Классификация электрических двигателей
Классифицировать электродвигатели принято по ряду технических параметров, основные характеристики: вид питания и комплектация скользящим контактом. Именно их используют для выделения видов, которых немного: постоянного или переменного тока, асинхронные или синхронные, и вентильные. Но в категориях существуют подвиды, которые критично меняют параметры и свойства. Рассмотрим все конструкции по отдельности. Начнем с питающего напряжения. Это однофазные, трехфазные, постоянного или переменного тока, универсальные.
Последний вид требует комментариев. Универсальный агрегат способен функционировать от обоих напряжений: постоянного и переменного. Он представляет собой коллекторный электродвигатель с обмотками. Коллекторные и вентильные устройства способны работать на постоянном токе, синхронные и асинхронные – на переменном.
Другой показатель классификации – способ передачи питания. Этот показатель разделяет агрегаты на два вида по наличию коллектора:
- щеточные – с устройством;
- бесщеточные – без.
Вторые – надежны, работают тихо, не требуют частого обслуживания. К бесщеточным модификациям относят асинхронные электродвигатели с питанием от переменного тока с ротором короткозамкнутого типа и вентильные, функционирующие от постоянного. Другие подвиды электроагрегатов комплектуются передающими напряжение щетками и коллектором.
Электродвигатели постоянного тока
Агрегаты этого типа были разработаны полтора века назад. Несмотря на солидный возраст их до сих пор используют, причем они популярны. Даже в смартфонах, в них устройство, мощностью в несколько милливатт, обеспечивает вибрацию. Но ими комплектуют не только в гаджеты или детские игрушки, эти электродвигатели устанавливают в производственное оборудование и тяжелый транспорт, например, на электровозы функционируют на агрегатах с мощностью от 800 и более кВт. Классификация данного вида:
- Коллекторные. Агрегат сформирован из 2-х частей: неподвижного статора с полюсами и подвижного якоря. Модификации малой мощности комплектуют постоянными магнитами, большой – дополнительно обустраивают обмотками, усиливающими поле. Ротор состоящий из пластин, в пазы которых уложен медный провод – в качестве обмоток играет роль магнитопровода.
- Универсальный. Таким двигателем комплектуется большинство видов бытовой техники. От описанных выше моделей он отличается незначительно, но работает напряжений обоего типа. Такой эффект обеспечивает взаимодействие обмоток ротора и поля.
Преимущества, недостатки, сфера применения
Основания причина комплектации бытовой и специальной техники коллекторными электродвигателями – возможность достигать скорости в 10000 об/мин. Например, для асинхронных агрегатов доступны лишь 3000 об/мин. Второй фактор, влияющий на популярность – простота управления. Крутящий момент зависит от тока якоря, а частота вращения – от приложенного напряжения. До появления полупроводниковых частотных преобразователей коллекторные двигатели были самыми управляемыми по скорости. Есть и другие причины популярности: лаконичная конструкция, приличный крутящий момент на небольших оборотах и доступность.
Именно эти свойства необходимы в различном оборудовании, например, строительных миксерах или стиральных машинах: высокие скорости, стабильный крутящий момент, плавная регулировка.
Но поскольку коллекторные электродвигатели имеют щетки, которые в работе истираются и искрят, агрегаты требуют постоянного обслуживания, которое состоит из прочистки коллектора и периодической замены изношенных деталей. Эти компоненты создают еще два негативных аспекта эксплуатации: шумная работа, которая приемлема для спецтехники, но недопустима для приборов, используемых в быту, и импульсное использование тока, что создает помехи для радиотехники и оказывает негативное влияние на показатели питания. Второй недостаток нейтрализуют посредством установки конденсаторов.
Вентильные электрические двигатели
Это агрегаты без щеток и коллекторов. Производители выпускают устройства двух типов, отличных по конструкции и функционалу:
- Вентильно-индукторный электродвигатель. Это самые компактные агрегаты постоянного тока со статорными обмотками, у ротора, который сформирован постоянными магнитами, их нет. Устройства управляются датчиками Холла, который по положению роторного модуля определяет на какую обмотку подавать питание. Обе электрические части характеризует зубчатая структура.
- С самовозбуждением. Такие электродвигатели критично отличаются от обычных вентильных агрегатов по конструкции, техническим параметрам, применению. Его ротор сформирован из двух, установленных на расстоянии согласованного положения, магнитных пакетов. Обмотка возбуждения обматывает ротор, но фиксируется на статоре, состоящего из пластин. Статорная магнитная система – распределенная, трехфазная, ее обмотки смещены.
У вентильных электродвигателей масса эксплуатационных преимуществ. У них легко регулировать скорость вращения – снижать или повышать, можно управлять векторно и настраивать крутящий момент. Эти модификации не комплектуются магнитами, которые дороги и способны размагничиваться. Также в их конструкции отсутствуют щетки и коллектор. Но есть и недостатки: сложность конструкции и невозможность подключения напрямую к сети.
Двигатели переменного тока
Агрегаты этой категории классифицируют по двум группам: синхронные или асинхронные. Они отличаются тем, что у первых ротор вращается со скоростью, аналогичной изменения поля статора, у вторых – они отличаются.
Асинхронный электродвигатель переменного тока
Этими моторами комплектуется оборудование, работающее от 3-фазной сети. Статор устройства представляет собой выделенную электромагнитную схему. Она сформирована из пластин с обмоткой в пазах. Фаз может быть от двух и более. Двигатели комплектуются либо фазными, либо короткозамкнутыми роторами. Вторые могут быть полностью выполнены из одного металла или иметь комбинированную конструкцию. Ротор находится внутри статора, дистанция между ними составляет не больше 2 мм, не исключение мощные электроагрегаты. Функционал асинхронных устройств лаконичен: напряжение поступает на статор, создается вращающее поле, оно воздействует на ротор, наводятся токи, ротору передается вращение. Поскольку поле образуется посредством индукции, прямая передача – через щетки и коллектор – между модулями не нужен.
Если электроагрегат комплектуется фазным ротором, возникает необходимость коллекторного узла, а на вал под обмотки устанавливают магнитопровод. В обмотках по очереди создается роторное магнитное поле, которое вкладывается в статорное, начинается вращение.
Особенности однофазных асинхронных модификаций
У этих агрегатов статор имеет 2 обмотки: фазную и вспомогательную – для разгона и начала вращения. Стартовая включается через конденсатор, чтобы обеспечить отставание. Такие двигатели часто называют конденсаторами, но, по сути, они асинхронные, просто 2-фазные. Эти устройства не способны достигать достаточного крутящего момента, используются там, где он не нужен, например, в принудительной вентиляции.
Преимущества, минусы, сферы применения
Из асинхронных электродвигателей популярны устройства с короткозамкнутым ротором, благодаря преимуществам: лаконичная, надежная конструкция, отсутствие требований в постоянном техобслуживании, возможность напрямую питаться от централизованной сети, доступность.
Эти качества обуславливает применимость асинхронных агрегатов, ими обеспечиваются производственные технологические процессы, комплектуется сложное оборудование. Особенно востребованы устройства на этапах, где отсутствуют потребности в больших скоростях или изменениях скоростных параметров. Максимальная мощность асинхронных двигателей – до 3000 об/мин. Для большинства техники этих показателей достаточно, но следует учитывать такой аспект – если напряжение становится чересчур низким, ротор начинает двигаться медленней магнитного поля, что является причиной перегрева и выхода электромотора из строя.
У современных асинхронных моделей можно регулировать скорость посредством их комплектации встроенными или внешними частотными преобразователями. Такую конструкцию можно назвать инверторным двигателем. У комплектов со встроенным преобразователем можно менять скорость в более широких диапазонах, регулировать крутящий момент, нейтрализована проблема пусковых токов, мягкое выключение.
Синхронные электрические двигатели
Конструкция статора агрегата аналогична асинхронному мотору. Они отличаются только конструкцией ротора, состоящего из расположенных на поверхности или встроенных постоянных магнитов. Когда на статорные обмотки подается ток, образуется магнитное постоянное вращающееся поле, создается крутящий момент, он подхватывает ротор. Поскольку поля накладываются, и их движение производится с одинаковой скоростью, ее можно легко регулировать.
Но у синхронных модификаций есть серьезный недостаток – они сложно входят в режим работы, только при условии равнозначных скоростей статорного поля и движения ротора. Но моторы не способны выдать этот результат при запуске. Проблема преимущественно решается комплектацией ротора дополнительной обмоткой – стартовой. Она разгоняет вал, отключается, а движение синхронизирует поле.
Преимущества, недостатки, сферы применения
До того, как были изобретены полупроводниковые устройства, с помощью которых можно достаточно легко менять скорость, синхронные двигатели использовались мало, поскольку проблематичны в эксплуатации: трудно запустить, сложно регулировать вращение. Они критично уступали агрегатам других видов. Но когда был разработан частотный преобразователь, и проблема была нейтрализована, их стали использовать чаще, поскольку устройство разрешает изменять частоту 1 до 500 Гц – в это серьезные и в большинстве случае достаточные показатели. Они соизмеримы с техническими параметрами агрегатов постоянного тока. Сегодня синхронные электродвигатели с преобразователями частоты успешно замещают другие виды. Например, в стиральных машинах или в кулерах, и даже в электропоездах.
Какой вид электродвигателей лучше?
Несмотря на то, что описаны только конструкции, принцип работы и технические характеристики только базовых видов электрических двигателей, сделать некоторые выводы все же возможно. А именно, идеального универсального решения для всех ситуаций – нет. Для каждого конкретного случая нужно искать оптимального решения. Например, асинхронный агрегат – оптимален для насосного оборудования, а коллекторный с регулировкой скоростей – идеален для пылесосов и дрелей. Но, и их начинают комплектовать вентильными малошумными и более долговечными устройствами. В зависимости от решаемых конструкторами задач. Для вентиляторов малой и средней мощности, которые должны работать долго, специалисты выбирают между вентильными и асинхронными, для мощной техники – только первые. Ими, но только модификациями с магнитным ротором, в последнее время начали комплектовать охлаждающие кулеры. Конструкторы рассматривают вопрос, какой вид электродвигателя использовать, в конкретном случае, с учетом необходимых технических параметров и условий эксплуатации. Рассматриваются особенности, достоинства и недостатки.