Если оглянуться назад и посмотреть, сколько всего изменилось за последние несколько сот лет, становится непонятным как люди раньше обходились без современных благ цивилизации. Это касается не только бытовых условий жилищного плана, но и усовершенствованных транспортных средств передвижения. Только подумайте, еще в 80-е года ХХ века, существующие сегодня автомобили, могли показаться выдумкой мира кино, но сейчас мы знаем, что некоторые из них могут питаться электричеством (), а другие уже взлетели над землей (аэромобили).

Пусть последний вариант еще не скоро придет в массовую эксплуат/ацию, но что касается машин, оборудованных электродвигателем, то их уже даже можно встретить на дорогах городов (взять ту же Toyota Prius). Так чем же таким примечателен электродвигатель, что это помогло ему завоевать всеобщее признание? Что бы разобраться в этом вопросе, мы сейчас проанализируем исторический путь развития электрического силового агрегата, рассмотрим особенности его видов, уделим внимание преимуществам и недостаткам, а также ознакомимся с возможными неисправностями и их причинами.

1. История применения электромоторов в конструкции автомобиля

Электродвигатель является электрическим преобразователем, способным трансформировать электроэнергию в ее механический вариант. Побочным эффектом такого действия выступает выделение определенного количества тепла.

Данное устройство используется в качестве силовой установки на «экологичных» машинах: электромобилях, гибридах и автомобилях, работа которых обеспечивается топливными элементами. Но если не брать в расчет «сердце» транспортного средства, то маломощные электромоторы можно найти даже в самом простом бензиновом седане (например, ими оснащается электропривод двери). Представление об электротранспорте, в общих чертах, появилось еще в 1831 году, сразу после того, как Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции. Первым двигателем, принцип работы которого основывался на данном открытии, стал агрегат, разработанный в 1834 году русским физиком-изобретателем – Борисом Якоби.

Впервые, транспортные средства оснащенные электродвигателями, использующимися в качестве силовой установки автомобиля появились в 1880-х годах и сразу же завоевали всеобщую популярность. Такое явление объясняется достаточно просто: на стыке XIX-XX веков двигатели внутреннего сгорания имели кучу недостатков, которые выставляли новинку в очень даже выгодном свете, так как ее характеристики значительно превосходили ДВС. Однако, прошло не так много времени и, благодаря увеличению мощности бензиновых и дизельных двигателей, об электромоторах забыли на долгие десятилетия. Очередная волна интереса к ним вернулась только в 70-х годах ХХ века, в эпоху Великого нефтяного кризиса, но до массового производства дело опять не дошло.

Настоящей эпохой Возрождения для электродвигателей гибридных автомобилей и электромобилей является первое десятилетие XXI века. Этому способствовало сразу несколько факторов: с одной стороны, стремительное развитие компьютерных технологий и электроники позволили осуществлять контроль и экономить заряд батареи, а с другой – постепенно возрастающие цены на нефтетопливо, заставили потребителей искать новые, альтернативные источники энергии.

В общем, всю историю развития электродвигателей можно разделить на три периода:

Первый (начальный) период , охватывает 1821-1834 года ХІХ века. Именно в это время начали появляться первые физические приборы, с помощью которых проводилась демонстрация непрерывного преобразования электроэнергии в энергию механическую. Исследования М.Фарадея в 1821 году, которые проводились с целью изучения взаимодействия проводников с током и магнитом, показали, что электрический ток может вызывать вращение проводника кругом магнита или же наоборот – магнита вокруг проводника. Результаты опытов Фарадея подтвердили реальную возможность построения электродвигателя, а многие исследователи, уже тогда, предлагали различные их конструкции.

Второй этап на пути развития электрических моторов начался с 1834 года и закончился в 1860 году. Он характеризовался изобретением конструкций с вращательным движением явнополюсного якоря, но вала таких двигателей, как правило, был резко пульсирующим. 1834 год ознаменовался созданием первого в мире электрического мотора постоянного тока, создатель которого (Б.С. Якоби) реализовал в нем принцип прямого вращения подвижной части силового агрегата. В 1838 году, были проведены испытания данного двигателя, для чего его установили на лодку и отпустили в вольное плаванье по Неве. Таким образом, разработка Якоби получила первое практическое применение.

Третьим этапом в развитии электродвигателей, принято считать временной промежуток с 1860 по 1887 год, который связывают с разработкой конструкции, имеющей кольцевой неявнополюсный якорь и практически постоянно вращающийся момент. В этот период стоит отметить изобретение итальянского ученного А. Пачинотти, разработавшего конструкцию электродвигателя состоящего из кольцеобразного якоря, который вращался в магнитном поле электрических магнитов. Подвод тока осуществлялся с помощью роликов, а электромагнитная обмотка включалась последовательно с обмоткой якоря. Другими словами: возбуждения электромашины проходили последовательно. Отличительной особенностью электродвигателя Пачинотти стала замена явнополюсного якоря на неявнополюсной.

2. Виды электродвигателей

Если говорить про современные электродвигатели, то они имеют довольно широкое видовое разнообразие, а к наиболее известным из них относятся:

- двигатели переменного и постоянного тока;

Однофазные и многофазные двигатели;

Шаговый;

Вентильный и универсальный коллекторный двигатель.

Двигатели постоянного и переменного тока, а также универсальные моторы, входят в состав широко известных магнитоэлектрических силовых агрегатов. Давайте ознакомимся с каждым из видов более детально.

Двигатели постоянного тока являются электрическими двигателями, для питания которых требуется наличие источника постоянного тока. В свою очередь, исходя из наличия щеточно-коллекторного узла, данный вид подразделяется на коллекторные и бесколлекторные моторы. Также, благодаря названному узлу, обеспечивается электросоединение цепей неподвижной и вращающейся части агрегата, что делает его наиболее уязвимым и сложным в обслуживании элементом.

За типом возбуждения, все коллекторные виды снова разделяются на подвиды:

- силовые установки с независимым возбуждением (идет от постоянных магнитов и электромагнитов);

Двигатели с самовозбуждением (делятся на параллельные, последовательные и моторы смешанного возбуждения).

Бесколлекторный вид электродвигателей (их называют еще «вентильные») – это устройства, представлены в виде замкнутой системы, в которой используется датчик положения ротора, системы управления, инвертора (силовой полупроводниковый преобразователь). Принцип действия указанных двигателей такой же как и у представителей синхронной группы.

В электродвигателе переменного тока, как следует из названия, используется питание переменного тока. Исходя из принципа работы, такие устройства делятся на синхронные и асинхронные двигатели. В синхронных двигателях, ротор вращается вместе с магнитным полем поступающего напряжения, что позволяет использовать эти двигатели при больших мощностях. Выделяют два вида синхронных моторов – шаговые и вентильные реактивные электродвигатели.

Асинхронные электродвигатели, как и предыдущий вариант, являются представителями электрических двигателей переменного тока, в которых частота вращения ротора несколько отличается от аналогичной частоты вращающего магнитного поля. На сегодняшний день, именно этот вид наиболее часто встречается в эксплуатации. Также, все двигатели переменного тока разделяются на подвиды в зависимости от количества фаз. Выделяют:

- однофазные (запускаются вручную или оборудованы пусковой обмоткой, либо же имеют фазосдвигающую цепь);

Двухфазные (в т.ч. и кондинсаторные);

Трехфазные;

Многофазные.

Коллекторный двигатель универсального типа – это устройство, которое способно работать как на постоянном, так и на переменном токе. Такие моторы оборудуются только последовательной обмоткой возбуждения мощностью до 200 Вт. Статор имеет шихтованную конструкцию и изготавливается из специальной электротехнической стали. Обмотка возбуждения имеет два рабочих режима: при переменном токе она включается частично, а при постоянном – полностью. Обычно, такие устройства применяются в электроинструментах или каких-то других бытовых аппаратах.

Электронным аналогом коллекторного двигателя постоянного тока есть синхронный двигатель, имеющий датчик положения ротора и инвертор. Проще говоря, универсальный коллекторный мотор и есть электродвигателем постоянного тока, обмотки возбуждения которого последовательно включены, идеально оптимизированные для работы на переменном токе. Независимо от полярности поступающего напряжения, данный тип силовых установок вращается в одну сторону, ведь за счет последовательного соединения обмоток ротора и статора, полюсы их магнитных полей меняются одновременно, а значит, результирующий момент продолжает оставаться направленным в одну сторону.

Что бы обеспечить работоспособность на переменном токе, используется статор, изготовленный из магнитно-мягкого материала, обладающего малым гистерезисом (сопротивление процессу перемагничивания), а для уменьшения потерь на вихревые потоки, конструкция статора выполняется из изолированных пластин. Достоинством работы электродвигателя переменного тока есть то, что при малых оборотах (пуск, перезагрузка), потребляемый ток, а соответственно, и максимальный момент двигателя ограничиваются индуктивным сопротивлением обмоток статора.

С целью сближения механических характеристик двигателей общего назначения, часто используется секционирование обмоток статора, тоесть для подключения переменного тока создаются отдельные выводы и уменьшается число витков обмотки.

Принцип работы синхронного электродвигателя возвратно-поступательного движения основывается на том, что подвижная часть мотора, представлена в виде постоянных магнитов, которые закреплены на штоке. Сквозь неподвижные обмотки, проходит переменный ток, а постоянные магниты, поддающиеся влиянию магнитного поля, возвратно-поступательным образом перемещают шток.

Еще одна классификация, позволяющая выделить очередные несколько видов электродвигателей, основывается на степени защиты окружающей среды. Исходя из этого параметра, электрические силовые установки могут быть защищенными, закрытыми и взрывозащищенными.

Защищенные варианты, закрываются специальными заслонками, предохраняющими механизм от попадания различных посторонних предметов. Они используются там, где нет повышенной влажности и особого состава воздуха (без примесей пыли, дыма, газов и химических веществ). Закрытые виды, помещаются в специальную оболочку, препятствующую попаданию газов, пыли, влаги и прочих элементов, которые могут нанести вред механизму мотора. Эти устройства могут быть герметичными и негерметичными.

Взрывозащищенные механизмы. Устанавливаются в корпус, который в случае взрыва мотора способен будет защитить от повреждений остальные части устройства, предотвратив тем самым, возникновение пожара.

Выбирая электродвигатель, обратите свое внимание на рабочую среду механизма. Если, например, воздух не содержит никаких посторонних примесей, которые могут нанести ему вред, то вместо тяжелого и дорогого закрытого двигателя лучше приобрести защищенный. Отдельным пунктом, также, стоит вспомнить и о встроенном электродвигателе, который не имеет собственной оболочки и является частью конструкции рабочего механизма.

3. Преимущества и недостатки электродвигателей

Как и любое другое устройство, электрический двигатель не есть «безгрешным» , а значит наряду с неоспоримыми преимуществами имеет и определенные недостатки. Начнем, пожалуй, с положительных моментов использования, к которым относятся:

1. Отсутствие потерь на трение при трансмиссии;

2. Коэффициент полезного действия тягового электродвигателя достигает 90-95%, в то время как аналогичный показатель двигателя внутреннего сгорания только 22-60%;

3. Максимальное значение крутящего момента ТЭД (тяговой электродвигатель) достигается уже с начала движения, в момент запуска мотора, поэтому, коробка передач здесь просто не нужна.

4. Стоимость эксплуатации и обслуживания сравнительно ниже чем у ДВС;

5. Отсутствие токсичных выхлопных газов;

6. Высокий уровень экологичности (не применяются нефтяные топлива, антифризы и моторные масла);

7. Минимальная возможность взрыва при аварии;

8. Простая конструкция и управление, высокий уровень надежности и долговечности экипажной части;

9. Наличие возможности подзарядки от обычной бытовой розетки;

10. Уменьшение шума путем меньшего количества подвижных частей и механических передач;

11. Увеличение плавности хода с широким частотным интервалом изменения вращения вала мотора;

12. Возможность подзарядки в процессе рекуперативного торможения;

13. Возможность применения в качестве тормоза самого электрического двигателя (функция электромагнитного тормоза). Механический вариант, представителей отсутствует, что помогает избежать трения, а следовательно и износа тормозов.

Учитывая вышесказанное, можно прийти к логическому заключению, что автомобиль, оборудованный электродвигателем, примерно в 3-4 раза эффективнее своих бензиновых собратьев. Однако, как мы уже говорили, недостатки все же имеются:

- время работы мотора ограничивается максимально возможным объемом аккумуляторов, тоесть по сравнению с ДВС, у них намного меньший пробег на одной заправке;

Более высокая стоимость, но есть шанс, что с началом массового серийного производства - цена уменьшиться;

Необходимость использования дополнительных аксессуаров (например, довольно тяжелых аккумуляторов весом от 15 до 30 килограмм и специальных зарядных устройств, которые предназначаются под глубокий разряд).

Как видите, основных недостатков не так уж и много, а со временем их количество будет продолжать стремительно падать, ведь автомобильные инженеры и конструктора с каждым последующим выпуском продукции будут делать «работу над ошибками».

4. Выявление и устранение неполадок в работе электродвигателя

К сожалению, при всех своих положительных сторонах, электродвигатель, как и любое другое устройство, не защищен от поломок и периодически выходит из строя. К наиболее распространенным неисправностям электромоторов относят:

При запуске двигателя он сильно гудит. Возможными причинами такого явления могут быть снижение или полное отсутствие напряжения в питающей сети; неправильное расположение начала и конца фазы обмотки статора; перегрузка двигателя или неисправность в приводном механизме. Естественно, для устранения возникших проблем нужно либо найти и устранить неисправность, либо совершить пере подсоединение, но уже по правильной схеме, либо снизить нагрузку или ликвидировать неисправность в приводном механизме.

Работающий двигатель резко останавливает свою работу. Возможные причины: прекратилась подача напряжения; возникли сбои в работе аппаратуры распредустройства и сети питания; заклинило мотор или механизм привода; сработала система защиты. Для устранения поломок следует: найти и устранить разрыв в цепи; ликвидировать неисправности в аппаратуре распределительного устройства и сети питания; отремонтировать приводной механизм; провести диагностику статора и при необходимости провести ремонтные мероприятия.

Вал вращается, однако не может достигнуть нормальной частоты вращения. Возможные причины: в процессе разгона автомобиля, одна из фаз отключилась; снизилось напряжение в сети; двигатель испытывает чрезмерную нагрузку. Устранить возникшие неисправности поможет поднятие напряжения; подключение отсоединившейся фазы и устранение перегрузки мотора.

Электродвигатель чрезмерно нагревается. Возможные причины: идет перегрузка по току; снизилось или повысилось напряжение в сети; повысилась температура окружающей среды; нарушилась нормальная вентиляция (забились вентиляционные каналы); нарушилась нормальная работа механизма привода.

Пути решения проблемы: обеспечить нормальный уровень нагрузки; установить оптимально допустимою температуру; прочистить каналы вентиляции; отремонтировать приводной механизм.

Мотор сильно гудит и не достигает нормальной частоты вращения. Возможные причины: возникло межвитковое замыкание в обмотке статора; заземление обмотки одной фазы сразу в двух местах; появление короткого замыкания между фазами; обрыв какой-то фазы. В этом случае, выход только один – придется менять статор.

Повышение вибрации работающего мотора. Возможные причины: низкая жесткость фундамента; погрешности в совместимости вала приводного механизма с валом мотора; недостаточно отбалансирована соединительная муфта или привод. Выход из сложившейся ситуации: увеличить жесткость; отбалансировать и улучшить со относимость.

Повышенное нагревание подшипников. Возможные причины: повреждение подшипника; неверная центровка мотора с приводным механизмом. Решить образовавшиеся проблемы поможет правильная установка двигателя или замена подшипника.

Снижение сопротивления изоляции обмоток. Причины появления неисправностей в этом случае, кроятся в загрязнении или отсырении обмоток, а устранить их поможет просушка деталей.

При выборе бесщеточного электродвигателя для своих разработок инженеры имеют несколько вариантов. Неправильный выбор может привести к провалу проекта не только на этапе разработки – испытания, но и после выхода на рынок, что крайне не желательно. Для облегчения работы инженеров мы сделаем краткое описание преимуществ и недостатков четырех наиболее популярных видов бесщеточных электрических машин: асинхронный электродвигатель (АД), двигатель с постоянными магнитами (ПМ), синхронные реактивные электродвигатели (СРД), вентильные реактивные электродвигатели (ВРД).

Содержание:

Асинхронные электродвигатели

Асинхронные электрические машины смело можно назвать костяком современной промышленности. Благодаря своей простоте, относительно низкой стоимости, минимальным затратам на обслуживание, а также возможности работать напрямую от промышленных сетей переменного тока, они прочно въелись в современные производственные процессы.

Сегодня существует множество различных с самыми , которые позволяют регулировать скорость и момент асинхронной машины в большом диапазоне с хорошей точностью. Все эти свойства позволили асинхронной машине значительно потеснить с рынка традиционные коллекторные двигатели. Вот почему регулируемые асинхронные электродвигатели (АД) легко встретить в самых различных устройствах и механизмах, таких как , электроприводы стиральных машин, вентиляторов, компрессоров, воздуходувок, кранов, лифтов и многом другом электрооборудовании.

АД создает вращающий момент за счет взаимодействия тока статора с индуцированным током ротора. Но токи ротора нагревают его, что приводит к нагреванию подшипников и снижению их срока службы. Замена на медную не устраняет проблему, а приводит к удорожанию электрической машины и может накладывать ограничения на прямой ее пуск.

Статор асинхронной машины имеет довольно большую постоянную времени, что негативно сказывается на реагировании системы управления при изменении скорости или нагрузки. К сожалению, потери связанные с намагничиванием не зависят от нагрузки машины, что снижает КПД АД при работе с малыми нагрузками. Автоматическое уменьшение потока статора возможно использовать для решения данной проблемы — для этого необходим быстрый отклик системы управления на изменения нагрузки, но как показывает практика, такая коррекция не существенно увеличивает КПД.

На скоростях превышающих номинальную поле статора ослабевает из-за ограниченного напряжения питания. Вращающий момент начинает падать, так как для его поддержания будет требоваться больший ток ротора. Следовательно, управляемые АД ограничиваются диапазоном скорости для поддержания постоянной мощности примерно 2:1.

Механизмы, которые требуют более широкого диапазона регулирования, такие как: станки с ЧПУ, тяговый электропривод, могут снабжаться асинхронными электродвигателями специального исполнения, где для увеличения диапазона регулирования могут уменьшать количество витков обмотки, снижая при этом значения крутящего момента на низких скоростях. Также возможен вариант с использованием более высоких токов статора, что требует установки более дорогих и менее эффективных инверторов.

Немаловажным фактором при работе АД является качество питающего напряжения, ведь максимальный КПД электродвигатель имеет при синусоидальной форме питающего напряжения. В реальности преобразователь частоты обеспечивает импульсное напряжение и ток, похожий на синусоидальный. Проектировщикам стоит иметь ввиду, что КПД системы ПЧ-АД будет меньше, чем сумма КПД преобразователя и двигателя в отдельности. Улучшения качества выходного тока и напряжения повышают увеличением несущей частоты преобразователя, это приводит к снижению потерь в двигателе, но при этом возрастают потери в самом инверторе. Одним из популярных решений, особенно для промышленных мощных электроприводов, является установка фильтров между преобразователем частоты и асинхронной машиной. Однако это приводит к увеличению стоимости, габаритов установки, а также к дополнительным потерям мощности.

Еще одним недостатком асинхронных машин переменного тока является то, что их обмотки распределены на протяжении многих пазов в сердечнике статора. Это приводит к появлению длинных концевых поворотов, которые увеличивают габариты и потери энергии в машине. Эти вопросы исключены в стандартах IE4 или классах IE4. В настоящее время европейский стандарт (IEC60034) специально исключает любые двигатели, требующие электронного управления.

Двигатели с постоянными магнитами

Двигатели с постоянными магнитами (английский PMMS) создают крутящий момент благодаря взаимодействию токов статора с постоянными магнитами внутри или снаружи ротора. Электродвигатели с поверхностным расположением магнитов являются маломощными и используются в IT оборудовании, офисной технике, автомобильном транспорте. Электродвигатели со встроенными магнитами (IPM) распространены в мощных машинах, используемых в промышленности.

Двигатели с постоянными магнитами (ПМ) могут использовать концентрированные (с коротким шагом) обмотки, если пульсации вращающего момента не являются критичными, но распределенные обмотки являются нормой в ПМ.

Поскольку PMMS не имеют механических коммутаторов, то преобразователи играют важную роль в процессе контроля тока обмотки.

В отличии от других видов бесщеточных электродвигателей, PMMS не требуют тока возбуждения, необходимого для поддерживания магнитного потока ротора. Следовательно, они способны обеспечить максимальный крутящий момент на единицу объема и могут быть лучшим выбором, если требования к массо-габаритным показателям выходят на первый план.

К наибольшим недостаткам таких машин можно отнести их очень высокую стоимость. Высокопроизводительные электрические машины с постоянными магнитами используют такие материалы как неодим и диспрозий. Данные материалы относятся к редкоземельным и добываются в геополитически нестабильных странах, что приводит к высоким и нестабильным ценам.

Также постоянные магниты добавляют производительности при работе на низких скоростях, но являются «Ахиллесовой пятой» при работе на высоких. Например, при увеличении скорости машины с постоянными магнитами возрастет и ее ЭДС, постепенно приближаясь к напряжению питания инвертора, при этом снизить поток машины не представляется возможным. Как правило, номинальная скорость является максимальной для ПМ с поверхностно-магнитной конструкцией при номинальном напряжении питания.

На скоростях больше номинальной, для электродвигателей с постоянными магнитами типа IPM, используют подавление активного поля, что достигается путем манипуляций с током статора при помощи преобразователя. Диапазон скорости, в котором двигатель может надежно работать, ограничен примерно 4:1.

Необходимость ослабления поля в зависимости от скорости приводит к потерям независящим от вращающего момента. Это снижает КПД на высоких скоростях, и особенно при малых нагрузках. Этот эффект наиболее актуален при использовании ПМ в качестве тягового автомобильного электропривода, где высокая скорость на автостраде неизбежно влечет за собой необходимость ослабления магнитного поля. Часто разработчики выступают за применение двигателей с постоянными магнитами в качестве тяговых электроприводов электромобилей, однако их эффективность при работе в данной системе довольно сомнительна, особенно после вычислений связанных с реальными циклами вождения. Некоторые производители электромобилей сделали переход от ПМ к асинхронным электродвигателям в качестве тяговых.

Также к существенным недостаткам электродвигателей с постоянными магнитами можно отнести их трудно управляемость в условиях неисправности из-за присущей им противо-ЭДС. Ток будет протекать в обмотках, даже при выключенном преобразователе, пока вращается машина. Это может приводить к перегреву и другим неприятным последствиям. Потеря контроля над ослабленным магнитным полем, например при аварийном отключении источника питания, может привести к неподконтрольной генерации электрической энергии и, как следствие, к опасному возрастанию напряжения.

Рабочие температуры – это еще одна не самая сильная сторона ПМ, кроме машин, изготовленных из самарий-кобальта. Также большие броски тока инвертора могут привести к размагничиванию.

Максимальная скорость PMMS ограничивается механической прочностью крепления магнитов. В случае повреждения ПМ его ремонт, как правило, осуществляется на заводе изготовителе, так как извлечение и безопасная обработка ротора практически невозможна в обычных условиях. И, наконец, утилизация. Да это тоже доставляет немного хлопот после окончания срока службы машины, но наличие редкоземельных материалов в этой машине должно упростить этот процесс в ближайшем будущем.

Несмотря на перечисленные выше недостатки, электродвигатели с постоянными магнитами являются непревзойденными с точки зрения низкоскоростных мелкогабаритных механизмов и устройств.

Реактивные синхронные двигатели

Синхронные реактивные электродвигатели всегда работают только в паре с преобразователем частоты и используют тот же тип управления потоком статора, что и обычный АД. Роторы данных машин изготавливают из тонколистной электротехнической стали с пробитыми пазами таким образом, что бы они намагничивались с одной стороны меньше, чем с другой. Стремление магнитного поля ротора «соединится» с вращающимся магнитным потоком статора и создает вращающий момент.

Основным плюсом реактивных синхронных электродвигателей являются незначительные потери в роторе. Таким образом, хорошо спроектированная и работающая с правильно подобранным алгоритмом управления синхронная реактивная машина вполне способна соответствовать европейским стандартам премиум класса IE4 и NEMA, не используя при этом постоянных магнитов. Снижения в роторе повышает крутящий момент и увеличивает плотность мощности, по сравнению с асинхронными машинами. Эти двигатели имеют низкий уровень шума благодаря низкому уровню пульсаций момента и вибраций.

Основным недостатком является низкий коэффициент мощности по сравнению с асинхронной машиной, что приводит к большей потребляемой мощности из сети. Это увеличивает затраты и ставит перед инженером сложную задачу, стоит ли применять реактивную машину или нет для конкретной системы?

Сложность в изготовлении ротора и его хрупкость делает невозможным применение реактивных электродвигателей для высокоскоростных операций.

Синхронные реактивные машины хорошо подходят для широкого спектра промышленных применений, которые не требуют больших перегрузок или высоких скоростей вращения, а также все чаще применяются для частотно-регулируемых насосов из-за повышенной их эффективности.

Вентильные реактивные электродвигатели

Вентильный реактивный двигатель (с английского SRM) создает вращающий момент за счет притягивания магнитных полей зубцов ротора к магнитному полю статора. Вентильные реактивные двигатели (ВРД) имеют относительно небольшое количество полюсов обмотки статора. Ротор имеет зубчатый профиль, что упрощает его конструкцию и улучшает создаваемое магнитное поле, в отличии от реактивных синхронных машин. В отличии от синхронных реактивных двигателей (СРД), ВРД используют импульсное возбуждение постоянного тока, что требует обязательное наличие специального преобразователя для их работы.

Для поддержания магнитного поля в ВРД необходимы токи возбуждения, что уменьшает плотность мощности по сравнению с электрическими машинами с постоянными магнитами (ПМ). Однако они все же имеют габаритные размеры меньшие, чем обычные АД.

Основным преимуществом вентильных реактивных машин является то, что ослабления магнитного поля происходит естественным образом при снижении тока возбуждения. Это свойство дает им большое преимущество в диапазоне регулирования при скоростях выше номинальной (диапазон устойчивой работы может достигать 10:1). Высокая эффективность присутствует у таких машин при работе на высоких скоростях и с малыми нагрузками. Также ВРД способны обеспечить удивительно постоянную эффективность в довольно широком диапазоне регулирования.

Вентильные реактивные машины обладают также довольно хорошей отказоустойчивостью. Без постоянных магнитов эти машины не генерируют неуправляемый ток и момент при неисправностях, а независимость фаз ВРД позволяет им работать с уменьшенной нагрузкой, но с повышенными пульсациями момента при выходе из строя какой-то из фаз. Это свойство может быть полезно, если проектировщики хотят повышенной надежности разрабатываемой системы.

Простая конструкция ВРД делает его прочным и недорогим в изготовлении. При его сборке не используются дорогие материалы, а ротор из нелегированной стали отлично подходит для суровых климатических условий и высоких скоростей вращения.

ВРД имеет коэффициент мощности меньший, чем ПМ или АД, но его преобразователю не нужно создавать выходное напряжение синусоидальной формы для эффективной работы машины, соответственно такие инверторы имеют меньшие частоты коммутации. Как следствие – меньшие потери в инверторе.

Основными недостатками вентильных реактивных машин являются наличие акустических шумов и вибрации. Но с этими недостатками довольно хорошо борются путем более тщательного проектирования механической части машины, улучшения электронного управления, а также механическое объединение двигатель – рабочий орган.

В статье рассматриваются различные типы электродвигателей, их достоинства и недостатки, перспективы развития.

Типы электродвигателей

Электродвигатели, в настоящее время, это непременная составляющая любого производства. В коммунальном хозяйстве и в быту они тоже применяются очень часто. Например, это вентиляторы, кондиционеры, насосы для отопления и т.д. Поэтому, современному электрику необходимо хорошо разбираться в типах и устройстве этих агрегатов.

Итак, перечислим наиболее часто встречающиеся типы электродвигателей:

1. Электродвигатели постоянного тока, с якорем на постоянных магнитах;

2. Электродвигатели постоянного тока, с якорем, имеющим обмотку возбуждения;

3. Синхронные двигатели переменного тока;

4. Асинхронные двигатели переменного тока;

5. Серводвигатели;

6. Линейные асинхронные двигатели;

7. Мотор-ролики, т.е. ролики, внутри которых расположены электродвигатели с редукторами;

8. Вентильные электродвигатели.

Электродвигатели постоянного тока

Этот тип двигателей ранее применялся очень широко, но в настоящее время он почти полностью вытеснен асинхронными электродвигателями, по причине сравнительной дешевизны применения последних. Новым направлением в развитии двигателей постоянного тока являются вентильные двигатели постоянного тока с якорем на постоянных магнитах.

Синхронные двигатели

Синхронные электродвигатели часто применяются для различных видов привода, работающего с постоянно скоростью, т.е. для вентиляторов, компрессоров, насосов, генераторов постоянного тока и т.д. Это двигатели мощностью 20 - 10000 кВт, для скоростей вращения 125 - 1000 об/мин.

Двигатели отличаются от генераторов конструктивно наличием на роторе, необходимой для асинхронного пуска,дополнительной короткозамкнутой обмотки, а также относительно меньшим зазором между статором и ротором.

У синхронных двигателей к.п.д. выше, а масса на единицу мощности меньше, чем у асинхронных на ту же скорость вращения. Ценной особенностью синхронного двигателя по сравнению с асинхронным является возможность регулирования его , т.е. cosφ за счет изменения тока возбуждения обмотки якоря. Таким образом, можно сделать cosφ близким к единице во всех диапазонах работы и, тем самым, поднять кпд и снизить потери в электросети.

Асинхронные двигатели

В настоящее время, это наиболее часто используемый тип двигателей. Асинхронный двигатель - это двигатель переменного тока, частота вращения ротора которого ниже частоты вращения магнитного поля, создаваемого статором.

Меняя частоту и скважность подводимого к статору напряжения, можно менять скорость вращения и момент на валу двигателя. Наиболее часто используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Ротор выполняется из алюминия, что снижает его вес и стоимость.

Основные достоинства таких двигателей - это низкая цена и малый вес. Ремонт электродвигателей такого типа относительно прост и дешев.

Основные недостатки - это малый пусковой момент на валу и большой пусковой ток в 3-5 раз превышающий рабочий. Еще один большой недостаток асинхронного двигателя - это низкий кпд в режиме частичных нагрузок. Например, при нагрузке в 30% от номинальной, кпд может падать с 90% до 40-60%!

Основной способ борьбы с недостатками асинхронного двигателя - это применение частотного привода. преобразует напряжение сети 220/380В в импульсное напряжение переменной частоты и скважности. Тем самым удается в широких пределах менять частоту оборотов и момент на валу двигателя и избавиться практически от всех его врожденных недостатков. Единственная «ложка дегтя» в этой «бочке меда», это высокая цена частотного привода, но на практике все затраты окупаются в течение года!

Серводвигатели

Эти двигатели занимают особую нишу, они применяются там, где требуются прецизионные изменения положения и скорости движения. Это космическая техника, роботостроение, станки с ЧПУ и т.д.

Такие двигатели отличаются применением якорей малого диаметра, т.к. малый диаметр это малый вес. За счет малого веса удается добиться максимального ускорения, т.е. быстрых перемещений. Эти двигатели обычно имеют систему датчиков обратной связи, что позволяет увеличить точность движения и реализовать сложные алгоритмы перемещений и взаимодействия различных систем.

Линейные асинхронные двигатели

Линейный асинхронный двигатель создает магнитное поле, которое перемещает пластину в двигателе. Точность перемещения может составлять 0.03 мм на один метр перемещения, что в три раза меньше толщины человеческого волоса! Обычно пластина (ползун) прикрепляется к механизму, который должен передвигаться.

Такие двигатели имеют очень большую скорость перемещения (до 5 м/с), а следовательно высокую производительность. Скорость перемещения и шаг можно менять. Так как в двигателе минимум движущихся частей, он имеет высокую надежность.

Мотор-ролики

Конструкция таких роликов довольно проста: внутри ведущего ролика находится миниатюрный электродвигатель постоянного тока и редуктор. Мотор ролики применяются на различных конвейерах и сортировочных линиях.

Преимущества мотор-роликов - это низкий уровень шума, более высокий кпд по сравнению с внешним приводом, мотор-ролик практически не нуждается в техобслуживании, поскольку он работает только когда нужно переместить конвейер, его ресурс очень большой. Когда такой ролик выйдет из строя, его можно заменить другим за минимальное время.

Вентильные электродвигатели

Вентильным называют любой двигатель, в котором регулирование режимов работы производится с помощью полупроводниковых (вентильных) преобразователей. Как правило, это синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов. Статор двигателя управляется при помощи инвертора с микропроцессорным управлением. Двигатель оснащен системой датчиков, для осуществления обратной связи по положению, скорости и ускорению.

Основные достоинства вентильных электродвигателей это:

1. Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания,

2. Высокий ресурс;

3. Большой пусковой момент и большая перегрузочная способность по моменту в (5 и более раз);

4. Высокое быстродействие по переходным процессам;

5. Огромный диапазон регулировок по частоте вращения 1:10000 и более, что минимум на два порядка выше, чем у асинхронных двигателей;

6. Самые лучшие показатели по КПД и cosφ, их КПД на всех нагрузках превышает 90%. В то время, как у асинхронных двигателей КПД на половинных нагрузках может падать до 40-60%!

7. Минимальные токи холостого тока и пусковые токи;

8. Минимальные массогабаритные показатели;

9. Минимальные сроки окупаемости.

По конструктивным особенностям такие двигатели делятся на два основных типа: бесконтактные двигатели постоянного и переменного токов.

Главным направлением совершенствования вентильных электродвигателей в настоящий момент является разработка адаптивных бездатчиковых алгоритмов управления. Это позволит снизить себестоимость и повысить надежность таких приводов.

В такой маленькой статье, конечно, невозможно отразить все аспекты развития систем электропривода, т.к. это очень интересное и быстроразвивающееся направление в технике. Ежегодные электротехнические выставки наглядно демонстрируют постоянный рост количества фирм, стремящихся освоить это направление. Лидеры этого рынка как всегда Siemens AG, General Electric, Bosch Rexroth AG, Ansaldo, Fanuc и др.

Главным образом инверторный мотор отличается от обычного электродвигателя тем, что не имеет щеток. Применяются агрегаты в холодильниках, автоматических стиральных машинах, кондиционерах. Преобразователь, выполняющий функцию источника питания мотора, переменное напряжение преобразует в постоянное. Полученный постоянный ток преобразуется в переменный ток заданной частоты

Основными частями являются непосредственно мотор и частотный преобразователь, что и обеспечивает принцип работы двигателя. Частотный преобразователь служит для регулирования скорости мотора за счет создания требуемой частоты напряжения на выходе преобразователя. Диапазон выходной частоты в преобразователях варьируется в широких пределах, а предельные ее значения могут в десятки раз превосходить частоту питающей сети.

В инверторном преобразователе происходит двойное преобразование напряжения. Синусоидальное напряжение на входе преобразователя сначала выпрямляется в блоке выпрямителя, фильтруется и сглаживается конденсаторами электрического фильтра. Далее из полученного постоянного напряжения с помощью схем управления и выходных электронных ключей задается последовательность управляемых импульсов нужно формы и частоты. С помощью импульсов создается переменное напряжение требуемой величины и частоты, формируемое на выходе преобразователя.

Синусоидальный переменный ток, вырабатываемый преобразователем, на обмотках электромотора формируется по типу частотно-импульсного или широтно-импульсного модулирования . Электронными ключами для преобразователей служат, к примеру, выключаемые тиристоры GTO, их модернизированные версии IGCT, SGCT, GCT и транзисторы IGBT.

Мотор состоит из статора с небольшими обмотками возбуждения, чье количество кратно трем. В статоре вращается ротор с постоянными магнитами, закрепленными на нем. Количество магнитов втрое меньше количества обмоток возбуждения. Коллекторно-щеточного узла в таком двигателе нет.

Все это и есть инверторный электродвигатель, принцип работы которого основывается на взаимодействии магнитных полей статора и ротора . Вращающееся электромагнитное поле статора, созданное преобразователем, заставляет вращаться частотный ротор с такой же частотой. Так, мотором управляет инверторный преобразователь

.

Плюсы и минусы устройства

Мотор инверторного типа отличается компактностью и высокой надёжностью. К другим его достоинствам можно отнести:

Несмотря на массу достоинств, двигатель имеет недостатки. К наиболее существенным из них относятся:

• Высокая цена преобразователя.
• Необходимость дорогого ремонта в случае поломки.
• Необходимость поддержания определенного уровня напряжения в сети.
• Невозможность функционирования из-за изменения питающего напряжения сети.

Использование двигателя в стиральной машине

Инверторный двигатель, разработанный в 2005 г. инженерами корейского концерна LG, вывел на новый уровень производство стиральных машин. В сравнении с предшественниками новый мотор имеет лучшие технические характеристики , большую износоустойчивость, дольше служит. Поэтому инверторные двигатели завоевывают все большую популярность и производство их растет. Но все ли так радужно?

Достоинства и недостатки процесса стирки:

Рекомендуется обращать внимание на функциональность оборудования. Сам по себе инверторный мотор не гарантирует безупречности стирки. Если собрались покупать стиральную машину с инверторным мотором, приобретайте технику исключительно в проверенных точках. Чаще всего дешевые модели - это банальная подделка , и вряд ли их характеристики будут соответствовать тем, которые заявлены производителем.

Всем привет. Рад вас видеть у себя на сайте. Тема сегодняшней статьи: устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей. Так же я бы хотел немного сказать о способах регулировки их частоты вращения, и перечислить их основные преимущества и недостатки.

Раньше, я уже писал статьи, касающиеся асинхронных электродвигателей. Если кому интересно, то можете почитать. Вот список:

Ну а теперь давайте перейдём к теме сегодняшней статьи.

В нынешнее время, очень трудно представить, как бы существовали все промышленные предприятия, если бы не было асинхронных машин. Эти двигателя установлены практически везде. Даже дома у каждого человека есть такой двигатель. Он может стоять на вашей стиральной машинке, на вентиляторе, на насосной станции, в вытяжке и так далее.

Вообще асинхронный электродвигатель – это колоссальный прорыв в мировой промышленности. Во всём мире их выпускают более 90 процентов от количества всех выпускаемых двигателей.

Асинхронный электродвигатель – это электрическая машина, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. То есть потребляет электрический ток, а взамен дают крутящий момент, с помощью которого можно вращать многие агрегаты.

А само слово «асинхронный» — означает неодновременных или не совпадающий по времени. Потому что у таких двигателей частота вращения ротора немного отстаёт от частоты вращения электромагнитного поля статора. Ещё это отставанием называют – скольжением.

Обозначается это скольжение буквой: S

А вычисляется скольжение по такой формуле: S = (n1 — n2)/ n1 — 100%

Где, n1 – это синхронная частота магнитного поля статора;

n2 – это частота вращения вала.

Устройство асинхронного электродвигателя.

Двигатель состоит из таких частей:

1. Статор с обмотками. Или станина внутри которой находится статор с обмотками.

2. Ротор. Это если короткозамкнутый. А если фазный, то можно сказать, что это якорь или даже коллектор. Я думаю, ошибки не будет.

3. Подшипниковые щиты. На мощных двигателях ещё спереди стоят подшипниковые крышки с уплотнителями.

4. Подшипники. Могут стоять скольжения или качения, в зависимости от исполнения.

5. Вентилятор охлаждения. Изготавливается из пластмассы или металла.

6. Кожух вентилятора. Имеет прорези для подачи воздуха.

7. Борно или клеммная коробка. Для подключения кабелей.

Это все его основные детали, но в зависимости от вида, типа и исполнения может немного изменяться.

Асинхронные электродвигателя в основном выпускают двух видов: трёхфазные и однофазные. В свою очередь трёхфазные ещё подразделяются на подвиды: с короткозамкнутым ротором или фазным ротором.

Самые распространённые – это трёхфазные с короткозамкнутым ротор.

Статор имеет круглую форму и набирается с листов специальной стали, которые изолированы между собой, и эта собранная конструкция образует сердечник с пазами. В пазы сердечника укладываются обмотки, со специального обмоточного, изолированного лаком провода. Провод это отливают в основном из меди, но также есть и с алюминия. Если двигатель очень мощный, то обмотки делаю шиной. Обмотки укладывают так, чтобы они были сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов. Соединяются обмотки статора в звезду или в треугольник.

Ротор, как выше я уже писал выше, бывает короткозамкнутый или фазный.

Короткозамкнутый представляет собой вал, на который надеваются листы, из тоже специальной, стали. Эти наборные листы образую сердечник, в пазы которого заливают расплавленный алюминий. Этот алюминий равномерно растекается по пазам и образует стержни. А по краям эти стержни замыкают алюминиевыми кольцами. Получается своего рода «беличья клетка».

Фазный ротор представляет собой вал с сердечником и тремя обмотками. Одни концы, которых обычно соединяют в звезду, а вторые три конца присоединяют к токосъемным кольцам. А на эти кольца, с помощью щёток подают электрический ток.

Если в цепь фазных обмоток добавить нагрузочный реостат, и при пуске двигателя увеличивать активное сопротивление, то таким способ можно уменьшить большие пусковые токи.

Принцип действия.

Когда на обмотки статора подаются электрический ток, то в этих обмотках возникает электрический поток. Как вы помните, из выше написанных слов, фазы у нас смещены относительно друг друга на 120 градусов. И вот этот поток в обмотках начинает вращаться.

И при вращении магнитного потока статора, в обмотках ротора появляется электрический ток, и своё магнитное поле. Два этих магнитных поля начинают взаимодействовать и заставляют вращаться ротор электродвигателя. Это если ротор короткозамкнутый.

По принципу роботы вот посмотрите видео ролик.

Ну а с фазным ротором, по сути, принцип тот же. Напряжение подаётся на статор и на ротор. Появляются два магнитных поля, которые начинают взаимодействовать и вращать ротор.

Достоинства и недостатки асинхронных двигателей.

Основные достоинства асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором:

1. Очень простое устройство, что позволяет сократить затраты на его изготовление.

2. Цена намного меньше по сравнению с другими двигателями.

3. Очень простая схема запуска.

4. Скорость вращения вала практически не меняется с увеличением нагрузки.

5. Хорошо переносит кратковременные перегрузы.

6. Возможность подключения трёхфазных двигателей в однофазную сеть.

7. Надёжность и возможность эксплуатировать практически в любых условиях.

8. Имеет очень высокий показатель КПД и cos φ.

Недостатки:

1. Не возможности контролировать частоту вращения ротора без потери мощности.

2. Если увеличить нагрузку, то уменьшается момент.

3. Пусковой момент очень мал по сравнению с другими машинами.

4. При недогрузе увеличивается показатель cos φ

5. Высокие показатели пусковых токов.

Достоинства двигателей с фазным ротором:

1. По сравнению с короткозамкнутыми двигателями, имеет достаточно большой вращающий момент. Что позволяет его запускать под нагрузкой.

2. Может работать с небольшим перегрузом, и при этом частота вращения вала практически не меняется.

3. Небольшой пусковой ток.

4. Можно применять автоматические пусковые устройства.

Недостатки:

1. Большие габариты.

2. Показатели КПД и cos φ меньше, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором. И при недогрузе эти показатели имеют минимальное значение

3. Нужно обслуживать щёточный механизм.

На этом буду заканчивать свою статью. Если она была вам полезной, то поделитесь нею со своими друзьями в социальных сетях. Если есть вопросы, то задавайте их в комментариях и подписывайтесь на обновления. Пока.

С уважением Александр!