Які бувають види електричних двигунів і чим вони відрізняються

З цієї статті ми починаємо розділ Електродвигуни на сайті Сам Електрик, тому що кожен електромонтер і навіть домашній майстер хоча б в загальних рисах повинен розуміти, які бувають види і типи електродвигунів постійного і змінного струму, а також особливості їх влаштування та застосування. Матеріал буде побудований таким чином: ми коротко розглянемо різновиди електричних двигунів і в чому їх відмінності, а для більш докладного вивчення того чи іншого варіанту виконання надамо посилання на окрему публікацію.

Як працюють двигуни

Принцип роботи всіх видів електродвигунів полягає у взаємодії магнітних полів ротора і статора. При цьому магнітне поле може створюватися постійним магнітному або обмоткою (котушка-електромагніт).

 

Залежно від потужності і типу двигуна обмотки можуть бути розташовані тільки на статорі або і на статорі і на роторі. Спробуємо пояснити будову та принцип роботи для чайників в електриці.

Почнемо з того, що розглянемо пристрій колекторних електродвигунів. Наприклад, в маленьких колекторних двигунах постійного струму, як для радіомоделей, на статорі розташовані постійні магніти, а в роторі намотані котушки з мідного дроту. Струм до котушок ротора такого електродвигуна подається через щітковий вузол, що складається з щіток і колектора. На колекторі розташовані ламелі, до яких приєднані висновки обмоток.

Після включення живлення ротор (якір) починає обертатися, на ньому закріплений колектор, а нерухомі щітки стосуються поперемінно різних пар ламелей колектора. Через щітки і ламелі до обмоток ротора подається струм то на одну обмотку, то на іншу, таким чином створюючи змінюється магнітне поле, яке взаємодіє з полем магніту. В результаті полюса обертового і нерухомого електромагнітів притягуються, через що і відбувається обертання.

Якщо опустити деякі нюанси, то чим більше струм ротора, тим більше це поле і тим швидше обертається ротор. Однак це може бути застосовано в основному для колекторних машин постійного і змінного струмів (вони універсальні).

Якщо говорити про асинхронному двигуні (АТ) з короткозамкненим ротором - це електродвигун змінного струму без щіток. У ньому обмотки розташовані на статорі (а), а ротор являє собою стрижні (б), замкнуті на коротко кільцями - так звана біляча клітина.

В цьому випадку обертається магнітне поле статора породжує струм в стрижнях ротора, через якого також виникає ще одне магнітне поле. А що відбувається, коли поруч розташовані два магніти?

Вони відштовхуються або притягуються один до одного. Так як ротор закріплений на кінцях в підшипниках, то ротор починає обертатися. АТ призначений тільки для змінного струму, і швидкість обертання валу у нього залежить від частоти струму і числа полюсів в обмотках статора, докладніше це питання ми розглянемо в статті про асинхронних електродвигунах.

Але для початку обертання валу такого двигуна важливо або штовхнути його (надати початкову швидкість), або створити обертове магнітне поле. Воно створюється за допомогою розташованих певним чином обмоток, підключеним до трифазної електромережі (наприклад, 380), або за допомогою пускових і робочих конденсаторів (в т.зв. конденсаторних асинхронних двигунах).

Крім взаємодії магнітних полів в в обертанні вала електродвигуна бере участь і сила Ампера.

Тому потрібно розуміти, що момент на валу абстрактного двигуна і число оборотів залежать від конструкції і виду електромашини, а також від сили струму і його частоти. Повторюся, що в цій статті ми не будемо заглиблюватися детально особливо пристрою кожного з видів і типів електродвигунів, а зробимо окремі статті для цього.

Варто відзначити, що асинхронні і універсальні колекторні двигуни найбільш поширені в побуті і на виробництві, в приводах будівельних машин. Вони використовуються всюди, як для руху промислових механізмів, так і для автомобілів, електротранспорту і використовуються в побутовій техніці, аж до електричної зубної щітки.

Двигуни змінного струму

Більшість електричних машин, що використовуються на виробництві і в повсякденному житті, для приводу ліфтів, в інших видах електроприводу працюють від змінного струму.

Двигуни змінного струму можна класифікувати наступним чином:

  • асинхронні;
  • синхронні.

При цьому асинхронні двигуни розрізняють або за конструкцією ротора:

  • з короткозамкненим ротором (найбільш поширені з будь-яким числом фаз);
  • з фазним ротором (тільки трифазні).

І за кількістю фаз:

  • однофазні (з пусковим конденсатором) використовуються в побутових електровентилятором і інших малопотужних пристроях;
  • конденсаторні або двофазні (це однофазні з конденсатором, який не відключається під час роботи, за рахунок чого створюється «друга» фаза) використовуються в невеликих насосах, вентиляції, на пральних машинах типу «крихітка» і старих моделей виробництва СРСР;
  • трифазні поширені найбільше і використовуються повсюдно на виробництві.

Є різні конструкції однофазних АТ, в списку наведено два основні варіанти!

Особливістю всіх асинхронних електродвигунів є те, що частота обертання ротора трохи менше швидкості обертання магнітного поля статора і дорівнює:

де n - число оборотів в хвилину, f - частота мережі живлення, p - число пар полюсів, s - ковзання, а «60» - секунд в хвилині.

Таким чином частота обертання ротора визначається частотою мережі живлення, конструкцією обмоток, а вірніше числом пар полюсів (котушок) в ній і величиною ковзання.

Ковзання - це величина, яка характеризує наскільки менше частота обертання ротора щодо частоти магнітного поля. При нормальних режимах роботи лежить в межах 0,01-0,06. Якщо говорити простою мовою, то поле в статорі з однією парою полюсів обертається зі швидкістю:

60 * 50/1 = 3000 об/хв

При двох парах - 1500 об / хв, а при трьох парах - 1000 об / хв.

При ковзанні, припустимо, в 0,05, частота обертання ротора дорівнюватиме:

3000 * (1-0,05) = 2850 об/хв

Для регулювання обертів таких електродвигунів використовують частотні перетворювачі, так як на інші змінні, наведеної вище формули, ми вплинути не можемо.

Найбільш поширені в Росії асинхронні двигуни з напругою живлення 220В для з'єднання обмоток по схемі трикутника і 380В за схемою зірки.

Якщо в трифазної електричної машині обертається поле статора створюється розташуванням обмоток і зрушенням фаз в мережі на 120˚, то в однофазних такого ефекту не спостерігається. Вал буде обертатися, якщо задати йому початкове обертання, крутнув вал рукою або встановивши фазосдвігающій конденсатор, який створить зсув фази на пусковий обмотці.

Двофазні конденсаторні двигуни влаштовані так само, але друга обмотка не відключається після пуску, а продовжує працювати через конденсатор. Тому назва «двофазні» швидше відноситься до конструкції та схемою підключення, а не до ланцюгів харчування. І двофазні, і однофазні розраховані на роботі від мережі 220В.

Синхронні електродвигуни (СД) майже завжди виконуються з обмоткою збудження на якорі, і струм збудження на неї передається або через щітковий вузол, або наводиться за допомогою електромагнітної системи.

Це потрібно для того, щоб його вал обертався з частотою, що збігається з частотою обертання поля статора. Тобто такого параметра як ковзання в цьому випадку немає.

Струм збудження подається від спеціальних систем збудження, таких як «генератор-двигун» або електронних перетворювачів на тиристорах або транзисторах. Найбільш поширені на вітчизняних підприємствах такі прилади як ВТЕ, тву та ін.

Не завжди є обмотка збудження і щітки, наприклад, в мікрохвильовій печі в приводі обертання тарілки використовується синхронний двигун з постійними магнітами.

Синхронні машини бувають явнополюснимі і неявнополюсними. Візуальні відмінності полягають в конструкції ротора, на практиці є різниця і в їх характеристиках, методах виробництва і конструкції. На практиці звичайному домашньому електрикові навряд чи з ними доведеться зіткнутися.

Залишається сказати головне про двигуни змінного струму - вони погано піддаються регулюванню швидкості обертання через те, що їх обороти прив'язані до швидкості. Зменшення напруги (струму) на статорі або збудження (у синхронних і асинхронних з фазним ротором) призводить до падіння моменту і збільшення величини ковзання (у АТ), при цьому вал може обертатися повільніше. Щоб регулювати обороти таких двигунів, вам потрібен частотний перетворювач.

Існують наступні види і типи електродвигунів постійного струму:

  • Колекторні двигуни постійного струму. Складаються з магнітів або котушки збудження і якоря, струм до обмотки якоря передається за допомогою щіткового вузла, недоліком якого є поступовий знос.
  • Універсальні колекторні двигуни. Схожі на попередні, але можуть працювати і від постійного і від змінного струму.
  • Безколекторний або Бесщеточний. Складається з обмоток статора, на роторі встановлюють постійні магніти. Підключається до ланцюга постійного струму через спеціальний контролер, що перемикає обмотки статора.

Колекторні двигуни можна розділити на групи за типом збудження:

  • з самозбудженням;
  • з незалежним збудженням.

За типом підключення обмоток збудження розрізняють у такий спосіб:

  • Послідовне збудження дозволяє отримати високий момент на валу, але обороти холостого ходу також дуже високі і можуть пошкодити двигун (піде в рознос).
  • Паралельне збудження - в цьому випадку обороти стабільніше і не змінюються під навантаженням, але момент на валу менше.
  • Змішане збудження поєднує переваги обох типів.

У малопотужних колекторних ДПТ збудження найчастіше організовано за допомогою постійних магнітів.

При незалежному збудженні у колекторного електродвигуна обмотки статора і ротора пов'язані друг з одним, а по суті живляться від різних джерел. Таким чином можна організувати регулювання моменту або оборотів, а також домогтися більшої енергоефективності.

Залежно від конструкції такої електродвигун може працювати або тільки від постійного струму, або працювати від змінного і постійного. У другому випадку їх називають «універсальний колекторний двигун». Вони широко поширені в побуті, використовуються в кухонній техніці і електроінструменті (болгарки, дрилі і т.д.).

Безколекторні двигуни позбавлені недоліків, властивих колекторним, за рахунок відсутності щіткового вузла. Струм подається до трьох обмоток статора, а обмотки перемикаються за допомогою контролера. Фактично бесщеточние ДПТ харчуються перетвореним змінним струмом. Принцип роботи цих двигунів ви можете дізнатися, подивившись наступне відео:

Додаткова класифікація

Крім розглянутих вище двигунів слід сказати про інших видах, таких як:

  • крокові;
  • сервоприводи;
  • лінійні;
  • двигуни пульсуючого струму (схожий на двигун постійного струму, відмінністю є те, що харчування здійснюється випрямленою пульсуючим струмом).

Крокові двигуни і сервоприводи використовуються там, де потрібно позиціонувати вузол якогось механізму. Найпростіший приклад - ЧПУ, 3D-принтер та інше. Також за допомогою «кроковиках» іноді керують положенням дросельної заслінки автомобіля - і це лише мала частина їх застосування.

Опис функцій і особливостей цих видів електроприводу - це тема для окремої статті. Якщо вам цікаво, пишіть коментарі і ми її опублікуємо!

Лінійний двигун, на відміну від всіх вище перерахованих, рух його вала не обертальний, а поступальний. Тобто він не крутиться, а рухається «вперед-назад». Вони бувають різними:

  • змінного струму за принципом дії схожі на синхронні і асинхронні електродвигуни;
  • постійного струму;
  • п'єзоелектричні;
  • магнітострикційні.

На практиці зустрічаються рідко, використовуються в якості приводу для монорельсової залізниці, для подачі робочого органу в різних верстатах.

Однак наведена в статті класифікація була обрана з точки зору практичності, в літературі ж пропонують розділяти електропривод за наступними критеріями.

За специфікою створюється обертального моменту:

  • гістерезисна;
  • магнітоелектричні.

Наступний варіант класифікації заснований на відмінностях конструкції і особливості їх конструктивного виконання.

За типом і розташуванням вала:

  • з горизонтальним розташуванням валу;
  • з вертикальним розміщенням вала.

Захист від дій зовнішнього середовища:

  • захищені від підвищеної вологості і пилу;
  • для експлуатації у вибухонебезпечних приміщеннях.

За тривалістю режиму роботи:

  • повторно-короткочасний (лебідки, крани, двигуни засувок);
  • для тривалого режиму роботи (насоси, вентиляція і т.д.).

За потужністю також можна розрізняти машини малої, середньої, великої потужності. Однак межі цих потужностей наводити не має сенсу, оскільки десь 6 МВт - це середня потужність, а десь 1 кВт - це колосальне число.

Детально розглянути всі види в межах однієї статті неможливо, тому ми розглянемо кожен варіант виконання окремо. Сподіваємося, надана коротко класифікація допомогла вам зрозуміти, які бувають типи електродвигунів постійного і змінного струму, а також у чому їх відмінності і особливості застосування!

Коментарі   

0 # Лис 18.02.2020, 12:50
«Безколекторний або Бесщеточний. Складається з обмоток статора, на роторі встановлюють постійні магніти. Підключається до ланцюга постійного струму через спеціальний контролер, що перемикає обмотки статора. »

Ось тільки це двигун змінного струму. А постійним струмом живиться контролер, який і перетворює постійний струм в змінний з контролем його частоти.
Відповісти | Відповісти цитуючи | Цитата

Додати коментар


Захисний код
Оновити