параметри харчування і створює радіоперешкоди. Це впливає на працюючі поруч прилади з радіоуправлінням. Це не тільки іграшки, але і різного роду пульти дистанційного керування. Для згладжування цих стрибків на вході ставлять конденсатори, вони згладжують пульсації і прибирають перешкоди.

вентильні електродвигуни

Ці двигуни називають ще вентильно-індукторного, безколлекторним або безщітковими. Бувають вентильні двигуни двох типів – «звичайний» і з самозбудженням. Причому відрізняються і по влаштуванню і за функціями.

Вентильні двигуни незалежно від типу передбачають електронне управління

Вентильно-індукторний двигун

Якщо порівнювати види електродвигунів за розміром, вентильні будуть найменшими. Що характерно, працюють вони від постійного струму, причому харчуються їм статорні обмотки, ротор обмоток не має, а зроблений з постійних магнітів. Причому і ротор, і статор мають зубчасте будова. У «комплект» входить датчик холу, невеликий сучасний контролер, який визначає положення ротора і в залежності від його положення подає харчування на ту або іншу пару обмоток на статорі. Тобто, вентильний двигун управляється за допомогою електронного приладу.

Конструкція вентильного безколлекторного електродвигуна

Принцип роботи, напевно, вже зрозумілий. Харчування подається на одну пару обмоток, навколо неї виникає магнітне поле. До цього полю притягається найближчий полюс магніту. Далі, харчування перемикається на наступну пару обмоток, магніт притягується туди. Так і виходить обертання ротора. Чим швидше перемикається харчування, тим швидше швидкість обертання ротора. Як бачимо, ніяких щіток, тільки магнітна індукція. Це і є основний плюс, а мінус – в «пульсуючому» характері крутного моменту. Тому вентильно-індукційні двигуни не застосовуються в транспорті, мало кому сподобається, якщо колеса будуть прокручуватися ривками. Проте розглядаючи ці види електродвигунів, приходимо до висновку, що цей має чотири істотних плюса: простота конструкції, хороша керованість швидкістю, відсутність колектора і четвертий – малі габарити. Все це дозволяє замінювати ними асинхронні двигуни в деяких випадках.

З незалежним збудженням

Цей вид електродвигунів варто виділити окремо, так як він значно відрізняється як по влаштуванню, так і за характеристиками і області застосування. Почнемо з того, що ротор складається з двох окремих магнітних пакетів, рознесених на деякій відстані один від одного. Полюса двох пакетів орієнтовані так, щоб результуючий момент дорівнював нулю (узгоджене положення). Обмотка збудження кріпиться до статора хоча і обмотана навколо ротора, але його вона не стосується. Магнітна система статора також зібрана з металевих пластин. За характером трифазна розподілена, три фазних обмотки зі зміщенням один щодо одного на 120 °. Обмотка статора за розмірами злегка більше або дорівнює зібраному ротора (обидва пакети охоплює магнітне поле).

Вентильно-індукційний електродвигун з самозбудженням

Харчування подається на одну з обмоток статора. Поле, наводимое, в роторі повертає його так, щоб воно збіглося з полем статора. Причому поле одночасно наводиться в двох пакетах, так що рух не таке стрибкоподібне, як у попередньої моделі. Харчування перемикається на наступну обмотку, обертання триває.

Чим хороший цей вид електродвигунів? Плюсів багато. Легко керувати швидкістю обертання, як у синхронних машин з обмоткою збудження, є векторне управління. Можна збільшувати або зменшувати швидкість, регулювати момент. У ньому немає магнітів, які коштують чимало, та ще можуть розмагнітитися. І ще один плюс, немає колектора й щіток. Мінус, все-таки є. Цей вид електродвигунів можна живити безпосередньо від мережі – потрібно перетворювач. І ще, він має більш складну конструкцію, ніж описаний вище варіант. Зате крутний момент більш плавний і практично лінійний.

Змінного струму

Електричні двигуни змінного струму бувають синхронними і асинхронними. Чим відрізняються ці види електродвигунів? Різниця в тому, що у синхронних ротор обертається з тією ж швидкістю, з якою змінюється поле статора, в асинхронних моделях швидкість ротора відрізняється.

Є два типи двигунів змінного струму – з синхронним і асинхронним обертанням ротора

Асинхронний двигун змінного струму

У пристроях, які живляться від трифазної мережі зазвичай ставлять асинхронні двигуни. Так, що на виробництві стоять саме вони. У цих машинах в статор окрема електромагнітна система. Всередину корпусу вставляються пластини, в пазах яких розташовуються фазні обмотки. Зазвичай фаз в статорі три, але може бути дві, а може і багато.

Ротор може бути двох типів – короткозамкнений або фазний. Короткозамкнений може бути суцільнометалевим (останні моделі) або складатися з «білячої» клітини з залитими алюмінієм проміжками між стрижнями клітини. Ротор вставляється в статор, між ними залишають мінімальний зазор, не більше пари міліметрів навіть для найпотужніших. На статор подається напруга, яке формує обертове магнітне поле. Ротор потрапляє в зону дії магнітного поля, в ньому наводяться струми. Результуюче поле має певний напрям, так що ротор починає обертання. Так як поле виникає шляхом індукції, електричного контакту ротора зі статором немає, немає колектора й щіток. Вал фіксується тільки в кришках статора на підшипниках. Цей двигун відноситься до групи безщіткових (безколлекторних).

Асинхронний двигун з різними роторами

Асинхронний двигун з фазним ротором має колекторний вузол. На вал надягають муздрамтеатр з набраних пластин з осередками під три фазні обмотки. Харчування на обмотки подається через колекторний вузол, в них по черзі виникає магнітне поле, яке вкладається з магнітним полем статора. Завдяки цьому виникає обертання.

Особливості однофазних моделей

В однофазному асинхронному двигуні в статорі розташовують дві обмотки: вона фазная, друга допоміжна або стартова. Вона потрібна для «розгону» ротора, щоб надати йому початкове обертання. Для забезпечення «відставання» включається стартова обмотка через конденсатор. Так що часто такий тип асінхроннікі називають конденсаторним двигуном. Хоча, по суті, двигун все той же асинхронний, але двофазний.

Такі двигуни не можуть розвивати достатнього крутного моменту, тому застосовуються там, де це не потрібно, наприклад в витяжних вентиляторах. Інші види електродвигунів в цій області не застосовують, так як великий крутний момент тут зайвий.

Переваги, недоліки, область застосування

Як вже говорили, асинхронні двигуни популярні і в основному моделі з короткозамкненим ротором. Плюсів кілька. Перший – немає колектора, що спрощує конструкцію, мотор вимагає більш простого і рідкісного обслуговування. Другий – їх можна підключати до мережі безпосередньо. Під час старту споживання струму сильно зростає (в 3-7 разів в порівнянні з номінальним), го такі перевантаження допустимі. Третій – конструкція проста і отже недорога.

Область застосування асинхронних двигунів промислові процеси, обладнання. Особливо там, де немає необхідності в високих швидкостях і в зміні швидкості. Максимальна швидкість, яку може розвинути подібний двигун – 3 тис. Об / хв. Не так багато, але для більшості обладнання досить. Регулюється швидкість у такого движка слабо. Можна знизити напругу і швидкість зменшиться. Але якщо напруга буде занадто низьким, виросте відставання швидкості ротора від швидкості магнітного поля, що призведе до перегріву і двигун може перегоріти.

Область застосування двигунів змінного струму – приводити в дію обладнання на виробництві

В даний час вирішена проблема регулювання швидкості асинхронних двигунів. Їх використовують спільно з перетворювачами частоти, подаючи напругу з них або вбудовують цей блок в конструкцію, отримуючи так звані інверторні двигуни. У більшості випадків, це саме асінхроннікі, харчування яких здійснюється через вбудований перетворювач. Що дозволяє змінювати швидкість в ще більш широких межах, ніж це дозволяє робити двигун постійного струму. Причому може регулюватися і момент, йде проблема стартових струмів, вимикати двигун теж можна «м’яко».

синхронні електродвигуни

Статор синхронного двигуна змінного струму зроблений практично так само, як і асинхронного. Різниця між ними в пристрої ротора. Він складається з постійних магнітів. Вони можуть бути закріплені на поверхні або вбудовані всередину. Так що види електродвигунів, синхронний від асинхронного, можна відрізнити по ротору.

Коли на обмотки статора подається харчування, виникає обертове магнітне поле. Магнітне поле ротора постійне і при їх взаємодії виникає крутний момент, який і «проштовхує» ротор. Під час роботи постійне поле магнітів на роторі «зчіплюється» з обертовим магнітним полем статора, тому їх швидкості обертання однакові і швидкістю ротора легко керувати. Але це явище ускладнює пуск. Ротор «зчепиться» з полем статора тільки, якщо буде мати ту ж швидкість.

Ротор синхронного двигуна постійного струму зроблений з магнітів

У синхронних електродвигунів є одна проблема – їх складно завести. Швидкість обертання ротора повинна бути дорівнює швидкості поля статора або так, або ніяк. Відразу, зі старту він розвинути таку швидкість просто не може, тому поле статора просто «зісковзує». В результаті ротор, при старті просто тремтить, але не обертається. Кажуть двигун «не синхронізовані». Проблема зазвичай вирішується пристроєм на роторі спеціальної пускової обмотки асинхронного типу. З її допомогою вал розганяється, потім пускова обмотка відключається, а постійне поле магнітів синхронізує частоту обертання.

Переваги, недоліки, застосування

Як ви вже, напевно, зрозуміли, швидкість синхронного двигуна ніяк не регулюється. У сенсі, можна змінювати швидкість магнітного поля статора, а воно залежить від частоти. До винаходів напівпровідникових приладів це було складно, клопітно і неефективно. Незважаючи на стабільність роботи, простоту конструкції, застосовувалися вони мало. По-перше, важко запустити; по-друге, немає можливості регулювати швидкість. Інші види електродвигунів були більш популярні.

З винаходом частотного перетворювача проблема зникла. Частоту трифазного струму з їх допомогою можна змінювати від 1 Гц до 500 Гц, так що і межі регулювання асинхронного двигуна теж можуть бути більш ніж значні. Причому характеристики цієї «пари» практично такі ж, як і у двигунів постійного струму. Тому зараз синхронні двигуни з частотними перетворювачами активно замінюють інші види електродвигунів, наприклад, ставлять замість колекторного приводу. Приклад тому пральні машини з прямим приводом, кулери охолодження. Стали міняти і двигуни постійного струму, з’явилися нові електропоїзди з синхронними двигунами і частотними перетворювачами.

Види електродвигунів: який краще

Описано лише основні види електродвигунів і дані короткі характеристики, дуже стисло описано будову та принцип роботи. Проте, вже можна зробити висновки про те, що ідеального рішення, причому для всіх випадків, просто немає. Є найбільш підходяще для кожного конкретного випадку.

  • Асинхронний електродвигун без частотного регулювання – кращий вибір для насосів.
  • Колекторний двигун з його регульованими швидкостями поза конкуренцією для дрилів і пилососів. І то, останнім часом стали робити з вентильними, вони без щіток, що робить роботу тихіше, термін служби довше, хоча ціну вище. Так що, тут, як подивитися.

    Вибирати вид електродвигуна треба під кожен конкретний випадок

  • Для вентиляторів з тривалим режимом роботи вибирати доводиться між асинхронних і вентильних. Але тільки якщо вони не дуже потужні. Для потужних важливим є можливість поділу на секції, а це простіше реалізувати у вентильних. І навіть на кулери стали останнім часом використовувати вентильні з магнітним ротором.

Загалом, щоб відповісти який краще, треба розглядати сукупність умов і характеристик роботи. Брати до уваги переваги і недоліки, перебирати всі види електродвигунів і тільки так можна знайти оптимальний.

Ссылка на основную публикацию