Электродвигатель — это машина, преобразующая электрическую энергию в механическую . Большинство электродвигателей работают за счет взаимодействия магнитного поля двигателя и электрического тока в обмотке провода для создания силы в форме крутящего момента , приложенного к валу двигателя. Электрогенератор механически идентичен электродвигателю, но работает наоборот, преобразуя механическую энергию в электрическую.
Электродвигатели могут питаться от источников постоянного тока (DC), таких как батареи или выпрямители , или от источников переменного тока (AC), таких как электросеть, инверторы или электрогенераторы.
Электродвигатели можно классифицировать по таким признакам, как тип источника питания, конструкция, применение и тип выходного движения. Они могут быть щеточными или бесщеточными , однофазными , двухфазными или трехфазными , с осевым или радиальным потоком , а также с воздушным или жидкостным охлаждением.
Стандартизированные двигатели обеспечивают питание для промышленного использования. Самые большие используются для судовых двигателей, сжатия трубопроводов и гидроаккумулирующих установок, с выходной мощностью более 100 мегаватт .
Области применения включают промышленные вентиляторы, воздуходувки и насосы, станки, бытовую технику, электроинструменты, транспортные средства и дисководы. Небольшие двигатели можно найти в электрических часах. В некоторых приложениях, например, в рекуперативном торможении с тяговыми двигателями , электродвигатели могут использоваться в обратном направлении в качестве генераторов для рекуперации энергии, которая в противном случае могла бы быть потеряна в виде тепла и трения.
Электродвигатели производят линейную или вращательную силу ( крутящий момент ), предназначенную для приведения в движение некоторого внешнего механизма. Это делает их типом привода . Они, как правило, предназначены для непрерывного вращения или для линейного движения на значительном расстоянии по сравнению с его размером. Соленоиды также преобразуют электрическую энергию в механическое движение, но только на ограниченном расстоянии.
До появления современных электромагнитных двигателей были исследованы экспериментальные двигатели, работавшие за счет электростатической силы. Первые электродвигатели были простыми электростатическими устройствами, описанными в экспериментах шотландского монаха Эндрю Гордона и американского экспериментатора Бенджамина Франклина в 1740-х годах. [2] [3] Теоретический принцип, лежащий в их основе, закон Кулона , был открыт, но не опубликован, Генри Кавендишем в 1771 году. Этот закон был открыт независимо Шарлем-Огюстеном де Кулоном в 1785 году, который опубликовал его, так что теперь он известен под его именем. [4] Из-за сложности генерации требуемых им высоких напряжений электростатические двигатели никогда не использовались в практических целях.
Изобретение электрохимической батареи Алессандро Вольта в 1799 году [5] сделало возможным производство постоянных электрических токов. Ганс Христиан Эрстед в 1820 году обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле, которое может оказывать силу на магнит. Андре-Мари Амперу потребовалось всего несколько недель , чтобы разработать первую формулировку электромагнитного взаимодействия и представить закон силы Ампера , который описывал производство механической силы путем взаимодействия электрического тока и магнитного поля. [6]
Майкл Фарадей продемонстрировал первый эффект с вращательным движением 3 сентября 1821 года в подвале Королевского института . [7] Свободно висящий провод был погружен в бассейн с ртутью, на котором был помещен постоянный магнит (ПМ) . Когда ток пропускался через провод, провод вращался вокруг магнита, показывая, что ток создавал замкнутое круговое магнитное поле вокруг провода. [8] Фарадей опубликовал результаты своего открытия в Quarterly Journal of Science и разослал копии своей статьи вместе с карманными моделями своего устройства коллегам по всему миру, чтобы они также могли стать свидетелями явления электромагнитного вращения. [7] Этот двигатель часто демонстрируют в физических экспериментах, заменяя (токсичную) ртуть рассолом. Колесо Барлоу было ранним усовершенствованием этой демонстрации Фарадея, хотя эти и подобные униполярные двигатели оставались непригодными для практического применения до конца века.
В 1827 году венгерский физик Аньош Едлик начал экспериментировать с электромагнитными катушками . После того, как Едлик решил технические проблемы непрерывного вращения с помощью изобретения коммутатора , он назвал свои ранние устройства «электромагнитными самороторами». Хотя они использовались только для обучения, в 1828 году Едлик продемонстрировал первое устройство, содержащее три основных компонента практических двигателей постоянного тока : статор , ротор и коммутатор. Устройство не использовало постоянных магнитов, поскольку магнитные поля как неподвижных, так и вращающихся компонентов создавались исключительно токами, протекающими через их обмотки. [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16]
Первый коммутатор Электродвигатель постоянного тока, способный вращать механизмы, был изобретен английским ученым Уильямом Стердженом в 1832 году. [17] После работы Стерджена американские изобретатели Томас Дэвенпорт и Эмили Дэвенпорт построили коллекторный электродвигатель постоянного тока , [18] который он запатентовал в 1837 году. Двигатели работали со скоростью до 600 оборотов в минуту и приводили в действие станки и печатный станок. [19] Из-за высокой стоимости первичной энергии батареи двигатели были коммерчески неудачными и обанкротили Дэвенпортов. Несколько изобретателей последовали за Стердженом в разработке двигателей постоянного тока, но все они столкнулись с теми же проблемами стоимости батарей. Посколькув то время не было системы распределения электроэнергии , для этих двигателей не появилось практического коммерческого рынка. [20]
После многих других более или менее успешных попыток с относительно слабым вращающимся и возвратно-поступательным аппаратом прусский/русский Мориц фон Якоби создал первый настоящий вращающийся электродвигатель в мае 1834 года. Он развивал замечательную механическую выходную мощность. Его двигатель установил мировой рекорд, который Якоби улучшил четыре года спустя, в сентябре 1838 года. [21] Его второй двигатель был достаточно мощным, чтобы переправить лодку с 14 людьми через широкую реку. Также в 1839/40 году другим разработчикам удалось построить двигатели с похожей, а затем и более высокой производительностью.
В 1827–1828 годах Джедлик построил устройство, использующее принципы, аналогичные тем, которые использовались в его электромагнитных самороторах, которое было способно совершать полезную работу. [22] [23] [24] [25] [26] [27] [10] [16] В том же году он построил модель электромобиля . [28]
Главный поворотный момент наступил в 1864 году, когда Антонио Пачинотти впервые описал кольцевой якорь (хотя изначально он был задуман как генератор постоянного тока, т. е. динамо-машина). [6] Он представлял собой симметрично сгруппированные катушки, замкнутые на себя и соединенные со стержнями коммутатора, щетки которого выдавали практически неколеблющийся ток. [29] [30] Первые коммерчески успешные двигатели постоянного тока появились после разработок Зеноба Грамма , который в 1871 году заново изобрел конструкцию Пачинотти и перенял некоторые решения Вернера Сименса .
Преимущество машин постоянного тока возникло благодаря открытию обратимости электрической машины, о которой Сименс объявил в 1867 году и которую Пачинотти наблюдал в 1869 году. [6] Грамм случайно продемонстрировал это на Всемирной выставке в Вене 1873 года, когда он соединил два таких устройства постоянного тока на расстоянии до 2 км друг от друга, используя одно из них как генератор, а другое как двигатель. [31]
Барабанный ротор был представлен Фридрихом фон Хефнером-Альтенеком из Siemens & Halske в 1872 году для замены кольцевого якоря Пачинотти, что повысило эффективность машины. [6] Пластинчатый ротор был представлен Siemens & Halske в следующем году, что позволило снизить потери в железе и увеличить индуцированные напряжения. В 1880 году Йонас Венстрём снабдил ротор пазами для размещения обмотки, что еще больше увеличило эффективность.
В 1886 году Фрэнк Джулиан Спраг изобрел первый практически применимый двигатель постоянного тока, неискрящее устройство, которое поддерживало относительно постоянную скорость при переменных нагрузках. Другие электрические изобретения Спрага примерно в это же время значительно улучшили распределение электроэнергии в сети (предыдущая работа, выполненная во время работы Томасом Эдисоном ), позволили возвращать энергию от электродвигателей в электрическую сеть, обеспечили распределение электроэнергии на троллейбусы через воздушные провода и троллейбусный столб и предоставили системы управления для электрических операций. Это позволило Спрагу использовать электродвигатели для изобретения первой системы электрических троллейбусов в 1887–88 годах в Ричмонде, штат Вирджиния , электрического лифта и системы управления в 1892 году и электрического метро с независимо питаемыми централизованно управляемыми вагонами. Последние были впервые установлены в 1892 году в Чикаго на South Side Elevated Railroad , где они стали широко известны как « L ». Двигатель Спрага и связанные с ним изобретения привели к взрыву интереса и использования электродвигателей в промышленности. Разработка электродвигателей приемлемой эффективности была отложена на несколько десятилетий из-за неспособности осознать чрезвычайную важность воздушного зазора между ротором и статором. Эффективные конструкции имеют сравнительно небольшой воздушный зазор. [32] [a] Двигатель Сент-Луиса, долгое время используемый в классах для иллюстрации принципов работы двигателя, неэффективен по той же причине, а также не выглядит как современный двигатель. [34]
Электродвигатели произвели революцию в промышленности. Промышленные процессы больше не ограничивались передачей мощности с использованием линейных валов, ремней, сжатого воздуха или гидравлического давления. Вместо этого каждая машина могла быть оснащена собственным источником питания, что обеспечивало простоту управления в точке использования и повышало эффективность передачи мощности. Электродвигатели, применяемые в сельском хозяйстве, исключили мышечную силу человека и животных из таких задач, как обработка зерна или перекачка воды. Бытовое использование (например, в стиральных машинах, посудомоечных машинах, вентиляторах, кондиционерах и холодильниках (заменяющих ледники )) электродвигателей сократило тяжелый труд в доме и сделало возможными более высокие стандарты удобства, комфорта и безопасности. Сегодня электродвигатели потребляют более половины электроэнергии, производимой в США. [35]
В 1824 году французский физик Франсуа Араго сформулировал существование вращающихся магнитных полей , названных вращениями Араго , которые Уолтер Бейли продемонстрировал в 1879 году, вручную включая и выключая переключатели, фактически как первый примитивный асинхронный двигатель . [36] [37] [38] [39] В 1880-х годах многие изобретатели пытались разработать работоспособные двигатели переменного тока [40], поскольку преимущества переменного тока в передаче высокого напряжения на большие расстояния были сведены на нет невозможностью работы двигателей на переменном токе.
Первый бесколлекторный асинхронный двигатель переменного тока был изобретен Галилео Феррарисом в 1885 году. Феррарис смог улучшить свою первую конструкцию, создав более совершенные установки в 1886 году. [41] В 1888 году Королевская академия наук Турина опубликовала исследование Феррариса, в котором подробно излагались основы работы двигателя, и в то же время пришла к выводу, что «аппарат, основанный на этом принципе, не может иметь никакого коммерческого значения в качестве двигателя». [39] [42] [43]
Возможное промышленное развитие было предусмотрено Николой Теслой , который изобрел свой асинхронный двигатель в 1887 году и получил патент в мае 1888 года. В том же году Тесла представил свою статью « Новая система двигателей и трансформаторов переменного тока» в AIEE , в которой описал три запатентованных типа двухфазных четырехстаторных полюсных двигателей: один с четырехполюсным ротором, образующий несамозапускающийся реактивный двигатель , другой с фазным ротором, образующий самозапускающийся асинхронный двигатель , и третий — настоящий синхронный двигатель с отдельно возбуждаемым источником постоянного тока для обмотки ротора. Однако один из патентов, поданных Теслой в 1887 году, также описывал асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Джордж Вестингауз , который уже приобрел права у Феррари (1000 долларов США), быстро выкупил патенты Теслы (60 000 долларов США плюс 2,50 доллара США за проданную л. с., выплачивались до 1897 года), [41] нанял Теслу для разработки своих двигателей и назначил К. Ф. Скотта помогать Тесле; однако в 1889 году Тесла ушел ради других занятий. [44] [45] [46] [47] Было обнаружено, что асинхронный двигатель переменного тока с постоянной скоростью не подходит для трамваев, [40] но инженеры Вестингауза успешно адаптировали его для питания горнодобывающей операции в Теллуриде, штат Колорадо, в 1891 году. [48] [49] [50] Вестингауз добился своего первого практического асинхронного двигателя в 1892 году и разработал линейку многофазных асинхронных двигателей на 60 Гц в 1893 году, но эти ранние двигатели Вестингауза были двухфазными двигателями с обмотками роторов. Позже Б. Г. Ламме разработал ротор с вращающейся стержневой обмоткой. [44]
Непреклонный в своем продвижении трехфазного развития, Михаил Доливо-Добровольский изобрел трехфазный асинхронный двигатель в 1889 году, как с короткозамкнутым ротором, так и с фазным ротором с пусковым реостатом, а также трехстержневой трансформатор в 1890 году. После соглашения между AEG и Maschinenfabrik Oerlikon , Доливо-Добровольский и Чарльз Эжен Ланселот Браун разработали более крупные модели, а именно 20-сильный короткозамкнутый и 100-сильный короткозамкнутый с пусковым реостатом. Это были первые трехфазные асинхронные двигатели, пригодные для практической эксплуатации. [41] С 1889 года аналогичные разработки трехфазных машин были начаты Венстрёмом. На Франкфуртской международной электротехнической выставке 1891 года была успешно представлена первая трехфазная система дальнего действия. Он был рассчитан на 15 кВ и простирался на 175 км от водопада Лауффен на реке Неккар. Электростанция Лауффен включала генератор переменного тока мощностью 240 кВт, 86 В, 40 Гц, и повышающий трансформатор, в то время как на выставке понижающий трансформатор питал трехфазный индукционный двигатель мощностью 100 л. с., который приводил в действие искусственный водопад, представляя собой передачу первоначального источника энергии. [41] Трехфазная индукция в настоящее время используется для подавляющего большинства коммерческих приложений. [51] [52] Михаил Доливо-Добровольский утверждал, что двигатель Теслы был непрактичным из-за двухфазных пульсаций, что побудило его продолжать свою трехфазную работу. [53]
Компания General Electric начала разрабатывать трехфазные асинхронные двигатели в 1891 году. [44] К 1896 году компании General Electric и Westinghouse подписали соглашение о перекрестном лицензировании для конструкции ротора со стержневой обмоткой, позже названной ротором с короткозамкнутым ротором . [44] Усовершенствования асинхронных двигателей, вытекающие из этих изобретений и инноваций, были таковы, что асинхронный двигатель мощностью 100 лошадиных сил в настоящее время имеет те же монтажные размеры, что и двигатель мощностью 7,5 лошадиных сил в 1897 году. [44]
В 2022 году продажи электродвигателей оцениваются в 800 миллионов единиц, увеличиваясь на 10% в год. Электродвигатели потребляют ≈50% электроэнергии в мире. [54] С 1980-х годов доля рынка двигателей постоянного тока снизилась в пользу двигателей переменного тока. [55] : 89 [ необходимо разъяснение ]
Электродвигатель состоит из двух механических частей: ротора, который движется, и статора, который не движется. С точки зрения электричества двигатель состоит из двух частей: полевых магнитов и якоря, одна из которых прикреплена к ротору, а другая к статору. Вместе они образуют магнитную цепь . [56] Магниты создают магнитное поле, которое проходит через якорь. Это могут быть электромагниты или постоянные магниты . Полевой магнит обычно находится на статоре, а якорь на роторе, но они могут быть и обратными.
Ротор — это движущаяся часть, которая обеспечивает механическую мощность. Ротор обычно содержит проводники, несущие токи, на которые магнитное поле статора оказывает силу, вращающую вал. [57]
Статор окружает ротор и обычно удерживает полевые магниты, которые являются либо электромагнитами (проволочные обмотки вокруг ферромагнитного железного сердечника), либо постоянными магнитами . Они создают магнитное поле , которое проходит через якорь ротора, оказывая силу на обмотки ротора. Сердечник статора состоит из множества тонких металлических листов, которые изолированы друг от друга, называемых пластинами. Эти пластины сделаны из электротехнической стали , которая имеет определенную магнитную проницаемость, гистерезис и насыщение. Пластины уменьшают потери, которые возникли бы из-за индуцированных циркулирующих вихревых токов, которые протекали бы, если бы использовался сплошной сердечник. Электродвигатели переменного тока с питанием от сети обычно обездвиживают провода внутри обмоток, пропитывая их лаком в вакууме. Это предотвращает вибрацию проводов в обмотке друг относительно друга, что может привести к истиранию изоляции провода и вызвать преждевременные отказы. Двигатели с резиновым покрытием, используемые в погружных насосах для глубоких скважин, стиральных машинах и кондиционерах, заключают статор в пластиковую смолу для предотвращения коррозии и/или снижения кондуктивного шума. [58]
Воздушный зазор между статором и ротором позволяет ему вращаться. Ширина зазора оказывает существенное влияние на электрические характеристики двигателя. Обычно его делают как можно меньше, так как большой зазор снижает производительность. И наоборот, слишком маленькие зазоры могут создавать трение в дополнение к шуму.
Якорь состоит из проволочных обмоток на ферромагнитном сердечнике. Электрический ток, проходящий по проводу, заставляет магнитное поле оказывать на него силу ( силу Лоренца ), вращая ротор. Обмотки представляют собой спиральные провода, обернутые вокруг слоистого, мягкого, железного, ферромагнитного сердечника , чтобы при подаче тока образовывать магнитные полюса.
Электрические машины бывают явнополюсными и неявнополюсными. В явнополюсном двигателе ферромагнитные сердечники ротора и статора имеют выступы, называемые полюсами, которые обращены друг к другу. Провод намотан вокруг каждого полюса под полюсной поверхностью, которые становятся северным или южным полюсами, когда ток протекает по проводу. В неявнополюсном двигателе (распределенное поле или круглый ротор) ферромагнитный сердечник представляет собой гладкий цилиндр с обмотками, равномерно распределенными в пазах по окружности. Подача переменного тока в обмотки создает полюса в сердечнике, которые вращаются непрерывно. [59] У двигателя с заштрихованными полюсами обмотка вокруг части полюса задерживает фазу магнитного поля для этого полюса.
Коммутатор — это поворотный электрический переключатель , который подает ток на ротор. Он периодически меняет направление тока в обмотках ротора при вращении вала. Он состоит из цилиндра, состоящего из нескольких металлических контактных сегментов на якоре . Два или более электрических контакта, называемых щетками, изготовленные из мягкого проводящего материала, такого как углерод , прижимаются к коммутатору. Щетки скользят по последовательным сегментам коммутатора, когда вращатель поворачивается, подавая ток на ротор. Обмотки на роторе соединены с сегментами коммутатора. Коммутатор меняет направление тока в обмотках ротора с каждым полуоборотом (180°), поэтому крутящий момент, приложенный к ротору, всегда имеет одно и то же направление. [60] Без этого изменения направление крутящего момента на каждой обмотке ротора менялось бы на противоположное с каждым полуоборотом, останавливая ротор. Коммутируемые двигатели в основном были заменены бесщеточными двигателями , двигателями с постоянными магнитами и асинхронными двигателями .
Вал двигателя выходит за пределы двигателя, где он удовлетворяет нагрузке. Поскольку силы нагрузки оказываются за пределами самого внешнего подшипника, говорят, что нагрузка является нависающей. [61]
Ротор поддерживается подшипниками , которые позволяют ротору вращаться вокруг своей оси, передавая силу осевых и радиальных нагрузок от вала к корпусу двигателя. [61]
Двигатель постоянного тока обычно питается через разъемный кольцевой коллектор, как описано выше.
Коммутация двигателей переменного тока может быть достигнута с помощью кольцевого коммутатора или внешней коммутации. Это может быть тип управления с фиксированной или переменной скоростью, а также синхронный или асинхронный. Универсальные двигатели могут работать как на переменном, так и на постоянном токе.
Двигатели постоянного тока могут работать на переменной скорости путем регулирования напряжения, подаваемого на клеммы, или с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Двигатели переменного тока, работающие на фиксированной скорости, обычно питаются непосредственно от сети или через устройства плавного пуска двигателей .
Двигатели переменного тока, работающие на переменных скоростях, питаются от различных инверторов , частотно-регулируемых приводов или электронных коммутаторов.
Термин «электронный коммутатор» обычно ассоциируется с самокоммутируемыми бесщеточными двигателями постоянного тока и вентильными реактивными двигателями .
Электродвигатели работают на одном из трех физических принципов: магнетизме , электростатике и пьезоэлектричестве .
В магнитных двигателях магнитные поля формируются как в роторе, так и в статоре. Произведение между этими двумя полями создает силу и, следовательно, крутящий момент на валу двигателя. Одно или оба из этих полей изменяются при вращении ротора. Это достигается путем включения и выключения полюсов в нужное время или изменением силы полюса.
Двигатели могут быть спроектированы для работы на постоянном токе, на переменном токе, а некоторые типы могут работать на обоих типах тока.
Двигатели переменного тока могут быть как асинхронными, так и синхронными. [62] Синхронные двигатели требуют, чтобы ротор вращался с той же скоростью, что и вращающееся поле статора. Асинхронные роторы смягчают это ограничение.
Двигатель дробной мощности либо имеет номинал ниже примерно 1 лошадиной силы (0,746 кВт), либо производится с размером рамы меньше стандартного двигателя мощностью 1 л. с. Многие бытовые и промышленные двигатели относятся к классу дробных лошадиных сил.
Примечания:
1. Вращение не зависит от частоты переменного напряжения.
2. Вращение равно синхронной скорости (скорости двигателя-статора-поля).
3. В SCIM вращение с фиксированной скоростью равно синхронной скорости за вычетом скорости скольжения.
4. В системах рекуперации энергии без проскальзывания WRIM обычно используется для запуска двигателя, но может использоваться для изменения скорости нагрузки.
5. Работа с переменной скоростью.
6. В то время как асинхронные и синхронные двигатели обычно имеют либо шестиступенчатый, либо синусоидальный выходной сигнал, двигатели BLDC обычно имеют трапециевидную форму тока; поведение синусоидальных и трапециевидных машин с постоянными магнитами, однако, идентично с точки зрения их основных аспектов. [73]
7. В режиме переменной скорости WRIM используется в системах рекуперации энергии скольжения и в асинхронных машинах с двойной подачей питания.
8. Короткозамкнутая обмотка представляет собой короткозамкнутый ротор с короткозамкнутым ротором, обмотка которого подключена снаружи через контактные кольца.
9. В основном однофазные, иногда трехфазные.
Сокращения:
Большинство двигателей постоянного тока — это небольшие двигатели с постоянными магнитами (ПМ). Они содержат щеточную внутреннюю механическую коммутацию для реверсирования тока обмоток двигателя синхронно с вращением. [74]
Коммутируемый двигатель постоянного тока имеет набор вращающихся обмоток, намотанных на якорь, установленный на вращающемся валу. Вал также несет коммутатор. Таким образом, каждый щеточный двигатель постоянного тока имеет переменный ток, протекающий через его обмотки. Ток протекает через одну или несколько пар щеток, которые касаются коммутатора; щетки подключают внешний источник электроэнергии к вращающемуся якорю.
Вращающийся якорь состоит из одной или нескольких проволочных катушек, намотанных вокруг ламинированного, магнитно-мягкого ферромагнитного сердечника. Ток от щеток протекает через коммутатор и одну обмотку якоря, делая его временным магнитом (электромагнитом ) . Создаваемое магнитное поле взаимодействует со стационарным магнитным полем, создаваемым либо ПМ, либо другой обмоткой (катушкой поля), как частью корпуса двигателя. Сила между двумя магнитными полями вращает вал. Коммутатор переключает питание на катушки по мере вращения ротора, удерживая полюса от полного выравнивания с магнитными полюсами поля статора, так что ротор продолжает вращаться, пока подается питание.
Многие из ограничений классического коллекторного двигателя постоянного тока обусловлены необходимостью щеток поддерживать контакт с коллектором, создавая трение. Щетки создают искры, пересекая изолирующие зазоры между секциями коллектора. В зависимости от конструкции коллектора щетки могут создавать короткие замыкания между соседними секциями и, следовательно, концами катушек. Кроме того, индуктивность катушек ротора приводит к повышению напряжения на каждой из них при размыкании цепи, увеличивая искрение. Это искрение ограничивает максимальную скорость машины, так как слишком быстрое искрение приведет к перегреву, эрозии или даже расплавлению коллектора. Плотность тока на единицу площади щеток в сочетании с их удельным сопротивлением ограничивает выходную мощность двигателя. Пересечение зазоров также создает электрический шум ; искрение создает радиочастотные помехи . Щетки со временем изнашиваются и требуют замены, а сам коллектор подвергается износу и обслуживанию или замене. Сборка коллектора на большом двигателе является дорогостоящим элементом, требующим точной сборки многих деталей. В небольших двигателях коллектор обычно встроен в ротор, поэтому его замена обычно требует замены ротора.
Хотя большинство коммутаторов имеют цилиндрическую форму, некоторые из них представляют собой плоские сегментированные диски, установленные на изоляторе.
Большие щетки создают большую контактную поверхность, что максимизирует выходную мощность двигателя, в то время как маленькие щетки имеют малую массу, чтобы максимизировать скорость, с которой двигатель может работать без чрезмерного искрения. (Маленькие щетки желательны из-за их более низкой стоимости.) Более жесткие пружины щеток могут использоваться для того, чтобы щетки заданной массы работали на более высокой скорости, несмотря на большие потери на трение (меньшая эффективность) и ускоренный износ щеток и коммутаторов. Таким образом, конструкция щеток двигателя постоянного тока влечет за собой компромисс между выходной мощностью, скоростью и эффективностью/износом.
Машины постоянного тока определяются следующим образом: [75]
Пять типов щеточных двигателей постоянного тока:
Двигатель с постоянными магнитами (ПМ) не имеет обмотки возбуждения на статоре, вместо этого полагаясь на ПМ для обеспечения магнитного поля. Компенсирующие обмотки последовательно с якорем могут использоваться в больших двигателях для улучшения коммутации под нагрузкой. Это поле фиксировано и не может быть отрегулировано для управления скоростью. Поля ПМ (статоры) удобны в миниатюрных двигателях для устранения энергопотребления обмотки возбуждения. Большинство больших двигателей постоянного тока относятся к типу «динамо», которые имеют обмотки статора. Исторически сложилось так, что ПМ не могли удерживать высокий поток, если они были разобраны; обмотки возбуждения были более практичны для получения необходимого потока. Однако большие ПМ дороги, а также опасны и сложны в сборке; это благоприятствует намотанным полям для больших машин.
Чтобы минимизировать общий вес и размер, миниатюрные двигатели PM могут использовать высокоэнергетические магниты, изготовленные из неодима ; большинство из них — сплав неодима, железа и бора. Благодаря более высокой плотности потока электрические машины с высокоэнергетическими PM, по крайней мере, конкурентоспособны со всеми оптимально спроектированными синхронными и индукционными электрическими машинами с одиночным питанием. Миниатюрные двигатели напоминают конструкцию на иллюстрации, за исключением того, что они имеют по крайней мере три полюса ротора (для обеспечения запуска, независимо от положения ротора), а их внешний корпус представляет собой стальную трубку, которая магнитно связывает внешние части изогнутых полевых магнитов.
Некоторые из проблем щеточного двигателя постоянного тока устранены в конструкции BLDC. В этом двигателе механический «вращающийся переключатель» или коммутатор заменен внешним электронным переключателем, синхронизированным с положением ротора. Двигатели BLDC обычно имеют КПД 85%+, достигая 96,5%, [76], тогда как щеточные двигатели постоянного тока обычно имеют КПД 75–80%.
Характерная трапециевидная форма волны противоэлектродвижущей силы (CEMF) двигателя BLDC частично обусловлена равномерным распределением обмоток статора и частично размещением постоянных магнитов ротора. Также известные как двигатели постоянного тока с электронной коммутацией или двигатели постоянного тока изнутри наружу, обмотки статора трапециевидных двигателей BLDC могут быть однофазными, двухфазными или трехфазными и использовать датчики Холла, установленные на их обмотках, для определения положения ротора и недорогого замкнутого управления коммутатором .
Двигатели BLDC обычно используются там, где необходим точный контроль скорости, например, в дисководах компьютеров или видеомагнитофонах. Шпиндели в дисководах CD, CD-ROM (и т. д.) и механизмы в офисных продуктах, таких как вентиляторы, лазерные принтеры и копировальные аппараты. Они имеют несколько преимуществ по сравнению с обычными двигателями:
Современные двигатели BLDC имеют мощность от долей ватта до многих киловатт. Более крупные двигатели BLDC мощностью до 100 кВт используются в электромобилях. Они также находят применение в электрических моделях самолетов .
Вентильный реактивный двигатель (SRM) не имеет щеток или постоянных магнитов, а ротор не имеет электрических токов. Крутящий момент возникает из-за небольшого смещения полюсов ротора с полюсами статора. Ротор выравнивается с магнитным полем статора, в то время как обмотки статора последовательно запитываются для вращения поля статора.
Магнитный поток, создаваемый обмотками возбуждения, следует по пути наименьшего магнитного потока, направляя поток через полюса ротора, которые находятся ближе всего к возбужденным полюсам статора, тем самым намагничивая эти полюса ротора и создавая крутящий момент. По мере вращения ротора возбуждаются различные обмотки, поддерживая вращение ротора.
SRM используются в некоторых приборах [77] и транспортных средствах. [78]
Коммутируемый, электрически возбуждаемый, последовательно или параллельно намотанный двигатель называется универсальным двигателем, потому что он может быть спроектирован для работы как от переменного, так и от постоянного тока. Универсальный двигатель может хорошо работать от переменного тока, потому что ток как в катушках поля, так и в якорных катушках (и, следовательно, результирующие магнитные поля) синхронно меняют полярность, и, следовательно, результирующая механическая сила возникает в постоянном направлении вращения.
Работая на обычных частотах линии электропередач , универсальные двигатели часто используются в субкиловаттных приложениях. Универсальные двигатели легли в основу традиционного тягового двигателя на электрических железных дорогах . В этом приложении использование переменного тока на двигателе, предназначенном для работы на постоянном токе, привело бы к потерям эффективности из-за нагрева вихревыми токами их магнитных компонентов, в частности, полюсных наконечников поля двигателя, которые для постоянного тока использовали бы сплошное (неламинированное) железо. Сейчас они используются редко.
Преимуществом является то, что переменный ток может использоваться на двигателях, которые имеют высокий пусковой момент и компактную конструкцию, если используются высокие скорости работы. Напротив, техническое обслуживание выше, а срок службы сокращается. Такие двигатели используются в устройствах, которые не используются интенсивно и имеют высокие требования к пусковому моменту. Несколько отводов на обмотке возбуждения обеспечивают (неточное) ступенчатое управление скоростью. Бытовые блендеры, которые рекламируют много скоростей, обычно объединяют обмотку возбуждения с несколькими отводами и диодом, который может быть вставлен последовательно с двигателем (заставляя двигатель работать на однополупериодном выпрямленном переменном токе). Универсальные двигатели также подходят для электронного управления скоростью и, как таковые, являются выбором для таких устройств, как бытовые стиральные машины. Двигатель может перемешивать барабан (как вперед, так и назад) путем переключения обмотки возбуждения относительно якоря.
В то время как SCIM не могут вращать вал быстрее, чем позволяет частота сети электропитания, универсальные двигатели могут работать на гораздо более высоких скоростях. Это делает их полезными для таких приборов, как блендеры, пылесосы и фены, где желательны высокая скорость и малый вес. Они также широко используются в переносных электроинструментах, таких как дрели, шлифовальные машины, циркулярные пилы и лобзики, где характеристики двигателя работают хорошо. Многие двигатели пылесосов и триммеров для подрезки сорняков превышают 10 000 об/мин , в то время как миниатюрные шлифовальные машины могут превышать 30 000 об/мин .
Асинхронные и синхронные двигатели переменного тока оптимизированы для работы от однофазного или многофазного синусоидального или квазисинусоидального источника питания, например, для приложений с фиксированной скоростью, подаваемых от сети переменного тока, или для приложений с переменной скоростью от контроллеров частотно-регулируемых приводов (ЧРП).
Асинхронный двигатель — это асинхронный двигатель переменного тока, в котором мощность передается ротору посредством электромагнитной индукции, что очень похоже на действие трансформатора. Асинхронный двигатель напоминает вращающийся трансформатор, поскольку статор (неподвижная часть) по сути является первичной стороной трансформатора, а ротор (вращающаяся часть) — вторичной стороной. Многофазные асинхронные двигатели широко используются в промышленности.
Асинхронные двигатели можно разделить на асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (SCIM) и асинхронные двигатели с фазным ротором (WRIM). SCIM имеют тяжелую обмотку, состоящую из сплошных стержней, обычно из алюминия или меди, электрически соединенных кольцами на концах ротора. Стержни и кольца в целом очень похожи на вращающуюся клетку для упражнений для животных .
Токи, индуцированные в этой обмотке, обеспечивают магнитное поле ротора. Форма стержней ротора определяет характеристики скорости и крутящего момента. На низких скоростях ток, индуцированный в беличьей клетке, близок к частоте сети и имеет тенденцию оставаться во внешних частях клетки. По мере ускорения двигателя частота скольжения становится ниже, и больше тока достигает внутренней части. За счет формирования стержней для изменения сопротивления частей обмотки во внутренних и внешних частях клетки, в цепь ротора эффективно вставляется переменное сопротивление. Однако большинство таких двигателей используют однородные стержни.
В WRIM обмотка ротора состоит из множества витков изолированного провода и подключена к контактным кольцам на валу двигателя. Внешний резистор или другое устройство управления могут быть подключены к цепи ротора. Резисторы позволяют контролировать скорость двигателя, хотя и рассеивают значительную мощность. Преобразователь может питаться от цепи ротора и возвращать мощность частоты скольжения, которая в противном случае тратилась бы впустую, в энергосистему через инвертор или отдельный двигатель-генератор.
WRIM используются в основном для запуска нагрузки с высокой инерцией или нагрузки, требующей высокого пускового момента во всем диапазоне скоростей. При правильном выборе резисторов, используемых во вторичном сопротивлении или пускателе с контактными кольцами, двигатель способен производить максимальный крутящий момент при относительно низком токе питания от нулевой скорости до полной скорости.
Скорость двигателя может быть изменена, поскольку кривая крутящего момента двигателя эффективно изменяется величиной сопротивления, подключенного к цепи ротора. Увеличение сопротивления снижает скорость максимального крутящего момента. Если сопротивление увеличивается за пределами точки, где максимальный крутящий момент достигается при нулевой скорости, крутящий момент еще больше уменьшается.
При использовании с нагрузкой, которая имеет кривую крутящего момента, увеличивающуюся со скоростью, двигатель работает на скорости, где крутящий момент, развиваемый двигателем, равен крутящему моменту нагрузки. Уменьшение нагрузки приводит к ускорению двигателя, а увеличение нагрузки приводит к замедлению двигателя до тех пор, пока нагрузка и крутящий момент двигателя снова не станут равными. При работе таким образом потери на скольжение рассеиваются во вторичных резисторах и могут быть значительными. Регулирование скорости и чистая эффективность плохие.
Моментный двигатель может работать неограниченно долго в состоянии остановки, то есть с заблокированным от вращения ротором, без повреждения. В этом режиме работы двигатель прикладывает постоянный крутящий момент к нагрузке.
Распространенным применением являются двигатели катушек подачи и приема в ленточном приводе. В этом применении, приводимые в действие низким напряжением, характеристики этих двигателей обеспечивают равномерное легкое натяжение ленты независимо от того, подает ли кабестан ленту мимо ленточных головок или нет. Приводимые в действие более высоким напряжением (обеспечивающим более высокий крутящий момент), крутящие двигатели могут выполнять операции быстрой перемотки вперед и назад без необходимости использования дополнительных механизмов, таких как шестерни или сцепления. В мире компьютерных игр крутящие двигатели используются в рулевых колесах с обратной связью по усилию.
Другое распространенное применение — управление дроссельной заслонкой двигателя внутреннего сгорания с помощью электронного регулятора. Двигатель работает против возвратной пружины, чтобы перемещать дроссельную заслонку в соответствии с выходным сигналом регулятора. Последний контролирует скорость двигателя, подсчитывая электрические импульсы от системы зажигания или от магнитного датчика и в зависимости от скорости вносит небольшие корректировки в величину тока. Если двигатель замедляется относительно желаемой скорости, ток увеличивается, создавая больший крутящий момент, тянущий против возвратной пружины и открывающий дроссельную заслонку. Если двигатель работает слишком быстро, регулятор уменьшает ток, позволяя возвратной пружине оттянуться и уменьшить дроссельную заслонку.
Синхронный электродвигатель — это двигатель переменного тока. Он включает ротор, вращающийся с катушками, проходящими через магниты на той же частоте, что и переменный ток, и создающий магнитное поле для его привода. Он имеет нулевое скольжение в типичных рабочих условиях. Напротив, асинхронные двигатели должны скользить, чтобы создавать крутящий момент. Один тип синхронного двигателя похож на асинхронный двигатель, за исключением того, что ротор возбуждается полем постоянного тока. Контактные кольца и щетки проводят ток к ротору. Полюса ротора соединяются друг с другом и движутся с одинаковой скоростью. Другой тип, для низкого крутящего момента нагрузки, имеет плоские поверхности, отшлифованные на обычном роторе с короткозамкнутым ротором, чтобы создать дискретные полюса. Еще один, как делал Hammond для своих часов до Второй мировой войны и в старых органах Hammond , не имеет обмотки ротора и дискретных полюсов. Он не является самозапускающимся. Часы требуют ручного запуска с помощью небольшой ручки на задней панели, в то время как старые органы Hammond имели вспомогательный пусковой двигатель, подключенный с помощью подпружиненного ручного переключателя.
Синхронные двигатели с гистерезисом обычно (по сути) являются двухфазными двигателями с фазосдвигающим конденсатором для одной фазы. Они запускаются как асинхронные двигатели, но когда скорость скольжения достаточно уменьшается, ротор (гладкий цилиндр) временно намагничивается. Его распределенные полюса заставляют его действовать как синхронный двигатель с постоянными магнитами. Материал ротора, как и у обычного гвоздя, остается намагниченным, но его можно размагнитить без особых усилий. После запуска полюса ротора остаются на месте; они не дрейфуют.
Маломощные синхронные двигатели времени (например, для традиционных электрических часов) могут иметь многополюсные постоянные магниты с внешними роторами и использовать затеняющие катушки для обеспечения пускового момента. Двигатели часов Telechron имеют затененные полюса для пускового момента и двухспицевый кольцевой ротор, который работает как дискретный двухполюсный ротор.
Электродвигатели с двойным питанием имеют два независимых многофазных набора обмоток, которые вносят активную (т. е. рабочую) мощность в процесс преобразования энергии, при этом по крайней мере один из наборов обмоток управляется электроникой для работы с переменной скоростью. Два независимых многофазных набора обмоток (т. е. двойной якорь) являются максимальным вариантом, предоставляемым в одном корпусе без дублирования топологии. Электродвигатели с двойным питанием имеют эффективный диапазон скорости постоянного крутящего момента, который в два раза больше синхронной скорости для заданной частоты возбуждения. Это в два раза больше диапазона скорости постоянного крутящего момента, чем у электрических машин с одинарным питанием , которые имеют только один активный набор обмоток.
Двигатель с двойной подачей позволяет использовать меньший электронный преобразователь, но стоимость обмотки ротора и контактных колец может компенсировать экономию на компонентах силовой электроники. Трудности влияют на управление скоростью вблизи синхронных предельных скоростей. [79]
Двигатель постоянного тока без сердечника или без железа — это специализированный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами. [74] Оптимизированный для быстрого ускорения , ротор сконструирован без железного сердечника. Ротор может иметь форму заполненного обмоткой цилиндра или самонесущей конструкции, состоящей только из провода и связующего материала. Ротор может помещаться внутри магнитов статора; магнитно-мягкий неподвижный цилиндр внутри ротора обеспечивает обратный путь для магнитного потока статора. Второе расположение имеет корзину обмотки ротора, окружающую магниты статора. В этой конструкции ротор помещается внутри магнитно-мягкого цилиндра, который может служить корпусом двигателя и обеспечивает обратный путь для потока.
Поскольку ротор имеет гораздо меньшую массу, чем обычный ротор, он может ускоряться гораздо быстрее, часто достигая механической постоянной времени менее одной миллисекунды. Это особенно верно, если обмотки используют алюминий, а не (более тяжелую) медь. Ротор не имеет металлической массы, которая могла бы действовать как теплоотвод; даже небольшие двигатели должны охлаждаться. Перегрев может быть проблемой для этих конструкций.
Виброзвонок сотовых телефонов может генерироваться цилиндрическими двигателями с постоянными магнитами или дисковыми типами, которые имеют тонкий многополюсный дисковый магнит поля и намеренно несбалансированную литой пластиковой роторной структурой с двумя связанными катушками без сердечника. Металлические щетки и плоский коммутатор переключают питание на катушки ротора.
Сопутствующие приводы с ограниченным ходом не имеют сердечника и имеют связанную катушку, размещенную между полюсами тонких постоянных магнитов с высоким потоком. Это быстрые позиционеры головок для жестких дисков («жестких дисков»). Хотя современная конструкция значительно отличается от конструкции громкоговорителей, ее все еще вольно (и неправильно) называют структурой «звуковой катушки», поскольку некоторые более ранние головки жестких дисков двигались по прямым линиям и имели структуру привода, очень похожую на структуру громкоговорителя.
Печатный якорь или двигатель-блин имеет обмотки в форме диска, движущегося между массивами магнитов с высоким потоком. Магниты расположены по кругу, обращенному к ротору, с промежутками, образующими осевой воздушный зазор. [80] Эта конструкция обычно известна как двигатель-блин из-за своего плоского профиля.
Якорь (первоначально сформированный на печатной плате) изготовлен из перфорированных медных листов, которые ламинируются вместе с использованием современных композитов для формирования тонкого жесткого диска. Якорь не имеет отдельного кольцевого коммутатора. Щетки движутся непосредственно по поверхности якоря, что делает всю конструкцию компактной.
Альтернативная конструкция заключается в использовании намотанной медной проволоки, уложенной плоско с центральным обычным коммутатором в форме цветка и лепестка. Обмотки обычно стабилизируются с помощью электрических эпоксидных систем заливки. Это наполненные эпоксидные смолы, которые имеют умеренную, смешанную вязкость и длительное время гелеобразования. Они выделяются низкой усадкой и низким экзотермическим эффектом и обычно признаются UL 1446 как заливочный компаунд, изолированный при 180 °C (356 °F), рейтинг класса H.
Уникальным преимуществом двигателей постоянного тока без железа является отсутствие зубцов (изменений крутящего момента, вызванных изменением притяжения между железом и магнитами). Паразитные вихревые токи не могут образовываться в роторе, поскольку он полностью без железа, хотя железные роторы ламинированы. Это может значительно повысить эффективность, но контроллеры переменной скорости должны использовать более высокую частоту переключения (>40 кГц) или постоянный ток из-за сниженной электромагнитной индукции .
Эти двигатели были изобретены для привода кабестанов магнитных ленточных накопителей, где минимальное время достижения рабочей скорости и минимальный тормозной путь были критическими. Двигатели с плоскими дисками широко используются в высокопроизводительных сервоуправляемых системах, роботизированных системах, промышленной автоматизации и медицинских устройствах. Благодаря разнообразию доступных в настоящее время конструкций эта технология используется в приложениях от высокотемпературных военных до недорогих насосов и простых сервоприводов.
Другой подход (Magnax) заключается в использовании одного статора, зажатого между двумя роторами. Одна из таких конструкций выдала пиковую мощность 15 кВт/кг, постоянную мощность около 7,5 кВт/кг. Этот двигатель с осевым потоком без ярма обеспечивает более короткий путь потока, удерживая магниты дальше от оси. Конструкция допускает нулевой вылет обмотки; 100 процентов обмоток активны. Это улучшается за счет использования медного провода прямоугольного сечения. Двигатели могут быть установлены друг на друга для параллельной работы. Нестабильность сводится к минимуму за счет того, что два роторных диска оказывают равные и противоположные силы на диск статора. Роторы соединены напрямую друг с другом через кольцо вала, что нейтрализует магнитные силы. [81]
Серводвигатель — это двигатель, который используется в системе обратной связи с управлением положением или скоростью. Серводвигатели используются в таких приложениях, как станки, перьевые плоттеры и другие технологические системы. Двигатели, предназначенные для использования в сервомеханизме, должны иметь предсказуемые характеристики скорости, крутящего момента и мощности. Кривая скорость/крутящий момент важна и имеет высокое отношение для серводвигателя. Динамические характеристики отклика, такие как индуктивность обмотки и инерция ротора, важны; эти факторы ограничивают производительность. Большие, мощные, но медленно реагирующие сервоконтуры могут использовать обычные двигатели переменного или постоянного тока и приводные системы с обратной связью по положению или скорости. По мере увеличения требований к динамическому отклику используются более специализированные конструкции двигателей, такие как двигатели без сердечника. Превосходная плотность мощности и характеристики ускорения двигателей переменного тока, как правило, благоприятствуют синхронным двигателям с постоянными магнитами, BLDC, индукционным и SRM-приводам. [80]
Сервосистема отличается от некоторых приложений шагового двигателя тем, что обратная связь по положению непрерывна, пока двигатель работает. Шаговая система по своей сути работает в открытом контуре — полагаясь на то, что двигатель не «пропустит шаги» для краткосрочной точности — с любой обратной связью, такой как переключатель «дома» или позиционный энкодер, внешний по отношению к системе двигателя. [82]
Шаговые двигатели обычно используются для обеспечения точного вращения. Внутренний ротор, содержащий постоянные магниты, или магнитно-мягкий ротор с выступающими полюсами управляется набором электронно-коммутируемых внешних магнитов. Шаговый двигатель также можно рассматривать как нечто среднее между электродвигателем постоянного тока и вращающимся соленоидом. Поскольку каждая катушка поочередно возбуждается, ротор выравнивается с магнитным полем, создаваемым возбужденной обмоткой возбуждения. В отличие от синхронного двигателя, шаговый двигатель не может вращаться непрерывно; вместо этого он движется шагами — запускаясь и затем останавливаясь — продвигаясь из одного положения в другое, поскольку обмотки возбуждения возбуждаются и обесточиваются последовательно. В зависимости от последовательности ротор может вращаться вперед или назад, и он может менять направление, останавливаться, ускоряться или замедляться в любое время.
Простые драйверы шаговых двигателей полностью активируют или полностью обесточивают обмотки возбуждения, приводя ротор к «зубчатому» перемещению в ограниченное число положений. Драйверы микрошагов могут пропорционально управлять питанием обмоток возбуждения, позволяя роторам позиционироваться между точками зубчатого колеса и плавно вращаться. Управляемые компьютером шаговые двигатели являются одной из самых универсальных систем позиционирования, особенно как часть цифровой сервоуправляемой системы.
Шаговые двигатели можно легко поворачивать на определенный угол дискретными шагами, и поэтому шаговые двигатели использовались для позиционирования головки чтения/записи в ранних дисководах , где точность и скорость, которые они предлагали, могли правильно позиционировать головку чтения/записи. По мере увеличения плотности дисков ограничения точности и скорости сделали их устаревшими для жестких дисков — ограничение точности сделало их непригодными для использования, а ограничение скорости сделало их неконкурентоспособными — поэтому в новых жестких дисках используются системы привода головки на основе звуковой катушки. (Термин «звуковая катушка» в этой связи является историческим; он относится к структуре в громкоговорителе конусного типа .)
Шаговые двигатели часто используются в компьютерных принтерах, оптических сканерах и цифровых фотокопировальных аппаратах для перемещения активного элемента, каретки печатающей головки ( струйные принтеры ), а также валика или подающих роликов.
Так называемые кварцевые аналоговые наручные часы содержат самые маленькие обычные шаговые двигатели; они имеют одну катушку, потребляют мало энергии и имеют ротор с постоянным магнитом. Такой же тип двигателя приводит в действие кварцевые часы с батарейным питанием. Некоторые из этих часов, такие как хронографы , содержат более одного шагового двигателя.
Шаговые двигатели и ВРД, тесно связанные по конструкции с трехфазными синхронными двигателями переменного тока, классифицируются как двигатели с переменным магнитным сопротивлением. [83]
Линейный двигатель — это, по сути, любой электродвигатель, который был «развернут» таким образом, что вместо создания крутящего момента (вращения) он создает прямолинейную силу вдоль своей длины.
Линейные двигатели чаще всего являются асинхронными двигателями или шаговыми двигателями. Линейные двигатели обычно встречаются в американских горках, где быстрое движение безмоторного вагона контролируется рельсом. Они также используются в поездах на магнитной подвеске, где поезд «летает» над землей. В меньшем масштабе, перьевой плоттер HP 7225A 1978 года использовал два линейных шаговых двигателя для перемещения пера вдоль осей X и Y. [84]
Электростатический двигатель основан на притяжении и отталкивании электрического заряда. Обычно электростатические двигатели являются аналогом обычных катушечных двигателей. Обычно им требуется источник питания высокого напряжения, хотя небольшие двигатели используют более низкое напряжение. Обычные электродвигатели вместо этого используют магнитное притяжение и отталкивание и требуют высокого тока при низком напряжении. В 1750-х годах первые электростатические двигатели были разработаны Бенджамином Франклином и Эндрю Гордоном. Электростатические двигатели часто используются в микроэлектромеханических системах ( MEMS ), где их напряжение привода ниже 100 вольт, и где движущиеся заряженные пластины гораздо проще изготовить, чем катушки и железные сердечники. Молекулярные машины, которые управляют живыми клетками, часто основаны на линейных и вращающихся электростатических двигателях. [ необходима цитата ]
Пьезоэлектрический двигатель или пьезодвигатель — это тип электродвигателя, работа которого основана на изменении формы пьезоэлектрического материала при приложении электрического поля . Пьезоэлектрические двигатели используют обратный пьезоэлектрический эффект, при котором материал производит акустические или ультразвуковые колебания для создания линейного или вращательного движения. [85] В одном механизме удлинение в одной плоскости используется для выполнения серии растяжений и удержаний положения, подобно тому, как движется гусеница. [86]
Электрическая двигательная система космического корабля использует технологию электродвигателя для движения космического корабля в космическом пространстве. Большинство систем основаны на электрическом ускорении топлива до высокой скорости, в то время как некоторые системы основаны на электродинамических принципах тросов для движения к магнитосфере . [87]
Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую посредством силы между двумя противоположными магнитными полями. По крайней мере одно из двух магнитных полей должно быть создано электромагнитом посредством магнитного поля, вызванного электрическим током.
Силу между током в проводнике длиной, перпендикулярной магнитному полю, можно рассчитать с помощью закона силы Лоренца :
Примечание: X обозначает векторное векторное произведение .
Наиболее общие подходы к расчету сил в двигателях используют тензорную запись. [98]
Выходная мощность электродвигателя определяется по формуле:
В имперских единицах механическая выходная мощность двигателя определяется по формуле [99]
где:
В асинхронном или индукционном двигателе соотношение [ требуется ссылка ] между скоростью двигателя и мощностью воздушного зазора [ требуется пояснение ] определяется следующим образом:
Движение обмоток якоря постоянного тока или универсального двигателя через магнитное поле индуцирует в них напряжение. Это напряжение имеет тенденцию противостоять напряжению питания двигателя и поэтому называется « обратной электродвижущей силой (ЭДС) ». Напряжение пропорционально скорости вращения двигателя. Обратная ЭДС двигателя плюс падение напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки и щетках должны быть равны напряжению на щетках. Это обеспечивает фундаментальный механизм регулирования скорости в двигателе постоянного тока. Если механическая нагрузка увеличивается, двигатель замедляется; возникает более низкая обратная ЭДС, и из источника потребляется больше тока. Этот увеличенный ток обеспечивает дополнительный крутящий момент для балансировки нагрузки. [100]
В машинах переменного тока иногда полезно учитывать источник обратной ЭДС внутри машины; это особенно важно для точного регулирования скорости асинхронных двигателей на частотно-регулируемых приводах. [100]
Потери двигателя в основном обусловлены резистивными потерями в обмотках, потерями в сердечнике и механическими потерями в подшипниках, а также аэродинамическими потерями, особенно при наличии охлаждающих вентиляторов.
Потери также возникают при коммутации: механические коммутаторы искрят, электронные коммутаторы также рассеивают тепло.
Чтобы рассчитать КПД двигателя, механическую выходную мощность делят на электрическую входную мощность:
где - эффективность преобразования энергии , - электрическая входная мощность, - механическая выходная мощность:
где - входное напряжение, - входной ток, - выходной крутящий момент, - выходная угловая скорость. Можно аналитически вывести точку максимальной эффективности. Обычно она составляет менее 1/2 крутящего момента срыва . [ необходима цитата ]
Различные национальные регулирующие органы приняли законодательство, поощряющее производство и использование двигателей с более высокой эффективностью. Электродвигатели имеют эффективность в диапазоне от 15%-20% для двигателей с экранированными полюсами до 98% для двигателей с постоянными магнитами, [101] [102] [103] причем эффективность также зависит от нагрузки. Пиковая эффективность обычно составляет 75% от номинальной нагрузки. Так (в качестве примера) двигатель мощностью 10 л. с. наиболее эффективен при управлении нагрузкой, требующей 7,5 л. с. [104] Эффективность также зависит от размера двигателя; более крупные двигатели, как правило, более эффективны. [105] Некоторые двигатели не могут работать непрерывно в течение более определенного периода времени (например, более часа за один запуск) [106]
Эрик Лейтуэйт [107] предложил метрику для определения «качества» электродвигателя: [108]
Где:
Из этого он показал, что наиболее эффективные двигатели, вероятно, будут иметь относительно большие магнитные полюса. Однако уравнение напрямую относится только к двигателям без ПМ.
Электромагнитные двигатели получают крутящий момент из векторного произведения взаимодействующих полей. Расчет крутящего момента требует знания полей в воздушном зазоре. После того, как они установлены, крутящий момент является интегралом всех векторов силы, умноженных на радиус вектора. Ток, текущий в обмотке, создает поля. Для двигателя, использующего магнитный материал, поле не пропорционально току.
Цифра, связывающая ток с крутящим моментом, может помочь в выборе двигателя. Максимальный крутящий момент для двигателя зависит от максимального тока, без учета тепловых соображений.
При оптимальном проектировании в рамках заданного ограничения насыщения сердечника и для заданного активного тока (т. е. тока крутящего момента), напряжения, числа пар полюсов, частоты возбуждения (т. е. синхронной скорости) и плотности потока в воздушном зазоре все категории электродвигателей/генераторов демонстрируют практически одинаковый максимальный непрерывный крутящий момент вала (т. е. рабочий крутящий момент) в заданной области воздушного зазора с пазами обмотки и глубиной подложки, которая определяет физический размер электромагнитного сердечника. Некоторые приложения требуют всплесков крутящего момента сверх максимума, например, всплесков для разгона электромобиля с места. Всегда ограниченная насыщением магнитного сердечника или безопасным повышением рабочей температуры и напряжением, способность к всплескам крутящего момента сверх максимума значительно различается в зависимости от типов двигателей/генераторов.
Электрические машины без топологии трансформаторной цепи, такие как WRSM или PMSM, не могут обеспечить всплески крутящего момента без насыщения магнитного сердечника. В этот момент дополнительный ток не может увеличить крутящий момент. Кроме того, узел постоянного магнита PMSM может быть непоправимо поврежден.
Электрические машины с топологией трансформаторной цепи, такие как асинхронные машины, асинхронные электрические машины с двойным питанием и асинхронные или синхронные машины с двойным питанием с фазным ротором (WRDF), допускают всплески крутящего момента, поскольку активные токи, индуцированные ЭДС по обе стороны трансформатора, противодействуют друг другу и, таким образом, не вносят никакого вклада в плотность потока магнитного сердечника, связанного с трансформатором, что позволяет избежать насыщения сердечника.
Электрические машины, работающие на индукционных или асинхронных принципах, замыкают накоротко один порт цепи трансформатора, и в результате реактивное сопротивление цепи трансформатора становится доминирующим по мере увеличения скольжения, что ограничивает величину активного (т. е. реального) тока. Возможны всплески крутящего момента в два-три раза выше максимального расчетного крутящего момента.
Бесщеточная синхронная машина с двойным питанием (BWRSDF) является единственной электрической машиной с действительно двухпортовой топологией трансформаторной цепи (т. е. оба порта возбуждаются независимо без короткозамкнутого порта). [109] Известно, что двухпортовая топология трансформаторной цепи нестабильна и требует многофазного узла контактных колец и щеток для передачи ограниченной мощности на набор обмоток ротора. Если бы были доступны точные средства для мгновенного управления углом крутящего момента и скольжения для синхронной работы во время работы, одновременно обеспечивая бесщеточную мощность на набор обмоток ротора, активный ток машины BWRSDF не зависел бы от реактивного сопротивления трансформаторной цепи, и были бы возможны всплески крутящего момента, значительно превышающие максимальный рабочий крутящий момент и далеко выходящие за рамки практических возможностей любого другого типа электрической машины. Были рассчитаны всплески крутящего момента, превышающие рабочий крутящий момент в восемь раз.
Непрерывная плотность крутящего момента обычных электрических машин определяется размером площади воздушного зазора и глубиной подложки, которые определяются номинальной мощностью набора обмотки якоря, скоростью машины и достижимой плотностью потока воздушного зазора до насыщения сердечника. Несмотря на высокую коэрцитивную силу неодимовых или самарий -кобальтовых постоянных магнитов, непрерывная плотность крутящего момента практически одинакова среди электрических машин с оптимально спроектированными наборами обмотки якоря. Непрерывная плотность крутящего момента связана со способом охлаждения и допустимым периодом работы до разрушения из-за перегрева обмоток или повреждения постоянного магнита.
Другие источники утверждают, что различные топологии электронной машины имеют различную плотность крутящего момента. Один источник показывает следующее: [110]
где — удельная плотность крутящего момента нормализована к 1,0 для поверхностного постоянного магнита (СПМ) — бесщеточный переменный ток, 180° проводимость тока.
Плотность крутящего момента у двигателей с жидкостным охлаждением примерно в четыре раза выше, чем у двигателей с воздушным охлаждением.
Источник, сравнивающий постоянный ток, асинхронные двигатели (АД), PMSM и SRM, показал: [111]
Другой источник отмечает, что PMSM мощностью до 1 МВт имеют значительно более высокую плотность крутящего момента, чем асинхронные машины. [112]
Непрерывная плотность мощности определяется произведением непрерывной плотности крутящего момента и постоянного диапазона скорости крутящего момента. Электродвигатели могут достигать плотности до 20 кВт/кг, что означает 20 киловатт выходной мощности на килограмм. [113]
Акустический шум и вибрации обычно классифицируют по трем источникам:
Последний источник, который может быть причиной «скулящего шума» электродвигателей, называется электромагнитно-индуцированным акустическим шумом .
Ниже приведены основные стандарты проектирования, производства и испытаний электродвигателей:
