Практически ни одна задача в любой области промышленности, а также в быту не обходится сегодня без применения электрического двигателя. По определению электродвигатель – это устройство, которое предназначено для преобразования энергии электрического тока во вращательное движение вала электромотора с заданными параметрами частоты, крутящего момента, допустимой нагрузки. Такое вращательное движение может использоваться как непосредственно для передачи вращения нагрузки, то есть используется прямой привод, так и подключением через редуктор, ременную передачи или другие технические решения.
В любом случае электродвигатели сегодня являются одним из самых эффективных решений в части управляемости, уровня КПД, надежности и долговечности использования. Также эл. двигатели выгодно отличает:
- точная управляемость режимом работы;
- относительная простота изготовления;
- невысокая стоимость;
- низкая периодичность обслуживания;
- возможность относительно недорогого ремонта, если сравнивать такие системы привода с двигателями внутреннего сгорания.
Именно эти особенности определяют популярность использования электромоторов разного типа и назначения:
- для решения промышленных задач;
- на электротранспорте;
- в бытовых приборах;
- в электроинструментах разного типа и назначения;
- в системах автоматики.
Конструкция и принцип работы электродвигателя любого типа
Устройство и принцип действия любого электродвигателя достаточно просты и основаны на взаимодействии магнитных полей, которые создаются в неподвижной части электромотора или статора и в его подвижной части, размещенной на валу или ротора. Как правило, это классическая схема построения любого электромотора, хотя в технике встречаются и решения с вращающимся статором, однако сам принцип работы двигателя это не меняет.
Для создания магнитных полей, которые отталкиваются друг от другом, в результате чего приводится во вращение вал электромотора, могут использоваться:
- постоянные магниты;
- электромагниты постоянного тока;
- электромагниты переменного тока;
- электромагниты, магнитные поля в которых возникают за счет наведенных вихревых токов.
В любом случае каким бы ни был тип электродвигателя, одна система магнитных полей создается обязательно с помощью электромагнита либо обе системы полей ротора и статора создаются прохождением через их обмотки электрического тока.
В общем случае конструкция любого электромотора состоит из таких элементов:
- корпуса, который служит основой для установки статора и ротора, а также имеет элементы для крепления моторов в устройстве, элементы коммутации для подключения электропитания, ребра охлаждения и другие элементы, решающие определенное конструктивные задачи;
- магнитный или электромагнитный статор, который в большинстве промышленных решений представляет собой несколько катушек индуктивности соединенных по определенной схеме;
- вала электродвигателя, размещенного в корпусе на подшипниках разного типа;
- размещенный на валу ротора, который представляет собой систему электромагнитных катушек. В зависимости от типа электромотора она может иметь собственное электропитание, а может создавать электромагнитное поле за счет наведенных вихревых токов;
- системы подключения электропитания к ротору. При наличии такой системы питания узел подключения катушек ротора к ней, как правило представляет собой главный элемент ненадежности, требующий периодическое обслуживания. Может представлять собой систему щеточного или кольцевого типа в зависимости от типа и назначения электромотора.
Именно конструктивные особенности, а также тип питания электродвигателя определяют его основные характеристики, особенности, преимущества и недостатки и основную область применением электромотора.
Классификация электродвигателей
Сегодня в промышленной и бытовой технике используется несколько типов электромоторов, которые относятся к нескольким классам оборудования. В свою очередь двигатели классифицируют по нескольким критериям, основным из которых является тип питающего напряжения. В зависимости от питающего напряжения электродвигатели разделяют на три типа:
- постоянного тока;
- переменного тока;
- универсальные электромоторы, работающие и от постоянного, и от переменного тока.
Каждый из этих типов имеет несколько конструктивных реализаций, разделяющих большую группу электромоторов на несколько подгрупп по особенностям конструкции системы возбуждения электромагнитных полей и управления работой мотора.
Двигатели постоянного тока в свою очередь разделяются на две подгруппы:
- щеточные двигатели с разными вариантами подключения обмоток возбуждения электромагнитных полей в роторе и статоре, а также с постоянными магнитами;
- бесщеточные электромоторы постоянного тока с электронной системой управления, которая генерирует вращающееся электрическое поле заданной частоты.
Область применения двигателей постоянного тока определяется их особенностями и такими преимуществами:
- высокий коэффициент полезного действия;
- высокий крутящий момент вне зависимости от частоты вращения;
- компактные размеры по сравнению с электромоторами переменного тока равной мощности;
- простая система управления частотой и направлением вращения вала;
- возможность работы в режиме генератора в системах рекуперативного возврата электроэнергии в питающую сеть в режиме торможения.
Благодаря этим преимуществам и особенностям двигатель постоянного тока получил широкое применение для решения различных задач, связанных с:
- приводом электротранспорта разного типа;
- использованием в крановых системах;
- применением в качестве сервоприводов разного назначения;
- использованием в миниатюрных устройствах бытового и специального назначения. Как правило для этих целей используют электродвигатели с постоянными магнитами.
Наибольшее распространение в технике получили двигатели с коллектором и щетками, расположенными на роторе, которые определяют несколько основных недостатков двигателя этого типа:
- необходимость периодического обслуживания;
- значительный создаваемый шум при работе;
- возможность возникновения искр и неприятного запаха.
В зависимости от способа соединения обмоток ротора и статора в щеточных электродвигателях постоянного тока различают четыре вида коммутации обмоток, каждый из которых имеет свои преимущества, недостатки и область оптимального использования. К ним относятся:
- соединение с последовательным возбуждением электромагнитного поля;
- подключение с параллельным возбуждением;
- коммутация со смещенным возбуждением;
- использование электромотора с постоянными магнитами, как правило на статоре мотора.
Типы двигателей переменного тока
Поскольку для электроснабжения объектов используется переменное напряжения одно и трехфазного тока, наибольшее распространение получили именно двигатели переменного тока. Они широко используются как в быту, так и для решения самых разнообразных промышленных задач. По типам конструкции и принципу действия выделяют такие типы электромоторов для работы с переменным током:
- синхронные электромоторы;
- индукционные или асинхронные электродвигатели, предназначенные для работы с одно и трехфазным током;
- универсальные решения, работающие как на переменном, так и на постоянном токе.
Наибольшее распространение в промышленности получили именно индукционные асинхронные двигатели, благодаря простоте конструкции, минимальным требованиям к обслуживанию и широкому диапазону технических характеристик электродвигателей, которые позволяют решать самые разные задачи.
Главное отличие таких электромоторов от синхронных двигателей – это отсутствие необходимости подачи питания на ротор, электромагнитное поле в котором возбуждается вихревыми токами в короткозамкнутой конструкции.
До недавнего времени у таких электромоторов был один существенный недостаток – ограничение на частоту вращения ротора, связанное со стандартной частотой электропитающей сети. Также такие электромоторы без применения специальных электронных схем управления имеют такие недостатки, как:
- значительный пусковой ток;
- низкий крутящий момент на малых оборотах;
- невозможность эффективно управлять частотой вращения;
- необходимость перекоммутации обмоток для реверсивного запуска;
- сложности с запуском в цепях однофазного тока, которые решаются использованием дополнительного пускового конденсатора или использованием дополнительной пусковой обмотки.
Таких недостатков лишен электродвигатель с фазным ротором, на котором размещаются обмотки с отдельным электропитанием, подводимом через токосъемные кольца. В свою очередь это приводит к повышению сложности изготовления таких моторов, увеличению их стоимости, а также наличию элементов токосъемника, которые требуют обслуживания.
Синхронные электромоторы переменного тока также лишены перечисленных недостатков асинхронных моторов, обладают высоким крутящим моментом и постоянной скоростью вращения при изменяемым характере нагрузки, отличаются высоким КПД и небольшим реактивным сопротивлением. Однако такие электромоторы имеют и ряд существенных недостатков:
- относительная дороговизна конструкции;
- сложная схема запуска;
- наличие источника постоянного тока или выпрямителя для возбуждения электромагнитного поля;
- ряд сложностей, связанных с регулировкой частоты вращения и крутящего момента.
Поэтому в последнее время все чаще можно встретить комбинацию использования асинхронных двигателей в связке с частотными преобразователями.
Применение преобразователя частоты, позволяющего управлять частотой и амплитудой питающего напряжения значительно расширяет область применения таких моторов, повышает их экономичность и точность управления. В таких системах появляется возможность:
- запитать трехфазный двигатель даже от сети однофазного тока;
- обеспечить оптимальный режим пуска, остановки;
- управлять направлением вращения вала мотора;
- обеспечить защиту электромотора от нестабильности напряжения, пропадания напряжения на фазе, короткого замыкания, аварийного превышения нагрузки;
- значительно увеличить максимальную скорость вращения ротора по сравнению с работой при непосредственном подключении к сети переменного тока;
- обеспечить автоматизацию поддержания заданного режима работы с высокой точностью.
В любом случае, чтобы обеспечить максимальную эффективность работы электромоторов для решения определенной задачи, необходимо учесть:
- назначение электродвигателя и системы, в которой он используется;
- особенности режима эксплуатации;
- требования управляемости и автоматизации процесса;
- стоимость реализации такого решения;
- расходы на обслуживание.
Поэтому при разработке любой системы, как правило, сначала определяют технические требования к режимам работы электропривода, а затем на их основе выбирают оптимальный тип электромотора, использование которого будет рационально с точки зрения стоимости внедрения и затрат на эксплуатацию.
Учитывая многообразие решений как в области различных систем электропривода, так и в области управления работой двигателями, сделать оптимальный выбор могут только специалисты с опытом разработки и внедрения таких решений.
Поэтому, когда вам требуется спроектировать решение на основе электромотора, необходимо подобрать оптимальный тип электродвигателя и его системы управления. Наша компания занимается поставкой и внедрением систем управления работой электромоторов разного типа, назначения и мощности, поэтому вы всегда можете обратиться к нашим специалистам за помощью и консультацией в подборе решения, которое будет оптимально для вашей области применения.