Принцип работы электродвигателя основан на использовании эффекта электромагнитной индукции. Само устройство предназначено для создания механической энергии за счёт использования электрических полей. Тип и мощность получаемой энергии зависят от способа взаимодействия магнитных полей и собственно устройства электродвигателя. В зависимости от типа используемого напряжения двигатели классифицируют на постоянного и переменного тока.

Электродвигатель постоянного тока

Принцип действия этих двигателей основан на использования постоянных магнитных полей, создаваемых в корпусе устройства. Для их создания служит либо постоянный магнит, закреплённый на корпусе, либо электромагниты, расположенные по периметру ротора.

Основным отличием двигателей постоянного тока является наличие в их корпусе постоянно действующего магнита, закреплённого на корпусе машины. Мощность электродвигателя зависит от этого магнита, точнее от его поля. Магнитное поле в якоре создаётся при подключении к нему постоянного тока. Но для этого необходимо, чтобы полюса постоянного магнитного поля якоря менялись местами. Для этого используются специальные коллекторно-щёточные устройства. Они устроены в виде кольца-коллектора, зафиксированного на валу движка и подключённого к обмотке якоря. Кольцо разделено на сектора, разделённые диэлектрическими вставками. Соединение сектора коллектора с цепью якоря создаётся через скользящие по нему графитные щетки. Для более плотного контакта щётки прижимаются к кольцу коллектора пружинами. Графит применяется ввиду своей скользящей способности, высокой теплопроводности и мягкости. Его применение практически не вредит проводникам коллектора.

При большой мощности электромоторов постоянного тока использование постоянного магнита неэффективно из-за большого веса такого устройства и низкой мощности создаваемого постоянным магнитом поля. Для создания магнитного поля статора в этом случае используется конструкция из ряда катушечных электромагнитов, подключённых к отрицательной или положительной линии питания. Одноименные полюсы подключаются последовательно, их количество составляет от одного до четырёх, количество щёток соответствует количеству полюсов, но, в общем, конструкция якоря практически идентична вышеописанной.

Для упрощения запуска электрического двигателя используют два варианта возбуждения:

• параллельное, при этом рядом с обмоткой якоря включается независимая регулируемая линия, используется для плавного регулирования оборотов вала;
• последовательное возбуждение, что говорит о способе подключения дополнительной линии, в этом случае существует возможность резкого наращивания количества оборотов или его снижения.

Нужно отметить, что этот тип моторов имеет регулируемую частоту оборотов, что достаточно часто используется в промышленности и транспорте.

Интересно. В станках используются двигатели с параллельным возбуждением, что позволяет использовать регулировку количества оборотов, в то же время для грузоподъёмного оборудования подходит последовательное возбуждение. Даже эта особенность двигателей поставлена на службу человечеству.

Электродвигатель переменного тока

Устройство и принцип действия электродвигателя переменного тока впервые описал и запатентовал физик Никола Тесла, патент Великобритании за номером 6481. Но этот мотор не получил широкого распространения из-за низких пусковых характеристик, не смог найти решение пуска. Нужно отметить, что Тесла являлся основным апологетом развития этого типа двигателей, в отличие от Эдисона, который как раз ратовал за использование сетей постоянного тока.

Именно Тесла открыл явление, которое получило название сдвиг фаз, и предложил использовать его в электродвигателе, кроме того он опытным путём определил его наиболее эффективное значение в 90°. Кроме того, знаменитый физик обосновал использование вращающего магнитного поля в многофазных системах.

Но в 1890 году инженер М.О. Доливо-Добровольский создаёт первый рабочий образец асинхронного электродвигателя с якорем «беличье колесо» и с обмоткой статора по периметру окружности. В конструкции этого изделия нашли применение, как работа Никола Теслы, так и труды других инженеров и изобретателей. Справедливости ради нужно отметить, что элементы по отдельности были изобретены раньше, М. Доливо-Добровольский только совместил их в работоспособное устройство.

Вращающее магнитное поле, энергию которого использует этот тип электромотора, возникает в тройной обмотке статора, при подключении его к источнику тока. Ротор такого двигателя представляет собой металлический цилиндр, не имеющий обмотки. Магнитное поле статора за счёт объединения в короткозамкнутую систему с ротором возбуждает в нем токи. Они вызывают создание собственного магнитного поля якоря, которое, соединившись с вихревым полем статора, вызывает вращение ротора и объединённого с ним вала двигателя вокруг своей оси.

Название асинхронный двигатель получил из-за того, что поля не синхронизированы, магнитное поле статора имеет одинаковую скорость с полем якоря, но по фазе отстаёт от него.

Для запуска асинхронного электромотора требуются довольно значительные значения пусковых токов, это заметно и в реальности – при запуске в сеть станка или другого потребителя с таким мотором свет ламп накаливания зачастую мигает из-за падения напряжения в сети. Для упрощения пуска используют фазный ротор, это устройство якоря обычно используется в высокопроизводительных электродвигателях. Фазный ротор, в отличие от обычного, имеет на корпусе три обмотки, объединённые в «звезду». В отличие от статора, они не подключены к энергоисточнику, а соединены со стартовым устройством. Подключение устройства в сеть характеризуется падением сопротивления до нулевых значений. В результате двигатель запускается ровно и работает без перегрузки. Работа такого мотора довольно сложно регулируется, в отличие от моторов постоянного тока.

Интересно. Использование электромоторов переменного тока продвигал знаменитый Никола Тесла, в то время как энергию постоянного тока – не менее знаменитый Эдисон. В результате этого между двумя известнейшими учёными возник конфликт, продлившийся до самой смерти.

Линейные электродвигатели

Для ряда устройств требуется не вращательное движение вала движка, а его возвратно-поступательное движение. Для того чтобы удовлетворить требования промышленников, конструкторами были разработаны и линейные электродвигатели. Понятно, что можно использовать для перехода вращательного движения в поступательное различные редукторы и коробки передач, но это усложняет конструкцию, делает её более дорогой, а также снижает её эффективность.

Статор и ротор такого устройства представляют собой полосы металла, а не кольцо и цилиндр как в традиционных моторах. Принцип действия электродвигателя заключается в возвратно-поступательном движении ротора, которое возможно из-за электромагнитного поля, создаваемого статором с незамкнутой системой магнитопроводов. В самой конструкции при работе генерируется движущееся магнитное поле, которое воздействует на обмотку якоря с коллекторно-щеточным устройством. Возникающее поле смещает ротор только в линейном направлении, без придания ему вращения. Мощность электродвигателя линейного типа ограничена его устройством.

Недостатком этих двигателей являются: сложность их изготовления, достаточно высокая стоимость такого оборудования и низкая эффективность, хотя и выше чем использование вращения через редуктор.

Использование электромоторов переменного тока в однофазной сети

Получить вращающееся магнитное поле статора проще всего в трёхфазной сети, но, несмотря на то, можно использовать асинхронные движки и в однофазной, бытовой сети. Требуется лишь проведение некоторых расчетов и изменение конструкции двигателя.

Формула изменений такова:

1. Размещение на статоре движка двух обмоток: стартовой и рабочей;
2. Включение в цепь конденсатора позволит сдвинуть по фазе ток в стартовой обмотке 90°. Практически можно сделать так: объединить обмотки трехфазного асинхронного двигателя, две обмотки в одну и установить конденсатор на это соединение.

Этот двигатель будет работать в бытовой сети, но, в отличие от двигателей постоянного тока, этот движок не регулируется по количеству оборотов, кроме того слабо переносит критические нагрузки и имеет меньший КПД. Мощность электродвигателя тоже сравнительно низка и во многом зависит от сети. Трехфазная сеть больше подходит для эксплуатации таких моторов.

В настоящее время электродвигатели широко распространены по всему миру. В числе их достоинств:

• высокое КПД, до 80%;
• высокая мощность двигателя при компактных размерах;
• неприхотливость в обслуживании;
• надежность;
• низкие требования к энергопитанию.

Но в тоже время существует ряд проблем, которые ограничивают их более широкое распространение. Так, например, их мобильность ограничивает источники питания – в настоящее время нет достаточно мощных источников питания, которые смогли бы обеспечить длительную функциональность такого устройства. Единственным исключением из правил является атомный реактор. Гребные электродвигатели подводных лодок и кораблей имеют отличную автономность, но в то же время использование энергоносителей таких размеров невозможно в быту. Ситуацию могли бы исправить графеновые аккумуляторы, но их перспективы пока туманны.

Видео

Любой электрический двигатель предназначен для совершения механической работы за счет расхода приложенной к нему электроэнергии, которая преобразуется, как правило, во вращательное движение. Хотя в технике встречаются модели, которые сразу создают поступательное движение рабочего органа. Их называют линейными двигателями.

В промышленных установках электромоторы приводят в действие различные станки и механические устройства, участвующие в технологическом производственном процессе.

Внутри бытовых приборов электродвигатели работают в стиральных машинах, пылесосах, компьютерах, фенах, детских игрушках, часах и многих других устройствах.

Основные физические процессы и принцип действия

На движущиеся внутри электрические заряды, которые называют электрическим током, всегда действует механическая сила, стремящаяся отклонить их направление в плоскости, расположенной перпендикулярно ориентации магнитных силовых линий. Когда электрический ток проходит по металлическому проводнику или выполненной из него катушке, то эта сила стремится подвинуть/повернуть каждый проводник с током и всю обмотку в целом.

На картинке ниже показана металлическая рамка, по которой течет ток. Приложенное к ней магнитное поле создает для каждой ветви рамки силу F, создающую вращательное движение.

Это свойство взаимодействия электрической и магнитной энергии на основе создания электродвижущей силы в замкнутом токопроводящем контуре положено в работу любого электродвигателя. В его конструкцию входят:

обмотка, по которой протекает электрический ток. Ее располагают на специальном сердечнике-якоре и закрепляют в подшипниках вращения для уменьшения противодействия сил трения. Эту конструкцию называют ротором;

статор, создающий магнитное поле, которое своими силовыми линиями пронизывает проходящие по виткам обмотки ротора электрические заряды;

корпус для размещения статора. Внутри корпуса сделаны специальные посадочные гнезда, внутри которых вмонтированы внешние обоймы подшипников ротора.

Упрощенно конструкцию наиболее простого электродвигателя можно представить картинкой следующего вида.

При вращении ротора создается крутящий момент, мощность которого зависит от общей конструкции устройства, величины приложенной электрической энергии, ее потерь при преобразованиях.

Величина максимально возможной мощности крутящего момента двигателя всегда меньше приложенной к нему электрической энергии. Она характеризуется величиной коэффициента полезного действия.

Виды электродвигателей

По виду протекающего по обмоткам тока их подразделяют на двигатели постоянного или переменного тока. Каждая из этих двух групп имеет большое количество модификаций, использующих различные технологические процессы.

Электродвигатели постоянного тока

У них магнитное поле статора создается стационарно закрепленными либо специальными электромагнитами с обмотками возбуждения. Обмотка якоря жестко вмонтирована в вал, который закреплен в подшипниках и может свободно вращаться вокруг собственной оси.

Принципиальное устройство такого двигателя показано на рисунке.

На сердечнике якоря из ферромагнитных материалов расположена обмотка, состоящая из двух последовательно соединенных частей, которые одним концом подключены к токопроводящим коллекторным пластинам, а другим скоммутированы между собой. Две щетки из графита расположены на диаметрально противоположных концах якоря и прижимаются к контактным площадкам коллекторных пластин.

На нижнюю щетку рисунка подводится положительный потенциал постоянного источника тока, а на верхнюю - отрицательный. Направление протекающего по обмотке тока показано пунктирной красной стрелкой.

Ток вызывает в нижней левой части якоря магнитное поле северного полюса, а в правой верхней - южного (правило буравчика). Это приводит к отталкиванию полюсов ротора от одноименных стационарных и притяжению к разноименным полюсам на статоре. В результате приложенной силы возникает вращательное движение, направление которого указывает коричневая стрелка.

При дальнейшем вращении якоря по инерции полюса переходят на другие коллекторные пластины. Направление тока в них изменяется на противоположное. Ротор продолжает дальнейшее вращение.

Простая конструкция подобного коллекторного устройства приводит к большим потерям электрической энергии. Подобные двигатели работают в приборах простой конструкции или игрушках для детей.

Электродвигатели постоянного тока, участвующие в производственном процессе, имеют более сложную конструкцию:

обмотка секционирована не на две, а на большее количество частей;

каждая секция обмотки смонтирована на своем полюсе;

коллекторное устройство выполнено определенным количеством контактных площадок по числу секций обмоток.

В результате этого создается плавное подключение каждого полюса через свои контактные пластины к щеткам и источнику тока, снижаются потери электроэнергии.

Устройство подобного якоря показано на картинке.

У электрических двигателей постоянного тока можно реверсировать направление вращения ротора. Для этого достаточно изменить движение тока в обмотке на противоположное сменой полярности на источнике.

Электродвигатели переменного тока

Они отличаются от предыдущих конструкций тем, что электрический ток, протекающий в их обмотке, описывается по , периодически изменяющему свое направление (знак). Для их питания напряжение подается от генераторов со знакопеременной величиной.

Статор таких двигателей выполняется магнитопроводом. Его делают из ферромагнитных пластин с пазами, в которые помещают витки обмотки с конфигурацией рамки (катушки).

Синхронные электродвигатели

На картинке ниже показан принцип работы однофазного двигателя переменного тока с синхронным вращением электромагнитных полей ротора и статора.

В пазах статорного магнитопровода по диаметрально противоположным концам размещены проводники обмотки, схематично показанные в виде рамки, по которой протекает переменный ток.

Рассмотрим случай для момента времени, соответствующего прохождению положительной части его полуволны.

В обоймах подшипника свободно вращается ротор с вмонтированным постоянным магнитом, у которого ярко выражены северный «N рот» и южный «S рот» полюса. При протекании положительной полуволны тока по обмотке статора в ней создается магнитное поле с полюсами «S ст» и «N ст».

Между магнитными полями ротора и статора возникают силы взаимодействия (одноименные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются), которые стремятся повернуть якорь электродвигателя из произвольного положения в окончательное, когда осуществляется максимально близкое расположение противоположных полюсов относительно друг друга.

Если рассматривать этот же случай, но для момента времени, когда по рамочному проводнику протекает обратная - отрицательная полуволна тока, то вращение якоря будет происходить в противоположную сторону.

Для придания непрерывного движения ротору в статоре делают не одну обмотку-рамку, а определенное их количество с таким учетом, чтобы каждая их них питалась от отдельного источника тока.

Принцип работы трехфазного двигателя переменного тока с синхронным вращением электромагнитных полей ротора и статора показан на следующей картинке.

В этой конструкции внутри магнитопровода статора смонтированы три обмотки А, В и С, смещенные на углы 120 градусов между собой. Обмотка А выделена желтым цветом, В - зеленым, а С - красным. Каждая обмотка выполнена такими же рамками, как и в предыдущем случае.

На картинке для каждого случая ток проходит только по одной обмотке в прямом или обратном направлении, которое показано значками «+» и «-».

При прохождении положительной полуволны по фазе А в прямом направлении ось поля ротора занимает горизонтальное положение потому, что магнитные полюса статора формируются в этой плоскости и притягивают подвижный якорь. Разноименные полюса ротора стремятся приблизиться к полюсам статора.

Когда положительная полуволна пойдет по фазе С, то якорь повернется на 60 градусов по ходу часовой стрелки. После подачи тока в фазу В произойдет аналогичный поворот якоря. Каждое очередное протекание тока в очередной фазе следующей обмотки будет вращать ротор.

Если к каждой обмотке подвести сдвинутое по углу 120 градусов напряжение трехфазной сети, то в них будут циркулировать переменные токи, которые раскрутят якорь и создадут его синхронное вращение с подведенным электромагнитным полем.

Эта же механическая конструкция успешно применяется в трехфазном шаговом двигателе . Только в каждую обмотку с помощью управления подаются и снимаются импульсы постоянного тока по описанному выше алгоритму.

Их запуск начинает вращательное движение, а прекращение в определенный момент времени обеспечивает дозированный поворот вала и остановку на запрограммированный угол для выполнения определенных технологических операций.

В обеих описанных трехфазных системах возможно изменение направления вращения якоря. Для этого надо просто поменять чередование фаз «А»-«В»-«С» на другое, например, «А»-«С»-«В».

Скорость вращения ротора регулируется продолжительностью периода Т. Его сокращение приводит к ускорению вращения. Величина амплитуды тока в фазе зависит от внутреннего сопротивления обмотки и значения приложенного к ней напряжения. Она определяет величину крутящего момента и мощности электрического двигателя.

Асинхронные электродвигатели

Эти конструкции двигателей имеют такой же статорный магнитопровод с обмотками, как и в ранее рассмотренных однофазных и трехфазных моделях. Они получили свое название из-за несинхронного вращения электромагнитных полей якоря и статора. Сделано это за счет усовершенствования конфигурации ротора.

Его сердечник набран из пластин электротехнических марок стали с пазами. В них вмонтированы алюминиевые либо медные тоководы, которые по концам якоря замкнуты токопроводящими кольцами.

Когда к обмоткам статора подводится напряжение, то в обмотке ротора электродвижущей силой наводится электрический ток и создается магнитное поле якоря. При взаимодействии этих электромагнитных полей начинается вращение вала двигателя.

У этой конструкции движение ротора возможно только после того, как возникло вращающееся электромагнитное поле в статоре и оно продолжается в несинхронном режиме работы с ним.

Асинхронные двигатели проще в конструктивном исполнении. Поэтому они дешевле и массово применяются в промышленных установках и бытовой домашней технике.

Линейные электродвигатели

Многие рабочие органы промышленных механизмов выполняют возвратно-поступательное или поступательное движение в одной плоскости, необходимое для работы металлообрабатывающих станков, транспортных средств, ударов молота при забивании свай …

Перемещение такого рабочего органа с помощью редукторов, шариковинтовых, ременных передач и подобных механических устройств от вращательного электродвигателя усложняет конструкцию. Современное техническое решение этой проблемы - работа линейного электрического двигателя.

У него статор и ротор вытянуты в виде полос, а не свернуты кольцами, как у вращательных электродвигателей.

Принцип работы заключается в придании возвратно-поступательного линейного перемещения бегуну-ротору за счет передачи электромагнитной энергии от неподвижного статора с незамкнутым магнитопроводом определенной длины. Внутри него поочередным включением тока создается бегущее магнитное поле.

Оно воздействует на обмотку якоря с коллектором. Возникающие в таком двигателе силы перемещают ротор только в линейном направлении по направляющим элементам.

Линейные двигатели конструируются для работы на постоянном или переменном токе, могут работать в синхронном либо асинхронном режиме.

Недостатками линейных двигателей являются:

сложность технологии;

высокая стоимость;

низкие энергетические показатели.

Экология потребления.Наука и техника: Почему в пылесос ставятся одни двигатели, а в вентилятор вытяжки другие? Какие двигатели стоят в сегвее? А какие двигают поезд метро?

Видов электродвигателей существует множество. И у каждого из них свои свойства, область применения и особенности. В этой статье будет небольшой обзор по разным типам электродвигателей с фотографиями и примерами применений. Почему в пылесос ставятся одни двигатели, а в вентилятор вытяжки другие? Какие двигатели стоят в сегвее? А какие двигают поезд метро?

Каждый электродвигатель обладает некоторыми отличительными свойствами, которые обуславливают его область применения, в которой он наиболее выгоден. Синхронные, асинхронные, постоянного тока, коллекторные, бесколлекторные, вентильно-индукторные, шаговые… Почему бы, как в случае с двигателями внутреннего сгорания, не изобрести пару типов, довести их до совершенства и ставить их и только их во все применения? Давайте пройдемся по всем типам электродвигателей, а в конце обсудим, зачем же их столько и какой двигатель «самый лучший».

Двигатель постоянного тока (ДПТ)

С этим двигателем все должны быть знакомы с детства, потому что именно этот тип двигателя стоит в большинстве старых игрушек. Батарейка, два проводка на контакты и звук знакомого жужжания, вдохновляющего на дальнейшие конструкторские подвиги. Все ведь так делали? Надеюсь. Иначе эта статья, скорее всего, не будет вам интересна. Внутри такого двигателя на валу установлен контактный узел – коллектор, переключающий обмотки на роторе в зависимости от положения ротора.

Постоянный ток, подводимый к двигателю, протекает то по одним, то по другим частям обмотки, создавая вращающий момент. Кстати, не уходя далеко, всех ведь, наверное, интересовало – что за желтые штучки стояли на некоторых ДПТ из игрушек, прямо на контактах (как на фото сверху)? Это конденсаторы – при работе коллектора из-за коммутаций потребление тока импульсное, напряжение может также меняться скачками, из-за чего двигатель создает много помех. Они особенно мешают, если ДПТ установлен в радиоуправляемой игрушке. Конденсаторы как раз гасят такие высокочастотные пульсации и, соответственно, убирают помехи.

Двигатели постоянного тока бывают как очень маленького размера («вибра» в телефоне), так и довольно большого – обычно до мегаватта. Например, на фото ниже показан тяговый электродвигатель электровоза мощностью 810кВт и напряжением 1500В.

Почему ДПТ не делают мощнее? Главная проблема всех ДПТ, а в особенности ДПТ большой мощности – это коллекторный узел. Скользящий контакт сам по себе является не очень хорошей затеей, а скользящий контакт на киловольты и килоамперы – и подавно. Поэтому конструирование коллекторного узла для мощных ДПТ – целое искусство, а на мощности выше мегаватта сделать надежный коллектор становится слишком сложно.

В потребительском качестве ДПТ хорош своей простотой с точки зрения управляемости. Его момент прямо пропорционален току якоря, а частота вращения (по крайней мере холостой ход) прямо пропорциональна приложенному напряжению. Поэтому до наступления эры микроконтроллеров, силовой электроники и частотного регулируемого привода переменного тока именно ДПТ был самым популярным электродвигателем для задач, где требуется регулировать частоту вращения или момент.

Также нужно упомянуть, как именно в ДПТ формируется магнитный поток возбуждения, с которым взаимодействует якорь (ротор) и за счет этого возникает вращающий момент. Этот поток может делаться двумя способами: постоянными магнитами и обмоткой возбуждения. В небольших двигателях чаще всего ставят постоянные магниты, в больших – обмотку возбуждения. Обмотка возбуждения – это еще один канал регулирования. При увеличении тока обмотки возбуждения увеличивается её магнитный поток. Этот магнитный поток входит как в формулу момента двигателя, так и в формулу ЭДС.

Чем выше магнитный поток возбуждения, тем выше развиваемый момент при том же токе якоря. Но тем выше и ЭДС машины, а значит при том же самом напряжении питания частота вращения холостого хода двигателя будет ниже. Зато если уменьшить магнитный поток, то при том же напряжении питания частота холостого хода будет выше, уходя в бесконечность при уменьшении потока возбуждения до нуля. Это очень важное свойство ДПТ. Вообще, я очень советую изучить уравнения ДПТ – они простые, линейные, но их можно распространить на все электродвигатели – процессы везде схожие.

Универсальный коллекторный двигатель

Как ни странно, это самый распространенный в быту электродвигатель, название которого наименее известно. Почему так получилось? Его конструкция и характеристики такие же, как у двигателя постоянного тока, поэтому упоминание о нем в учебниках по приводу обычно помещается в самый конец главы про ДПТ. При этом ассоциация коллектор = ДПТ так прочно заседает в голове, что не всем приходит на ум, что двигатель постоянного тока, в названии которого присутствует «постоянный ток», теоретически можно включать в сеть переменного тока. Давайте разберемся.

Как изменить направление вращения двигателя постоянного тока? Это знают все, надо сменить полярность питания якоря. А ещё? А еще можно сменить полярность питания обмотки возбуждения, если возбуждение сделано обмоткой, а не магнитами. А если полярность сменить и у якоря, и у обмотки возбуждения? Правильно, направление вращения не изменится. Так что же мы ждем? Соединяем обмотки якоря и возбуждения последовательно или параллельно, чтобы полярность изменялась одинаково и там и там, после чего вставляем в однофазную сеть переменного тока! Готово, двигатель будет крутиться. Есть один только маленький штрих, который надо сделать: так как по обмотке возбуждения протекает переменный ток, её магнитопровод, в отличие от истинного ДПТ, надо изготовить шихтованным, чтобы снизить потери от вихревых токов. И вот мы и получили так называемый «универсальный коллекторный двигатель», который по конструкции является подвидом ДПТ, но… прекрасно работает как от переменного, так и от постоянного тока.

Этот тип двигателей наиболее широко распространен в бытовой технике, где требуется регулировать частоту вращения: дрели, стиральные машины (не с «прямым приводом»), пылесосы и т.п. Почему именно он так популярен? Из-за простоты регулирования. Как и в ДПТ, его можно регулировать уровнем напряжения, что для сети переменного тока делается симистором (двунаправленным тиристором). Схема регулирования может быть так проста, что помещается, например, прямо в «курке» электроинструмента и не требует ни микроконтроллера, ни ШИМ, ни датчика положения ротора.

Асинхронный электродвигатель

Еще более распространенным, чем коллекторные двигатели, является асинхронный двигатель. Только распространен он в основном в промышленности – где присутствует трехфазная сеть. Если кратко, то его статор – это распределенная двухфазная или трехфазная (реже многофазная) обмотка. Она подключается к источнику переменного напряжения и создает вращающееся магнитное поле. Ротор можно представлять себе в виде медного или алюминиевого цилиндра, внутри которого находится железо магнитопровода. К ротору в явном виде напряжение не подводится, но оно индуцируется там за счет переменного поля статора (поэтому двигатель на английском языке называют индукционным). Возникающие вихревые токи в короткозамкнутом роторе взаимодействуют с полем статора, в результате чего образуется вращающий момент.

Почему асинхронный двигатель так популярен?

У него нет скользящего контакта, как у коллекторного двигателя, а поэтому он более надежен и требует меньше обслуживания. Кроме того, такой двигатель может пускаться от сети переменного тока «прямым пуском» – его можно включить коммутатором «на сеть», в результате чего двигатель запустится (с большим пусковым током 5-7 крат, но допустимым). ДПТ относительно большой мощности так включать нельзя, от пускового тока погорит коллектор. Также асинхронные привода, в отличие от ДПТ, можно делать гораздо большей мощности – десятки мегаватт, тоже благодаря отсутствию коллектора. При этом асинхронный двигатель относительно прост и дешев.

Асинхронный двигатель применяется и в быту: в тех устройствах, где не нужно регулировать частоту вращения. Чаще всего это так называемые «конденсаторные» двигатели, или, что тоже самое, «однофазные» асинхронники. Хотя на самом деле с точки зрения электродвигателя правильнее говорить «двухфазные», просто одна фаза двигателя подключается в сеть напрямую, а вторая через конденсатор. Конденсатор делает фазовый сдвиг напряжения во второй обмотке, что позволяет создать вращающееся эллиптическое магнитное поле. Обычно такие двигатели применяются в вытяжных вентиляторах, холодильниках, небольших насосах и т.п.

Минус асинхронного двигателя по сравнению с ДПТ в том, что его сложно регулировать. Асинхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока. Если асинхронному двигателю просто понизить напряжение, не понизив частоту, то он несколько снизит скорость, да. Но у него увеличится так называемое скольжение (отставание частоты вращения от частоты поля статора), увеличатся потери в роторе, из-за чего он может перегреться и сгореть. Можно представлять это себе как регулирование скорости движения легкового автомобиля исключительно сцеплением, подав полный газ и включив четвертую передачу. Чтобы правильно регулировать частоту вращения асинхронного двигателя нужно пропорционально регулировать и частоту, и напряжение.

А лучше и вовсе организовать векторное управление. Но для этого нужен преобразователь частоты – целый прибор с инвертором, микроконтроллером, датчиками и т.п. До эры силовой полупроводниковой электроники и микропроцессорной техники (в прошлом веке) регулирование частотой было экзотикой – его не на чем было делать. Но сегодня регулируемый асинхронный электропривод на базе преобразователя частоты – это уже стандарт-де-факто.

Синхронный электродвигатель

Синхронных приводов бывает несколько подвидов – с магнитами (PMSM) и без (с обмоткой возбуждения и контактными кольцами), с синусоидальной ЭДС или с трапецеидальной (бесколлекторные двигатели постоянного тока, BLDC). Сюда же можно отнести некоторые шаговые двигатели. До эры силовой полупроводниковой электроники уделом синхронных машин было применение в качестве генераторов (почти все генераторы всех электростанций – синхронные машины), а также в качестве мощных приводов для какой-либо серьезной нагрузки в промышленности.

Все эти машины выполнялись с контактными кольцами (можно увидеть на фото), о возбуждении от постоянных магнитов при таких мощностях речи, конечно же, не идет. При этом у синхронного двигателя, в отличие от асинхронного, большие проблемы с пуском. Если включить мощную синхронную машину напрямую на трехфазную сеть, то всё будет плохо. Так как машина синхронная, она должна вращаться строго с частотой сети. Но за время 1/50 секунды ротор, конечно же, разогнаться с нуля до частоты сети не успеет, а поэтому он будет просто дергаться туда-сюда, так как момент получится знакопеременный. Это называется «синхронный двигатель не вошел в синхронизм». Поэтому в реальных синхронных машинах применяют асинхронный пуск – делают внутри синхронной машины небольшую асинхронную пусковую обмотку и закорачивают обмотку возбуждения, имитируя «беличью клетку» асинхронника, чтобы разогнать машину до частоты, примерно равной частоте вращения поля, а уже после этого включается возбуждение постоянным током и машина втягивается в синхронизм.

И если у асинхронного двигателя регулировать частоту ротора без изменения частоты поля хоть как-то можно, то у синхронного двигателя нельзя никак. Он или крутится с частой поля, или выпадает из синхронизма и с отвратительными переходными процессами останавливается. Кроме того, у синхронного двигателя без магнитов есть контактные кольца – скользящий контакт, чтобы передавать энергию на обмотку возбуждения в роторе. С точки зрения сложности, это, конечно, не коллектор ДПТ, но всё равно лучше бы было без скользящего контакта. Именно поэтому в промышленности для нерегулируемой нагрузки применяют в основном менее капризные асинхронные привода.

Но все изменилось с появлением силовой полупроводниковой электроники и микроконтроллеров. Они позволили сформировать для синхронной машины любую нужную частоту поля, привязанную через датчик положения к ротору двигателя: организовать вентильный режим работы двигателя (автокоммутацию) или векторное управление. При этом характеристики привода целиком (синхронная машина + инвертор) получились такими, какими они получаются у двигателя постоянного тока: синхронные двигатели заиграли совсем другими красками. Поэтому начиная где-то с 2000 года начался «бум» синхронных двигателей с постоянными магнитами. Сначала они робко вылезали в вентиляторах кулеров как маленькие BLDC двигатели, потом добрались до авиамоделей, потом забрались в стиральные машины как прямой привод, в электротягу (сегвей, Тойота приус и т.п.), всё больше вытесняя классический в таких задачах коллекторный двигатель. Сегодня синхронные двигатели с постоянными магнитами захватывают всё больше применений и идут семимильными шагами. И все это – благодаря электронике. Но чем же лучше синхронный двигатель асинхронного, если сравнивать комплект преобразователь+двигатель? И чем хуже? Этот вопрос будет рассматриваться в конце статьи, а сейчас давайте пройдемся еще по нескольким типам электродвигателей.

Вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением (ВИД СВ, SRM)

У него много названий. Обычно его коротко называют вентильно-индукторный двигатель (ВИД) или вентильно-индукторная машина (ВИМ) или привод (ВИП). В английской терминологии это switched reluctance drive (SRD) или motor (SRM), что переводится как машина с переключаемым магнитным сопротивлением. Но чуть ниже будет рассматриваться другой подвид этого двигателя, отличающийся по принципу действия.

Чтобы не путать их друг с другом, «обычный» ВИД, который рассмотрен в этом разделе, мы на кафедре электропривода в МЭИ, а также на фирме ООО «НПФ Вектор» называем «вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением» или коротко ВИД СВ, что подчеркивает принцип возбуждения и отличает его от машины, рассмотренной далее. Но другие исследователи его также называют ВИД с самоподмагничиванием, иногда реактивный ВИД (что отражает суть образования вращающего момента).

Конструктивно это самый простой двигатель и по принципу действия похож на некоторые шаговые двигатели. Ротор – зубчатая железка. Статор – тоже зубчатый, но с другим числом зубцов. Проще всего принцип работы поясняет вот эта анимация:

Подавая постоянный ток в фазы в соответствии с текущим положением ротора можно заставить двигатель вращаться. Фаз может быть разное количество. Форма тока реального привода для трех фаз показа на рисунке (токоограничение 600А):

Однако за простоту двигателя приходится платить. Так как двигатель питается однополярными импульсами тока/напряжения, напрямую «на сеть» его включать нельзя. Обязательно требуется преобразователь и датчик положения ротора. Причем преобразователь не классический (типа шестиключевой инвертор): для каждой фазы у преобразователя для SRD должны быть полумосты, как на фото в начале этого раздела.

Проблема в том, что для удешевления комплектующих и улучшения компоновки преобразователей силовые ключи и диоды часто не изготавливаются отдельно: обычно применяются готовые модули, содержащие одновременно два ключа и два диода – так называемые стойки. И именно их чаще всего и приходится ставить в преобразователь для ВИД СВ, половину силовых ключей просто оставляя незадействованной: получается избыточный преобразователь. Хотя в последние годы некоторые производители IGBT модулей выпустили изделия, предназначенные именно для SRD.

Следующая проблема – это пульсации вращающего момента. В силу зубчатой структуры и импульсного тока момент редко получается стабильным – чаще всего он пульсирует. Это несколько ограничивает применимость двигателей для транспорта – кому хочется иметь пульсирующий момент на колесах? Кроме того, от таких импульсов тянущего усилия не очень хорошо себя чувствуют подшипники двигателя. Проблема несколько решается специальным профилированием формы тока фазы, а также увеличением количества фаз.

Однако даже при этих недостатках двигатели остаются перспективными в качестве регулируемого привода. Благодаря их простоте сам двигатель получается дешевле классического асинхронного двигателя. Кроме того, двигатель легко сделать многофазным и многосекционным, разделив управление одним двигателем на несколько независимых преобразователей, которые работают параллельно. Это позволяет повысить надежность привода – отключение, скажем, одного из четырех преобразователей не приведет к остановке привода в целом – трое соседей будут какое-то время работать с небольшой перегрузкой. Для асинхронного двигателя такой фокус выполнить так просто не получается, так как невозможно сделать несвязанные друг с другом фазы статора, которые бы управлялись отдельным преобразователем полностью независимо от других. Кроме того, ВИД очень хорошо регулируются «вверх» от основной частоты. Железку ротора можно раскручивать без проблем до очень высоких частот.

Мы на фирме ООО «НПФ Вектор» выполнили несколько проектов на базе этого двигателя. Например, делали небольшой привод для насосов горячего водоснабжения, а также недавно закончили разработку и отладку системы управления для мощных (1,6 МВт) многофазных резервируемых приводов для обогатительных фабрик АК «АЛРОСА». Вот машинка на 1,25 МВт:

Вся система управления, контроллеры и алгоритмы были сделаны у нас в ООО «НПФ ВЕКТОР», силовые преобразователи спроектировала и изготовила фирма ООО «НПП «ЦИКЛ+». Заказчиком работы и проектировщиком самих двигателей являлась фирма ООО «МИП «Мехатроника» ЮРГТУ (НПИ)».

Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением (ВИД НВ)

Это совсем другой тип двигателя, отличающийся по принципу действия от обычного ВИД. Исторически известны и широко используются вентильно-индукторные генераторы такого типа, применяемые на самолетах, кораблях, железнодорожном транспорте, а вот именно двигателями такого типа почему-то занимаются мало.

На рисунке схематично показана геометрия ротора и магнитный поток обмотки возбуждения, а также изображено взаимодействие магнитных потоков статора и ротора, при этом ротор на рисунке установлен в согласованное положение (момент равен нулю).

Ротор собран из двух пакетов (из двух половинок), между которыми установлена обмотка возбуждения (на рисунке показана как четыре витка медного провода). Несмотря на то, что обмотка висит «посередине» между половинками ротора, крепится она к статору и не вращается. Ротор и статор выполнены из шихтованного железа, постоянные магниты отсутствуют. Обмотка статора распределенная трехфазная – как у обычного асинхронного или синхронного двигателя. Хотя существуют варианты такого типа машин с сосредоточенной обмоткой: зубцами на статоре, как у SRD или BLDC двигателя. Витки обмотки статора охватывают сразу оба пакета ротора.

Упрощенно принцип работы можно описать следующим образом : ротор стремится повернуться в такое положение, при котором направления магнитного потока в статоре (от токов статора) и роторе (от тока возбуждения) совпадут. При этом половина электромагнитного момента образуется в одном пакете, а половина – в другом. Со стороны статора машина подразумевает разнополярное синусоидальное питание (ЭДС синусоидальна), электромагнитный момент активный (полярность зависит от знака тока) и образован за счет взаимодействия поля, созданного током обмотки возбуждения с полем, созданного обмотками статора. По принципу работы эта машина отлична от классических шаговых и SRD двигателей, в которых момент реактивный (когда металлическая болванка притягивается к электромагниту и знак усилия не зависит от знака тока электромагнита).

С точки зрения управления ВИД НВ оказывается эквивалентен синхронной машине с контактными кольцами. То есть, если вы не знаете конструкцию этой машины и используете её как «черный ящик», то она ведет себя практически неотличимо от синхронной машины с обмоткой возбуждения. Можно сделать векторное управление или автокоммутацию, можно ослаблять поток возбуждения для повышения частоты вращения, можно усиливать его для создания большего момента – всё так, как будто это классическая синхронная машина с регулируемым возбуждением. Только ВИД НВ не имеет скользящего контакта. И не имеет магнитов. И ротор в виде дешевой железной болванки. И момент не пульсирует, в отличие от SRD. Вот, например, синусоидальные токи ВИД НВ при работе векторного управления:

Кроме того, ВИД НВ можно создавать многофазным и многосекционным, аналогично тому, как это делается в ВИД СВ. При этом фазы оказываются несвязанными друг с другом магнитными потоками и могут работать независимо. Т.е. получается как будто бы несколько трехфазных машин в одной, к каждой из которых присоединяется свой независимый инвертор с векторным управлением, а результирующая мощность просто суммируется. Координации между преобразователями при этом не требуется никакой – только общее задание частоты вращения.
Минусы этого двигателя тоже есть: напрямую от сети он крутиться не может, так как, в отличие от классических синхронных машин, ВИД НВ не имеет асинхронной пусковой обмотки на роторе. Кроме того, он сложнее по конструкции, чем обычный ВИД СВ (SRD).

На основе данного двигателя мы также сделали несколько успешных проектов. Например, один из них – это серия приводов насосов и вентиляторов для районных теплостанций г. Москвы мощностью 315-1200кВт.

Это низковольтные (380В) ВИД НВ с резервированием, где одна машина «разбита» на 2, 4 или 6 независимых трехфазных секций. На каждую секцию ставится свой однотипный преобразователь с векторным бездатчиковым управлением. Таким образом можно легко наращивать мощность на базе однотипной конструкции преобразователя и двигателя. При этом часть преобразователей подключено к одному вводу питания районной теплостанции, а часть к другому. Поэтому если происходит «моргушка питания» по одному из вводов питания, то привод не встает: половина секций кратковременно работают в перегрузке, пока питание не восстановится. Как только оно восстанавливается, на ходу в работу автоматически вводятся отдыхавшие секции. Вообще, наверное, этот проект заслуживал бы отдельной статьи, поэтому пока про него закончу, вставив фото двигателя и преобразователей:

Заключение: какой же электродвигатель самый лучший?

К сожалению, двумя словами здесь не обойтись. И общими выводами про то, что у каждого двигателя свои достоинства и недостатки – тоже. Потому что не рассмотрены самые главные качества – массогабаритные показатели каждого и типов машин, цена, а также их механические характеристики и перегрузочная способность. Оставим нерегулируемый асинхронный привод крутить свои насосы напрямую от сети, тут ему конкурентов нет. Оставим коллекторные машины крутить дрели и пылесосы, тут с ними в простоте регулирования тоже потягаться сложно.

Давайте рассмотрим регулируемый электропривод, режим работы которого – длительный. Коллекторные машины здесь сразу исключаются из конкуренции по причине ненадежности коллекторного узла. Но остались еще четыре – синхронный, асинхронный, и два типа вентильно-индукторных. Если мы говорим о приводе насоса, вентилятора и чего-то похожего, что используется в промышленности и где масса и габариты особо не важны, то здесь из конкуренции выпадают синхронные машины. Для обмотки возбуждения требуются контактные кольца, что является капризным элементом, а постоянные магниты очень дороги. Конкурирующими вариантами остаются асинхронный привод и вентильно-индукторные двигатели обоих типов.

Как показывает опыт, все три типа машин успешно применяются. Но – асинхронный привод невозможно (или очень сложно) секционировать, т.е. разбить мощную машину на несколько маломощных. Поэтому для обеспечения большой мощности асинхронного преобразователя требуется делать его высоковольтным: ведь мощность – это, если грубо, произведение напряжения на ток. Если для секционируемого привода мы можем взять низковольтный преобразователь и наставить их несколько, каждый на небольшой ток, то для асинхронного привода преобразователь должен быть один. Но не делать же преобразователь на 500В и ток 3 килоампера? Это провода нужны с руку толщиной. Поэтому для увеличения мощности повышают напряжение и снижают ток.

А высоковольтный преобразователь – это совсем другой класс задачи. Нельзя просто так взять силовые ключи на 10кВ и сделать из них классический инвертор на 6 ключей, как раньше: и нет таких ключей, а если есть, они очень дороги. Инвертор делают многоуровневым, на низковольтных ключах, соединенных последовательно в сложных комбинациях. Такой инвертор иногда тянет за собой специализированный трансформатор, оптические каналы управления ключами, сложную распределенную систему управления, работающую как одно целое… В общем, сложно всё у мощного асинхронного привода. При этом вентильно-индукторный привод за счет секционирования может «отсрочить» переход на высоковольтный инвертор, позволяя сделать привода до единиц мегаватт от низковольтного питания, выполненные по классической схеме. В этом плане ВИПы становятся интереснее асинхронного привода, да еще и обеспечивают резервирование. С другой стороны, асинхронные привода работают уже сотни лет, двигатели доказали свою надежность. ВИПы же только пробивают себе дорогу. Так что здесь надо взвесить много факторов, чтобы выбрать для конкретной задачи наиболее оптимальный привод.

Но всё становится еще интереснее, когда речь заходит о транспорте или о малогабаритных устройствах. Там уже нельзя беспечно относиться к массе и габаритам электропривода. И вот там уже нужно смотреть на синхронные машины с постоянными магнитами. Если посмотреть только на параметр мощности деленной на массу (или размер), то синхронные машины с постоянными магнитами вне конкуренции. Отдельные экземпляры могут быть в разы меньше и легче, чем любой другой «безмагнитный» привод переменного тока. Но здесь есть одно опасное заблуждение, которое я сейчас постараюсь развеять.

Если синхронная машина в три раза меньше и легче – это не значит, что для электротяги она подходит лучше. Всё дело в отсутствии регулировки потока постоянных магнитов. Поток магнитов определяет ЭДС машины. На определенной частоте вращения ЭДС машины достигает напряжения питания инвертора и дальнейшее повышение частоты вращения становится затруднительно.

Тоже самое касается и повышения момента. Если нужно реализовать больший момент, в синхронной машине нужно повышать ток статора – момент возрастет пропорционально. Но более эффективно было бы повысить и поток возбуждения – тогда и магнитное насыщение железа было бы более гармоничным, а потери были бы ниже. Но опять же поток магнитов повышать мы не можем. Более того, в некоторых конструкциях синхронных машин и ток статора нельзя повышать сверх определенной величины – магниты могут размагнититься. Что же получается? Синхронная машина хороша, но только лишь в одной единственной точке – в номинальной. С номинальной частотой вращения и номинальным моментом. Выше и ниже – всё плохо. Если это нарисовать, то получится вот такая характеристика частоты от момента (красным):

На рисунке по горизонтальной оси отложен момент двигателя, по вертикальной – частота вращения. Звездочкой отмечена точка номинального режима, например, пусть это будет 60кВт. Заштрихованный прямоугольник – это диапазон, где возможно регулирование синхронной машины без проблем – т.е. «вниз» по моменту и «вниз» по частоте от номинала.

Красной линией отмечено, что можно выжать из синхронно машины сверх номинала – небольшое повышение частоты вращения за счет так называемого ослабления поля (на самом деле это создание лишнего реактивного тока по оси d двигателя в векторном управлении), а также показана некоторая возможная форсировка по моменту, чтобы было безопасно для магнитов. Всё. А теперь давайте поставим эту машину в легковое транспортное средство без коробки передач, где батарея рассчитана на отдачу 60кВт.

Желаемая тяговая характеристика изображена синим. Т.е. начиная с самой низкой скорости, скажем, с 10км/ч привод должен развивать свои 60кВт и продолжать их развивать вплоть до максимальной скорости, скажем 150км/ч. Синхронная машина и близко не лежала: её момента не хватит даже чтобы заехать на бордюр у подъезда (или на поребрик у парадной, для полит. корректности), а разогнаться машина сможет лишь до 50-60км/ч.

Что же это значит? Синхронная машина не подходит для электротяги без коробки передач? Подходит, конечно же, просто надо по-другому её выбрать. Вот так:

Надо выбрать такую синхронную машину, чтобы требуемый тяговый диапазон регулирования был весь внутри её механической характеристики. Т.е. чтобы машина одновременно могла развить и большой момент, и работать на большой частоте вращения. Как вы видите из рисунка… установленная мощность такой машины будет уже не 60кВт, а 540кВт (можно посчитать по делениям). Т.е. в электромобиль с батареей на 60кВт придется установить синхронную машину и инвертор на 540кВт, просто чтобы «пройти» по требуемому моменту и частоте вращения.

Конечно же, так как описано, никто не делает. Никто не ставит машину на 540кВт вместо 60кВт. Синхронную машину модернизируют, пытаясь «размазать» её механическую характеристику из оптимума в одной точке вверх по скорости и вниз по моменту. Например, прячут магниты в железо ротора (делают инкорпорированными), это позволяет не бояться размагнитить магниты и ослаблять поле смелее, а также перегружать по току побольше. Но от таких модификаций синхронная машина набирает вес, габариты и становится уже не такой легкой и красивой, какой она была раньше. Появляются новые проблемы, такие как «что делать, если в режиме ослабления поля инвертор отключился». ЭДС машины может «накачать» звено постоянного тока инвертора и выжечь всё. Или что делать, если инвертор на ходу пробился - синхронная машина замкнется и может токами короткого замыкания убить и себя, и водителя, и всю оставшуюся живой электронику - нужны схемы защиты и т.п.

Поэтому синхронная машина хороша там, где большого диапазона регулирования не требуется. Например, в сегвее, где скорость с точки зрения безопасности может быть ограничена на 30км/ч (или сколько там у него?). А еще синхронная машина идеальна для вентиляторов: у вентилятора сравнительно мало изменяется частота вращения, от силы раза в два – больше особо нет смысла, так как воздушный поток ослабевает пропорционально квадрату скорости (примерно). Поэтому для небольших пропеллеров и вентиляторов синхронная машина – это то, что нужно. И как раз она туда, собственно, успешно ставится.

Тяговую кривую, изображенную на рисунке синим цветом, испокон веков реализуют двигатели постоянного тока с регулируемым возбуждением: когда ток обмотки возбуждения изменяют в зависимости от тока статора и частоты вращения. При увеличении частоты вращения уменьшается и ток возбуждения, позволяя машине разгоняться выше и выше. Поэтому ДПТ с независимым (или смешанным) управлением возбуждением классически стоял и до сих пор стоит в большинстве тяговых применений (метро, трамваи и т.п.). Какая же электрическая машина переменного тока может с ним поспорить?

К такой характеристике (постоянства мощности) могут лучше приблизиться двигатели, у которых регулируется возбуждение. Это асинхронный двигатель и оба типа ВИПов. Но у асинхронного двигателя есть две проблемы: во-первых, его естественная механическая характеристика – это не кривая постоянства мощности. Потому что возбуждение асинхронного двигателя осуществляется через статор. А поэтому в зоне ослабления поля при постоянстве напряжения (когда на инверторе оно закончилось) подъем частоты в два раза приводит к падению тока возбуждения в два раза и моментоообразующего тока тоже в два раза. А так как момент на двигателе – это произведение тока на поток, то момент падает в 4 раза, а мощность, соответственно, в два. Вторая проблема – это потери в роторе при перегрузке с большим моментом. В асинхронном двигателе половина потерь выделяется в роторе, половина в статоре.

Для уменьшения массогабаритных показателей на транспорте часто применяется жидкостное охлаждение. Но водяная рубашка эффективно охладит лишь статор, за счет явления теплопроводности. От вращающегося ротора тепло отвести значительно сложнее – путь отвода тепла через «теплопроводность» отрезан, ротор не касается статора (подшипники не в счет). Остается воздушное охлаждение путем перемешивая воздуха внутри пространства двигателя или излучение тепла ротором. Поэтому ротор асинхронного двигателя получается своеобразным «термосом» - единожды перегрузив его (сделав динамичный разгон на машине), требуется долгое время ждать остывания ротора. А ведь его температуру еще и не измерить… приходится только предсказывать по модели.

Здесь нужно отметить, как мастерски обе проблемы асинхронного двигателя обошли в Тесла в своей Model S. Проблему с отводом тепла из ротора они решили… заведя во вращающийся ротор жидкость (у них есть соответствующий патент, где вал ротора полый и он омывается внутри жидкостью, но достоверно я не знаю, применяют ли они это). А вторую проблему с резким уменьшением момента при ослаблении поля… они не решали. Они поставили двигатель с тяговой характеристикой, почти как у меня нарисована для «избыточного» синхронного двигателя на рисунке выше, только у них не 540кВт, а 300кВт. Зона ослабления поля в тесле очень маленькая, где-то два крата. Т.е. они поставили «избыточный» для легкового автомобиля двигатель, сделав вместо бюджетного седана по сути спорт-кар с огромной мощностью. Недостаток асинхронного двигателя обратили в достоинство. Но если бы они попытались сделать менее «производительный» седан, мощностью 100кВт или меньше, то асинхронный двигатель, скорее всего, был бы точно таким же (на 300кВт), просто его искусственно задушили электроникой бы под возможности батареи.

А теперь ВИПы. Что могут они? Какая тяговая характеристика у них? Про ВИД СВ я точно сказать не могу – это по своему принципу работы нелинейный двигатель, и от проекта к проекту его механическая характеристика может сильно меняться. Но в целом он скорее всего лучше асинхронного двигателя в плане приближения к желаемой тяговой характеристике с постоянством мощности. А вот про ВИД НВ я могу сказать подробнее, так как мы на фирме им очень плотно занимаемся. Видите вон ту желаемую тяговую характеристику на рисунке выше, которая нарисована синим цветом, к которой мы хотим стремиться? Это на самом деле не просто желаемая характеристика. Это реальная тяговая характеристика, которую мы по точкам по датчику момента сняли для одного из ВИД НВ. Так как ВИД НВ имеет независимое внешнее возбуждение, то его качества наиболее приближены к ДПТ НВ, который тоже может сформировать такую тяговую характеристику за счет регулирования возбуждения.

Так что же? ВИД НВ – идеальная машина для тяги без единой проблемы? На самом деле нет. Проблем у него тоже куча. Например, его обмотка возбуждения, которая «висит» между пакетами статора. Хоть она и не вращается, от неё тоже сложно отводить тепло – получается ситуация почти как ротором асинхронника, лишь немного получше. Можно, в случае надобности, «кинуть» трубку охлаждения со статора. Вторая проблема – это завышенные массогабаритные показатели. Глядя на рисунок ротора ВИД НВ, можно видеть, что пространство внутри двигателя используется не очень эффективно – «работают» только начало и конец ротора, а середина занята обмоткой возбуждения. В асинхронном двигателе, например, вся длина ротора, всё железо «работает». Сложность сборки – засунуть обмотку возбуждения внутрь пакетов ротора надо еще суметь (ротор делается разборным, соответственно, есть проблемы с балансировкой). Ну и просто массогабаритные характеристики пока получаются не очень-то выдающимися по сравнению с теми же асинхронными двигателями Тесла, если накладывать тяговые характеристики друг на друга.

А также есть еще общая проблема обоих типов ВИД. Их ротор – пароходное колесо. И на высоких частотах вращения (а высокая частота нужна, так высокочастотные машины при той же мощности меньше тихоходных) потери от перемешивания воздуха внутри становятся очень значительными. Если до 5000-7000 об/мин ВИД еще можно сделать, то на 20000 об/мин это получится большой миксер. А вот асинхронный двигатель на такие частоты и гораздо выше сделать вполне можно за счет гладкого статора.

Так что же лучше всего в итоге для электротяги? Какой двигатель самый лучший?
Понятия не имею. Все плохие. Надо изобретать дальше. Но мораль статьи такова – если вы хотите сравнить между собой разные типы регулируемого электропривода, то нужно сравнивать на конкретной задаче с конкретной требуемой механической характеристикой по всем-всем параметрам, а не просто по мощности. Также в этой статье не рассмотрены еще куча нюансов сравнения. Например, такой параметр как длительность работы в каждой из точек механической характеристики.

На максимальном моменте обычно ни одна машина не может работать долго – это режим перегрузки, а на максимальной скорости очень плохо себя чувствуют синхронные машины с магнитами – там у них огромные потери в стали. А еще интересный параметр для электротяги – потери при движении выбегом, когда водитель отпустил газ. Если ВИПы и асинхронные двигатели будут крутиться как болванки, то у синхронной машины с постоянными магнитами останутся почти номинальные потери в стали из-за магнитов. И так далее, и так далее…

Поэтому нельзя вот так просто взять и выбрать лучший электропривод. опубликовано

Электродвигатель преобразует электроэнергию в энергию механического движения. Так же как и электрический генератор электродвигатель состоит обычно из статора и ротора, относясь к вращающимся электрическим машинам Выпускаются однако, двигатели у которых движущаяся часть совершает линейное (обычно прямолинейное движение (линейные двигатели).

Самым распространенным видом электродвигателей является трехфазный короткозамкнутый асинхронный двигатель принцип устройства которого представлен на рис. 1, роторная обмотка этого двигателя представляет собой систему массивных медных или алюминиевых стержней, размещенных параллельно друг другу в пазах ротора концы которых соединены между собой короткозамкнутыми кольцами.

Рис. 1. Принцип устройства короткозамкнутого асинхронного двигателя.
1- статор, 2 – ротор, 3 - вал, 4 - корпус

В случае применения алюминия вся обмотка (беличья клетка) обычно формируется путем литья под давлением. Вращающееся магнитное поле статора индуцирует в обмотке ротора ток, взаимодействие которого с магнитным полем статора приводит ротор во вращение. Скорость вращения ротора при этом всегда меньше чем магнитного поля статора и ее относительную разность со скоростью вращения магнитного поля статора (с синхронией скоростью) называют скольжением. Эта величина зависит от нагрузки на валу двигателя и составляет при полной нагрузке обычно 3… 5%. Для ступенчатого регулирования скорости может использоваться статорная обмотка с переключаемым числом полюсов по такому принципу могут выполняться, например, двух трех и четырехскоростные асинхронные двигатели. Для плавного регулирования скорости обычно осуществляется питание двигателя через регулируемый преобразователь частоты.

Для главного регулирования скорости асинхронного двигателя ниже номинальной ранее вместо короткозамкнутых двигателе использовались двигатели с фазным ротором, у которых роторная обмотка имеет такое же трехфазное исполнение как и статорная. Такая обмотка соединяется через контактные кольца, расположенные на валу двигателя с регулировочным реостатом где часть энергии потребляемой двигателем, превращается в тепло. Регулирование происходит, следовательно, за счет снижения КПД двигателя и в настоящее время применяется редко.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели характеризуются своей компактностью и высокой надежностью, а также намного большим сроком службы, чем двигатели внутреннего сгорания. По размерам они обычно меньше и по массе легче, чем двигатели внутреннего сгорания той же мощности. Они могут изготовляться в очень большом диапазоне номинальных мощностей от нескольких ватт до нескольких десятков мегаватт. Двигатели малой мощности (до нескольких сотен ватт могут быть и однофазными.

Синхронные двигатели устроены так же, как и синхронные генераторы. При неизменной сетевой частоте они вращаются с постоянной скоростью не зависимо от нагрузки. Их преимуществом перед асинхронными двигателями считается то, что они не потребляют из сети реактивную энергию, а могут отдавать ее в сеть покрывая этим потребление реактивной энергии другими электроприемниками. Синхронные двигатели не подходят для частых пусков и применяются, главным образом, при относительно стабильной механической нагрузке и тогда, когда требуется постоянная скорость вращения.

Двигатели постоянного тока используются при необходимости плавного регулирования скорости. Это достигается путем изменения тока якоря и/или возбуждения при помощи полупроводниковых устройств (раньше - с помощью регулировочных реостатов) или путем изменения напряжения питания. Так как в настоящее время легко и без существенного изменения КПД (при помощи преобразователей частоты) осуществляется и плавное регулирование скорости двигателей переменного тока, то двигатели постоянного тока, из-за их большей стоимости, больших размеров и дополнительных потерь, возникающих при регулировании, стали применяться значительно реже, чем раньше.
Шаговые двигатели приводят в движение при помощи импульсов напряжения. При каждом импульсе ротор двигателя поворачивается на определенный угол (например, на несколько градусов). Такие двигатели используются в тихоходных механизмах, требующих обычно еще точного позиционирования. Могут изготовляться, например, двигатели, совершающие один обо рот за сутки или даже за год.

Линейные двигатели используются для линейного движения, когда преобразование вращающегося движения в линейное при помощи механических передач или других устройств невозможно или неприемлемо. Наиболее часто применяются асинхронные линейные двигатели, но существуют также синхронные и шаговые линейные двигатели и даже двигатели постоянного тока.

Основными преимуществами электрических двигателей перед двигателями внутреннего сгорания могут считаться
- меньшие размеры, меньшая масса и меньшая стоимость,
- намного более высокий КПД (обычно 90 ..95%),
- лучшая регулируемость (обычно с сохранением высокого КПД),
- высокая надежность и долгий срок службы,
- меньший шум и меньшая вибрация при работе,
- быстрый и беспроблемный (при необходимости - плавный) пуск,
- намного более простая эксплуатация,
- отсутствие потребления топлива и, как результат, отсутствие выбросов продуктов сгорания в окружающую среду,
- легкое присоединение к любым рабочим машинам и механизмам.
Применение электродвигателей может оказаться проблемным в случае, когда они должны размещаться на переносных и передвижных устройствах или на транспортных средствах. Для электропитания в таких случаях могут применяться, в зависимости от дальности и характера передвижения,
- гибкие кабели,
- контактные провода или контактные шины,
- размещаемые на передвижных средствах источники питания (аккумуляторы, топливные элементы, двигатель-генераторы и т. п.).

Во многих случаях эти способы питания ограничивают маневренность или дальность пробега транспортных средств (особенно автомобилей) или других передвижных машин в такой степени что применение двигателей внутреннего сгорания остается более рациональным. Первый электродвигатель был не электромагнитным, а электростатическим и его изготовил в 1748 году издатель и общественный деятель города Филадельфия (Philadelphia, США) Бенджамин Франклин (Benjamin Franklin, 1706-1790). Ротор этого двигателя представлял собой зубчатый диск, на зубья которого действовали импульсные силы притяжения и отталкивания, вызываемые электростатическими разрядами, диск совершал 12...15 оборотов в минуту и мог нести до 100 серебряных монет. Первые электромагнитные двигатели (приборы, в которых либо проводник, через который протекал ток вращался вокруг стержневого магнита (рис. 2), совершая при этом работу - перемешивая ртуть, либо стержневой магнит вращался вокруг проводника с током, изобрел в 1821 году ассистент Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday).

Рис. 2. Принцип устройства опытного прибора Майкла Фарадея для демонстрации электрического вращения.
1 - вращающийся металлический стержень, 2 - стержневой магнит, 3 - стеклянный или фарфоровый сосуд, 4 - ртуть, 5 – уплотнение, i - ток

Первый (качающийся) двигатель, который, в принципе, можно было бы соединить с приводимой рабочей машиной, изготовил в 1831 году учитель математики и природоведения школы мальчиков города Албани (Albany, США) Джозеф Генри (Joseph Henry, 1797-1878); принцип устройства этого двигателя представлен на рис. 3.

Рис. 3. Принцип устройства качающегося электродвигателя Джозефа Генри.
1 - постоянные магниты, 2 - качающийся электромагнит, 3 - вал, 4 - ртутные контакты.

После двигателя Генри было создано еще несколько различных опытных электродвигателей возвратно-поступательного движения. Первый вращающийся электродвигатель создал с целью реального применения 8 апреля 1834 года инспектор порта Пиллау rPiilau, Восточная Пруссия), инженер-строитель Мориц Герман Яко6и (Moritz Hermann Jacobi. 1801-1874), изучавший самостоятельно электротехнику в библиотеке и в лабораториях Кенигсбергского университета. Восьмиполюсный двигатель, у которого как статор, так и ротор состояли из четырех подковообразных электромагнитов и который совершал 80… 120 оборотов в минуту, получал питание из батареи гальванических элементов напряжением 6V. Мощность его на валу была приблизительно 15 W а КПД - около 13%. Якоби исследовал и совершенствовал свои двигатель, между прочим, в Тартуском университете, профессором гражданской архитектуры которого он был избран в 1835 году.

Мориц Герман (позже, в России - Борис Семенович) Якоби родился в 1801 году в Потсдаме (Potsdam, Германия) в зажиточной семье и получил хорошее домашнее образование; уже в юношестве он одинаково свободно владел немецким, английским и французским языками и отлично знал также латынь и древнегреческий язык. В 1828 году он окончил Геттингенский университет (Gottingen Германия) с квалификацией архитектора, работал затем на строительстве дорог, а в 1833 году переехал в Кенигсберг, где его младший брат Карл Густав Яков Якоби (Carl Gustav Jacob Jacobi, 1804-1851) был профессором математики. Он стал работать инспектором порта Пиллау и посещать Кенигсбергский университет для приобретения знаний по электротехнике. В 1834 году он построил вышеупомянутый двигатель, а в 1835 году, по инициативе профессора астрономии Тартуского университета Фридриха Георга Вильгельма Струве (Friedrich Georg Wilhelm Struve, 1793-1864) он был избран профессором гражданской архитектуры этого университета. Его двигатель вызвал интерес в Петербурге, и в 1837 году Якоби был прикомандирован к столичной Академии Наук для разработки электропривода военных кораблей, оставаясь до 1840 года официально на службе в Тартуском университете. В 1838 году Якоби испытал на Неве первый в мире электропривод с вращающимся двигателем (установленный на морском боте), но дальнейшие исследования показали, что для электропитания привода, к сожалению, нет технически и экономически пригодного источника энергии.

В 1839 году Якоби был избран членом-корреспондентом, а в 1842 году - членом Академии Наук и в дальнейшем занимался, в основном, развитием электромагнитного телеграфа, гальванотехники и метрологии. Неоднократно он встречался с Майклом Фарадеем, известными французскими и немецкими физиками того времени.

В середине 19-го века было разработано еще несколько разновидностей двигателей постоянного тока, но их практическому применению воспрепятствовали малая мощность и, как установил уже Якоби, недостаточная экономическая эффективность источников электропитания того времени - гальванических элементов и примитивных электромашинных генераторов. Более широко применение электродвигателей стало возможным только в 1866 году после появления генераторов постоянного тока с самовозбуждением.

После появления многофазной системы переменного тока немецкая фирма АЭГ стала исследовать возможности использования асинхронных двигателей, изобретенных ее главным инженером Михаилом Доливо-Добровольским (на немецкий лад Michael von Dolivo-Dobrowolsky) и представил 8 марта 1889 заявление на патентование короткозамкнутого асинхронного двигателя. После этого началось широкое применение надежных и высокоэффективных двигателей переменного тока. В настоящее время все вышеназванные электродвигатели достигли очень высокого технического уровня и находят широчайшее применение в стационарных установках, а в последнее время все чаще и в средствах передвижения.

В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливаются электромашины с механической коммутацией. Такой тип двигателей называют коллекторными (далее КД). Предлагаем рассмотреть различные виды таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Мы также расскажем о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.

Что такое коллекторный двигатель?

Под таким определением подразумевается электромашина, преобразовывающая электроэнергию в механическую, и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки подсоединенной к коллектору (см. рис. 1).

В КД данный элемент конструкции используется для переключения обмоток и в качестве датчика, позволяющего определить положение якоря (ротора).

Виды КД

Классифицировать данные устройства принято по типу питания, в зависимости от этого различают две группы КД:

1. Постоянного тока. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
2. Универсальные. Могут работать как от постоянного, так и переменного источника электроэнергии. Отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой управления.

Первые, делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для образования вращательного момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:

• независимыми;
• параллельными;
• последовательными;
• смешанными.

Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.

КД универсального типа

На рисунке ниже представлен внешний вид электромашины данного типа и ее основные элементы конструкции. Данное исполнение характерно практически для всех КД.

Обозначения:

• А – механический коммутатор, его также называют коллектором, его функции были описаны выше.
• В – щеткодержатели, служат для крепления щеток (как правило, из графита), через которые напряжение поступает на обмотки якоря.
• С – Сердечник статора (набирается из пластин, материалом для которых служит электротехническая сталь).
• D – Обмотки статора, данный узел относится к системе возбуждения (индуктору).
• Е – Вал якоря.

У устройств данного типа, возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант сейчас не производят, мы его не будем рассматривать. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электромашин представлена ниже.

Универсальный КД может работать от переменного напряжения благодаря тому, что когда происходит смена полярности, ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление. В результате этого вращательный момент не изменяет своего направления.

Особенности и область применения универсальных КД

Основные недостатки данного устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что отражается в следующем:

• снижение КПД;
• повышенное искрообразование в щеточно-коллекторном узле, и как следствие, его быстрый износ.

Ранее КД широко применялись, во многих бытовых электроприборах (инструмент, стиральные машины, пылесосы и т.д.). На текущий момент производители практически престали использовать данный тип двигателей отдав предпочтение безколлекторным электромашинам.

Теперь рассмотрим коллекторные электромашины, работающие от источников постоянного напряжения.

КД с индуктором на постоянных магнитах

Конструктивно такие электромашины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.

Этот вид КД получил наибольшее распространение по сравнению с другими электромашинами данного типа. Это объясняется невысокой стоимостью вследствие простоты конструкции, простым управлением скорости вращения (зависит от напряжения) и изменением его направления (достаточно изменить полярность). Мощность двигателя напрямую зависит от напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.

Основная сфера применения – маломощные приводы для различного оборудования, часто используется в детских игрушках.

К числу преимуществ можно отнести следующие качества:

• высокий момент силы даже на низкой частоте оборотов;
• динамичность управления;
• низкая стоимость.

Основные недостатки:

• малая мощность;
• потеря магнитами своих свойств от перегрева или с течением времени.

Для устранения одного из основных недостатков данных устройств (старения магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких КД.

Независимые и параллельные катушки возбуждения

Первые получили такое название вследствие того, что обмотки индуктора и якоря не подключаются друг к другу и запитываются отдельно (см. А на рис. 6).

Особенность такого подключения заключается в том, что питание U и U K должны отличаться, в противном случае н возникнет момент силы. Если невозможно организовать такие условия, то катушки якоря и индуктора подключается параллельно (см. В на рис. 6). Оба вида КД обладают одинаковыми характеристиками, мы сочли возможным объединить их в одном разделе.

Момент силы у таких электромашин высокий при низкой частоте вращения и уменьшается при ее увеличении. Характерно, что токи якоря и катушки независимы, а общий ток является суммой токов, проходящих через эти обмотки. В результат этого, при падении тока катушки возбуждения до 0, КД с большой вероятностью выйдет из строя.

Сфера применения таких устройств – силовые установки с мощностью от 3 кВт.

Положительные черты:

• отсутствие постоянных магнитов снимает проблему их выхода из строя с течением времени;

Минусы:

• стоимость выше, чем у устройств на постоянных магнитах;
• недопустимость падения тока ниже порогового значения на катушке возбуждения, поскольку это приведет к поломке.

Последовательная катушка возбуждения

Схема такого КД представлена на рисунке ниже.

Поскольку обмотки включены последовательно, то ток в них будет равным. В результате этого, когда ток в обмотке статора становится меньше, чем номинальный (это происходит при небольшой нагрузке), уменьшается мощность магнитного потока. Соответственно, когда нагрузка увеличивается, пропорционально увеличивается мощность потока, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть, в дальнейшем рост тока в обмотке катушки якоря не приводит к увеличению магнитного потока.

Указанная выше особенность проявляется в том, что КД данного типа непозволительно запускать при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электромашины резко увеличит частоту вращения, то есть, двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, такая особенность вносит ограничения на сферу применения, например, в механизмах с ременной передачей. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.

Указанная особенность не распространяется на устройства, чья мощность менее 200 Вт, для них допустимы падения нагрузки вплоть до холостого режима работы.

Преимущества КД с последовательной катушкой, такие же, как у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается минусов, то к ним следует отнести:

• высокую стоимость в сравнении с аналогами на постоянных магнитах;
• низкий уровень момента силы при высокой частоте оборотов;
• поскольку обмотки статора и возбуждения подключены последовательно, возникают проблемы с управлением скоростью вращения;
• работа без нагрузки приводит к поломке КД.

Смешанные катушки возбуждения

Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД данного типа обладает двумя катушками, подключенных последовательно и параллельно обмотке ротора.

Как правило, одна из катушек обладает большей намагничивающей силой, поэтому она считается, как основная, соответственно, вторая – дополнительная (вспомогательная). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При встречном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электромашин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек является основной). То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки.

Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателями электромашин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.

Единственный недостаток такой конструкции – самая высокая стоимость в сравнении с другими типами КД. Цена оправдывается благодаря следующими положительными качествами:

• не устаревают магниты, за отсутствием таковых;
• малая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
• высокий момент силы на низкой частоте вращения;
• простое и динамичное управление.