Двигатель переменного тока — это электродвигатель , приводимый в движение переменным током (AC). Двигатель переменного тока обычно состоит из двух основных частей: внешнего статора с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля , и внутреннего ротора, прикрепленного к выходному валу, создающего второе вращающееся магнитное поле. Магнитное поле ротора может создаваться постоянными магнитами, реактивным сопротивлением или электрическими обмотками постоянного или переменного тока.
Менее распространены линейные двигатели переменного тока , которые работают по тем же принципам, что и вращающиеся двигатели, но их неподвижные и движущиеся части расположены по прямой линии, создавая линейное движение вместо вращения.
Двумя основными типами двигателей переменного тока являются асинхронные двигатели и синхронные двигатели. Асинхронный двигатель (или асинхронный двигатель) всегда опирается на небольшую разницу в скорости между вращающимся магнитным полем статора и скоростью вала ротора, называемую скольжением, для индукции тока ротора в обмотке переменного тока ротора. В результате асинхронный двигатель не может создавать крутящий момент, близкий к синхронной скорости, при которой индукция (или скольжение) не имеет значения или перестает существовать. Напротив, синхронный двигатель не использует для работы индукцию скольжения и использует либо постоянные магниты, явные полюса (с выступающими магнитными полюсами), либо обмотку ротора с независимым возбуждением. Синхронный двигатель развивает номинальный крутящий момент точно на синхронной скорости. Система синхронного двигателя с бесщеточным ротором и двойным питанием имеет обмотку ротора с независимым возбуждением, которая не основана на принципах индукции тока скольжения. Бесщеточный двигатель с фазным ротором и двойным питанием представляет собой синхронный двигатель , который может работать точно на частоте питания или ниже частоты, кратной частоте питания.
Другие типы двигателей включают вихретоковые двигатели, а также машины постоянного и переменного тока с механической коммутацией, в которых скорость зависит от напряжения и соединения обмоток.
Технология переменного тока была основана на открытии Майкла Фарадея и Джозефа Генри в 1830–1831 годах, согласно которому изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в цепи . За это открытие обычно отдают должное Фарадею, поскольку он первым опубликовал свои выводы. [1]
В 1832 году французский производитель инструментов Ипполит Пикси создал грубую форму переменного тока, когда спроектировал и построил первый генератор переменного тока . Он представлял собой вращающийся подковообразный магнит, проходящий через две катушки с намотанной проволокой. [2]
Из-за преимуществ переменного тока в передаче высокого напряжения на большие расстояния в конце 19 века в США и Европе было много изобретателей, пытавшихся разработать работоспособные двигатели переменного тока. [3] Первым человеком, который придумал вращающееся магнитное поле, был Уолтер Бейли, который 28 июня 1879 года продемонстрировал Лондонскому физическому обществу работоспособную демонстрацию своего многофазного двигателя с батарейным питанием и коммутатором . [4] Описывая аппарат, почти идентичный аппарату Бейли, французский инженер-электрик Марсель Депре опубликовал в 1880 году статью, в которой определил принцип вращающегося магнитного поля и принцип двухфазной системы переменного тока для его создания. [5] Никогда практически не демонстрировавшаяся, конструкция была ошибочной, поскольку один из двух токов «обеспечивался самой машиной». [4] В 1886 году английский инженер Элиху Томсон построил двигатель переменного тока, расширив принцип индукции-отталкивания и свой ваттметр . [6] В 1887 году американский изобретатель Чарльз Шенк Брэдли первым запатентовал двухфазную передачу энергии переменного тока с четырьмя проводами. [ нужна цитата ]
«Безколлекторные» асинхронные двигатели переменного тока , похоже, были независимо изобретены Галилео Феррарисом и Николой Теслой . Феррарис продемонстрировал действующую модель своего однофазного асинхронного двигателя в 1885 году, а Тесла построил свой рабочий двухфазный асинхронный двигатель в 1887 году и продемонстрировал его в Американском институте инженеров-электриков в 1888 году [ 7] [8] [9] (хотя Тесла утверждал, что он придумал вращающееся магнитное поле в 1882 году). [10] В 1888 году Феррарис опубликовал свое исследование в Королевской академии наук в Турине, где подробно изложил основы работы двигателя; [11] В том же году Тесла получил патент США на свой собственный двигатель. [12] Опираясь на эксперименты Феррариса, Михаил Доливо-Добровольский в 1890 году представил первый трехфазный асинхронный двигатель, гораздо более функциональную конструкцию, которая стала прототипом, используемым в Европе и США. [13] [14] [15] Он также изобрел первый трехфазный генератор и трансформатор и объединил их в первую полную трехфазную систему переменного тока в 1891 году. [16] Над конструкцией трехфазного двигателя также работал швейцарский инженер Чарльз Юджин Ланселот Браун , [13] и другие. системы трехфазного переменного тока были разработаны немецким техником Фридрихом Августом Хазельвандером и шведским инженером Йонасом Венстрёмом . [17]
Если бы ротор двигателя с короткозамкнутым ротором вращался с истинной синхронной скоростью, поток в роторе в любом заданном месте ротора не изменился бы, и в короткозамкнутом роторе не возникло бы никакого тока. По этой причине обычные короткозамкнутые двигатели работают на несколько десятков об/мин медленнее, чем синхронная скорость. Поскольку вращающееся поле (или эквивалентное пульсирующее поле) фактически вращается быстрее, чем ротор, можно сказать, что оно проскальзывает мимо поверхности ротора. Разница между синхронной скоростью и фактической скоростью называется скольжением , и нагрузка на двигатель увеличивает величину скольжения по мере небольшого замедления двигателя. Даже без нагрузки внутренние механические потери не позволяют скольжению стать нулевым.
Скорость двигателя переменного тока определяется в первую очередь частотой источника переменного тока и числом полюсов обмотки статора согласно соотношению:
где
Константа 120 получается в результате объединения преобразований со скоростью 60 секунд в минуту и того, что для каждой фазы требуется 2 полюса.
Фактическая частота вращения асинхронного двигателя будет меньше этой расчетной синхронной скорости на величину, известную как скольжение , которая увеличивается с увеличением создаваемого крутящего момента. Без нагрузки скорость будет очень близка к синхронной. При нагрузке стандартные двигатели имеют скольжение от 2 до 3%, специальные двигатели могут иметь скольжение до 7%, а класс двигателей, известный как моментные двигатели , рассчитан на работу при 100% скольжении (0 об/мин/полный срыв).
Скольжение двигателя переменного тока рассчитывается по формуле:
где
Например, типичный четырехполюсный двигатель, работающий на частоте 60 Гц, может иметь паспортную мощность 1725 об/мин при полной нагрузке, тогда как его расчетная скорость составляет 1800 об/мин. Скорость в этом типе двигателя традиционно изменялась за счет наличия в двигателе дополнительных наборов катушек или полюсов, которые можно включать и выключать для изменения скорости вращения магнитного поля. Однако развитие силовой электроники означает, что теперь можно также изменять частоту источника питания, чтобы обеспечить более плавное управление скоростью двигателя.
Этот тип ротора является основным оборудованием для индукционных регуляторов , что является исключением из использования вращающегося магнитного поля в чисто электрическом (не электромеханическом) применении.
В наиболее распространенных двигателях переменного тока используется короткозамкнутый ротор , который можно найти практически во всех бытовых и легких промышленных двигателях переменного тока. Беличья клетка — это вращающаяся клетка для упражнений для домашних животных . Двигатель получил свое название от формы «обмоток» ротора — колец на обоих концах ротора с стержнями, соединяющими кольца по всей длине ротора. Обычно это литой алюминий или медь, залитый между железными пластинами ротора, и обычно видны только концевые кольца. Подавляющее большинство токов ротора будет течь через стержни, а не через ламинаты с более высоким сопротивлением и обычно лакированные. Для стержней и концевых колец характерны очень низкие напряжения при очень высоких токах; В высокоэффективных двигателях часто используется литая медь для уменьшения сопротивления ротора.
В работе двигатель с короткозамкнутым ротором можно рассматривать как трансформатор с вращающейся вторичной обмоткой. Когда ротор не вращается синхронно с магнитным полем, в роторе индуцируются большие токи; большие токи ротора намагничивают ротор и взаимодействуют с магнитными полями статора, почти синхронизируя ротор с полем статора. Ненагруженный двигатель с короткозамкнутым ротором при номинальной скорости холостого хода будет потреблять электроэнергию только для поддержания скорости ротора, предотвращая потери на трение и сопротивление. По мере увеличения механической нагрузки будет увеличиваться и электрическая нагрузка – электрическая нагрузка по своей сути связана с механической нагрузкой. Это похоже на трансформатор, где электрическая нагрузка первичной обмотки связана с электрической нагрузкой вторичной обмотки.
Вот почему двигатель нагнетателя с короткозамкнутым ротором может вызывать затемнение домашнего освещения при запуске, но не тускнеет свет при запуске, когда его ремень вентилятора (и, следовательно, механическая нагрузка) снят. Кроме того, заглохший двигатель с короткозамкнутым ротором (перегруженный или с заклинившим валом) при попытке запуска будет потреблять ток, ограниченный только сопротивлением цепи. Если что-то еще не ограничит ток (или не отключит его полностью), вероятным результатом будет перегрев и разрушение изоляции обмотки.
Практически каждая стиральная машина , посудомоечная машина , автономный вентилятор , проигрыватель и т. д. используют тот или иной вариант двигателя с короткозамкнутым ротором. [ нужна цитата ]
Альтернативная конструкция, называемая фазным ротором, используется, когда требуется переменная скорость . В этом случае ротор имеет то же количество полюсов, что и статор, а обмотки выполнены из проволоки, соединенной с контактными кольцами на валу. Угольные щетки соединяют контактные кольца с контроллером, например переменным резистором, который позволяет изменять скорость скольжения двигателя. В некоторых мощных приводах с фазным ротором с регулируемой скоростью энергия скольжения улавливается, выпрямляется и возвращается в источник питания через инвертор. Благодаря двунаправленному управлению мощностью фазный ротор становится активным участником процесса преобразования энергии, при этом конфигурация фазного ротора с двойным питанием обеспечивает удвоенную удельную мощность.
По сравнению с короткозамкнутыми роторами двигатели с фазным ротором дороги и требуют обслуживания контактных колец и щеток, но они были стандартной формой для регулирования скорости до появления компактных силовых электронных устройств. Транзисторные инверторы с частотно-регулируемым приводом теперь могут использоваться для регулирования скорости, а двигатели с фазным ротором становятся все менее распространенными.
Применяют несколько способов запуска многофазного двигателя. Если допускается большой пусковой ток и высокий пусковой момент, двигатель можно запустить от сети, подав на клеммы полное сетевое напряжение (прямое подключение, DOL). Если необходимо ограничить пусковой пусковой ток (когда мощность двигателя велика по сравнению с возможностью короткого замыкания источника питания), двигатель запускается при пониженном напряжении с использованием последовательных индукторов, автотрансформатора , тиристоров или других устройств. Иногда используется метод запуска звезда-треугольник (YΔ), при котором катушки двигателя сначала соединяются по схеме звезды для ускорения нагрузки, а затем переключаются на конфигурацию треугольника, когда нагрузка набирает скорость. Этот метод более распространен в Европе, чем в Северной Америке. Транзисторные приводы могут напрямую изменять приложенное напряжение в зависимости от пусковых характеристик двигателя и нагрузки.
Этот тип двигателя становится все более распространенным в тяговых устройствах, таких как локомотивы, где он известен как асинхронный тяговый двигатель .
Типичный двухфазный серводвигатель переменного тока имеет короткозамкнутый ротор и поле, состоящее из двух обмоток:
Сервоусилитель переменного тока, линейный усилитель мощности, питает обмотку управления. Электрическое сопротивление ротора намеренно сделано высоким, чтобы кривая скорость-крутящий момент была достаточно линейной. Двухфазные серводвигатели по своей сути являются высокоскоростными устройствами с низким крутящим моментом, сильно приспособленными для управления нагрузкой.
Однофазные двигатели не имеют уникального вращающегося магнитного поля, как многофазные двигатели. Поле чередуется (меняет полярность) между парами полюсов и может рассматриваться как два поля, вращающиеся в противоположных направлениях. Им требуется вторичное магнитное поле, которое заставляет ротор двигаться в определенном направлении. После запуска переменное поле статора находится во вращении относительно ротора. Обычно используются несколько методов:
Обычным однофазным двигателем является двигатель с экранированными полюсами , который используется в устройствах, требующих низкого пускового момента , таких как электрические вентиляторы , небольшие насосы или небольшие бытовые приборы. В этом двигателе небольшие одновитковые медные «затеняющие катушки» создают движущееся магнитное поле. Часть каждого полюса окружена медной катушкой или лентой; индуцированный ток в ленте препятствует изменению потока через катушку. Это вызывает задержку во времени потока, проходящего через затеняющую катушку, так что максимальная напряженность поля перемещается выше по поверхности полюса в каждом цикле. Это создает вращающееся магнитное поле низкого уровня, которое достаточно велико, чтобы вращать как ротор, так и прикрепленную к нему нагрузку. По мере того, как ротор набирает скорость, крутящий момент достигает своего полного уровня, поскольку основное магнитное поле вращается относительно вращающегося ротора.
Реверсивный двигатель с экранированными полюсами был создан компанией Barber-Colman несколько десятилетий назад. У него была одна катушка возбуждения и два главных полюса, каждый из которых разделялся посередине, образуя две пары полюсов. Каждый из этих четырех «полуполюсов» нес катушку, а катушки диагонально противоположных полуполюсов были подключены к паре клемм. Одна клемма каждой пары была общей, поэтому всего потребовалось всего три клеммы.
Двигатель не запустился при открытых клеммах; соединение общего провода с другим приводило к тому, что двигатель работал в одну сторону, а подключение общего провода к другому заставляло его работать в другую сторону. Эти двигатели использовались в промышленных и научных устройствах.
Необычный двигатель с регулируемой скоростью и малым крутящим моментом с экранированными полюсами можно найти в контроллерах светофоров и рекламного освещения. Полюсные поверхности были параллельны и относительно близко друг к другу, а между ними находился диск, что-то вроде диска в счетчике электроэнергии в ватт-часах . Каждая полюсная поверхность была разделена и имела на одной части затеняющую катушку; затеняющие катушки располагались на обращенных друг к другу частях.
Подача переменного тока на катушку создавала поле, которое распространялось в зазоре между полюсами. Плоскость сердечника статора была примерно касательной к воображаемой окружности на диске, поэтому бегущее магнитное поле тянуло диск и заставляло его вращаться.
Статор был установлен на шарнире, чтобы его можно было установить на желаемую скорость, а затем зафиксировать в этом положении. Если разместить шесты ближе к центру диска, он будет двигаться быстрее, а к краю — медленнее. [ нужна цитата ]
Другой распространенный однофазный двигатель переменного тока — асинхронный двигатель с расщепленной фазой , [18] обычно используемый в основных приборах, таких как кондиционеры и сушилки для одежды . По сравнению с двигателем с экранированными полюсами эти двигатели обеспечивают гораздо больший пусковой момент.
Двигатель с расщепленной фазой имеет вторичную пусковую обмотку , расположенную под углом 90 электрических градусов к основной обмотке, всегда центрированную непосредственно между полюсами основной обмотки и соединенную с основной обмоткой набором электрических контактов. Катушки этой обмотки намотаны меньшим количеством витков проводом меньшего размера, чем основная обмотка, поэтому она имеет меньшую индуктивность и большее сопротивление. Положение обмотки создает небольшой сдвиг фаз между потоком основной обмотки и потоком пусковой обмотки, заставляя ротор вращаться. Когда скорость двигателя достаточна для преодоления инерции нагрузки, контакты автоматически размыкаются центробежным переключателем или электрическим реле. Направление вращения определяется соединением основной обмотки и пусковой цепи. В приложениях, где двигатель требует фиксированного вращения, один конец пусковой цепи постоянно подключается к основной обмотке, а контакты подключаются на другом конце.
Двигатель с конденсаторным пуском — это асинхронный двигатель с расщепленной фазой, в котором пусковой конденсатор двигателя включен последовательно с пусковой обмоткой, создавая LC-цепь , которая создает больший фазовый сдвиг (и, следовательно, гораздо больший пусковой момент), чем как с расщепленной фазой, так и с расщепленной фазой. двигатели с экранированными полюсами.
Двигатель с резистивным пуском представляет собой асинхронный двигатель с расщепленной фазой, в котором стартер включен последовательно с пусковой обмоткой, создавая реактивное сопротивление. Этот дополнительный стартер помогает при запуске и начальном направлении вращения. Пусковая обмотка изготовлена в основном из тонкого провода с меньшим количеством витков, что обеспечивает высокое сопротивление и меньшую индуктивность. Основная обмотка выполнена из более толстого провода с большим количеством витков, что делает ее менее резистивной и более индуктивной.
Другой вариант — двигатель с конденсатором постоянного разделения (или PSC) . [19] В этом типе двигателя, также известном как двигатель с конденсаторным питанием, используется неполяризованный конденсатор с высоким номинальным напряжением для создания электрического фазового сдвига между рабочей и пусковой обмотками. Двигатели PSC являются доминирующим типом двигателей с расщепленной фазой в Европе и большей части мира, но в Северной Америке они чаще всего используются в устройствах с переменным крутящим моментом (например, в вентиляторах, вентиляторах и насосах) и в других случаях, когда желательны переменные скорости. .
Конденсатор с относительно низкой емкостью и относительно высоким номинальным напряжением включен последовательно с пусковой обмоткой и остается в цепи в течение всего рабочего цикла. [19] Как и в других двигателях с расщепленной фазой, основная обмотка используется с меньшей пусковой обмоткой, а вращение изменяется путем изменения места соединения между основной обмоткой и пусковой цепью или путем переключения полярности основной обмотки при включенной пусковой обмотке. всегда подключен к конденсатору. Однако есть существенные различия; Использование центробежного переключателя, чувствительного к скорости, требует, чтобы другие двигатели с расщепленной фазой работали на полной скорости или очень близко к ней. Двигатели PSC могут работать в широком диапазоне скоростей, намного меньших, чем электрическая скорость двигателя. Кроме того, для таких приложений, как автоматические открыватели дверей, которые требуют частого обратного вращения двигателя, использование механизма требует, чтобы двигатель замедлился почти до полной остановки, прежде чем будет восстановлен контакт с пусковой обмоткой. «Постоянное» соединение с конденсатором в двигателе PSC означает, что изменение вращения происходит мгновенно.
Трехфазные двигатели можно преобразовать в двигатели PSC, сделав две общие обмотки и подключив третью через конденсатор, которая будет действовать как пусковая обмотка. Однако номинальная мощность должна быть как минимум на 50 % выше, чем у сопоставимого однофазного двигателя из-за неиспользуемой обмотки. [20]
Если соединения с обмотками ротора трехфазного двигателя вынести на контактные кольца и подать отдельный ток возбуждения для создания непрерывного магнитного поля (или если ротор состоит из постоянного магнита), то результат называется синхронным двигателем . потому что ротор будет вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым многофазным источником питания. Другая система синхронного двигателя - это система синхронного двигателя с бесщеточным фазным ротором с двойным питанием и комплектом многофазных обмоток переменного тока ротора с независимым возбуждением, который может испытывать индукцию скольжения за пределами синхронных скоростей, но, как и все синхронные двигатели, не полагается на индукцию скольжения для создания крутящего момента.
Синхронный двигатель также может использоваться в качестве генератора переменного тока .
Современные синхронные двигатели часто приводятся в движение твердотельными преобразователями частоты . Это существенно облегчает задачу запуска массивного ротора большого синхронного двигателя. Их также можно запускать как асинхронные двигатели с использованием короткозамкнутой обмотки, имеющей общий ротор: как только двигатель достигает синхронной скорости, в короткозамкнутой обмотке ток не индуцируется, поэтому он мало влияет на синхронную работу двигателя. кроме стабилизации скорости двигателя при изменении нагрузки.
Синхронные двигатели иногда используются в качестве тяговых двигателей ; TGV может быть самым известным примером такого использования.
Огромное количество трехфазных синхронных двигателей теперь устанавливается на электромобили . У них есть неодимовый или другой постоянный магнит из редкоземельных металлов .
Одним из применений этого типа двигателя является его использование в схеме коррекции коэффициента мощности. Их называют синхронными конденсаторами . При этом используется особенность машины, при которой она потребляет мощность с ведущим коэффициентом мощности , когда ее ротор чрезмерно возбужден. Таким образом, источнику питания кажется, что это конденсатор, и поэтому его можно использовать для коррекции запаздывающего коэффициента мощности, который обычно возникает в источнике питания индуктивными нагрузками. Возбуждение регулируется до тех пор, пока не будет достигнут коэффициент мощности, близкий к единице (часто автоматически). Машины, используемые для этой цели, легко идентифицировать, поскольку у них нет удлинителей вала. Синхронные двигатели ценятся в любом случае, поскольку их коэффициент мощности намного выше, чем у асинхронных двигателей, что делает их предпочтительными для применений с очень высокой мощностью.
Некоторые из крупнейших двигателей переменного тока представляют собой гидроэлектрогенераторы с гидроаккумулированием , которые работают как синхронные двигатели для перекачки воды в резервуар на возвышенности для последующего использования для выработки электроэнергии с использованием того же оборудования. Шесть генераторов мощностью по 500 мегаватт установлены на насосной станции округа Бат в Вирджинии, США. При перекачке каждый агрегат может выдавать 642 800 лошадиных сил (479,3 мегаватт). [21] .
Небольшие однофазные двигатели переменного тока также могут быть сконструированы с намагниченными роторами (или с несколькими вариациями этой идеи; см. «Синхронные двигатели с гистерезисом» ниже).
Если на обычном роторе с короткозамкнутым ротором имеются плоские поверхности для создания явных полюсов и увеличения сопротивления, он запустится обычным образом, но будет работать синхронно, хотя может обеспечить лишь скромный крутящий момент на синхронной скорости. Это известно как реактивный двигатель .
Поскольку инерция затрудняет мгновенное ускорение ротора от остановленной до синхронной скорости, для запуска этих двигателей обычно требуется какая-то специальная функция. Некоторые из них включают в себя конструкцию «беличьей клетки», позволяющую приблизить скорость ротора к синхронной. В различных других конструкциях используется небольшой асинхронный двигатель (который может иметь те же катушки возбуждения и ротор, что и синхронный двигатель) или очень легкий ротор с односторонним механизмом (чтобы гарантировать запуск ротора в направлении «вперед»). В последнем случае применение переменного тока создает хаотические (или кажущиеся хаотичными) прыжковые движения вперед и назад; такой двигатель всегда запустится, но из-за отсутствия противореверсивного механизма направление его движения непредсказуемо. Генератор тонов органа Хаммонда использовал несамозапускающийся синхронный двигатель (до сравнительно недавнего времени) и имел вспомогательный обычный пусковой двигатель с экранированными полюсами. Подпружиненный вспомогательный ручной пусковой переключатель подавал питание на второй двигатель на несколько секунд.
Эти двигатели относительно дороги и используются там, где важна точная скорость (при условии наличия источника переменного тока точной частоты) и вращение с низким флаттером (высокочастотное изменение скорости). Приложения включали приводы магнитофонов (вал двигателя мог быть шпилем), а до появления кристаллического управления - кинокамеры и записывающие устройства. Их отличительной особенностью является ротор, который представляет собой гладкий цилиндр из магнитного сплава, который остается намагниченным, но его можно довольно легко размагничивать, а также перемагничивать, установив полюса в новом месте. Гистерезис относится к тому, насколько магнитный поток в металле отстает от внешней силы намагничивания; например, чтобы размагнитить такой материал, можно применить намагничивающее поле противоположной полярности тому, которое первоначально намагничило материал. Эти двигатели имеют статор, подобный статору асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и конденсаторным питанием. При запуске, когда скольжение существенно уменьшается, ротор намагничивается полем статора, и полюса остаются на месте. Затем двигатель работает с синхронной скоростью, как если бы ротор был постоянным магнитом. При остановке и перезапуске полюса, скорее всего, сформируются в разных местах. Для данной конструкции крутящий момент на синхронной скорости относительно невелик, и двигатель может работать на скорости ниже синхронной. Проще говоря, это отставание магнитного поля от магнитного потока.
Универсальный двигатель — это конструкция, которая может работать как от переменного, так и от постоянного тока. В универсальных двигателях статор и ротор коллекторного двигателя постоянного тока наматываются и питаются от внешнего источника, причем крутящий момент является функцией тока ротора, умноженного на ток статора, поэтому изменение направления тока как в роторе, так и в статоре не приводит к изменению направления вращения. . Универсальные двигатели могут работать как на переменном, так и на постоянном токе, при условии, что частота не настолько высока, что индуктивное сопротивление обмотки статора и потери на вихревые токи становятся проблемами. Почти все универсальные двигатели имеют последовательную обмотку, поскольку их статоры имеют относительно мало витков, что сводит к минимуму индуктивность. Универсальные двигатели компактны, имеют высокий пусковой момент и могут изменять скорость в широком диапазоне с помощью относительно простых элементов управления, таких как реостаты и прерыватели с ШИМ . По сравнению с асинхронными двигателями универсальные двигатели имеют некоторые недостатки, присущие их щеткам и коллекторам: относительно высокий уровень электрического и акустического шума, низкая надежность и более частое техническое обслуживание.
Универсальные двигатели широко используются в мелкой бытовой технике и ручных электроинструментах. До 1970-х годов преобладали электрические тяги (электрические, в том числе дизель-электрические железнодорожные и автомобильные транспортные средства); многие тяговые электросети до сих пор используют специальные низкие частоты, такие как 16,7 и 25 Гц, чтобы преодолеть вышеупомянутые проблемы с потерями и реактивным сопротивлением. Все еще широко используемые универсальные тяговые двигатели все чаще вытесняются асинхронными двигателями многофазного переменного тока и двигателями с постоянными магнитами с частотно-регулируемым приводом, что стало возможным благодаря современным силовым полупроводниковым устройствам .
Репульсные двигатели представляют собой однофазные двигатели переменного тока с фазным ротором, которые относятся к типу асинхронных двигателей. В отталкивающем двигателе щетки якоря закорочены, а не соединены последовательно с возбуждением, как это делается в универсальных двигателях. Под действием трансформатора статор индуцирует токи в роторе, которые создают крутящий момент за счет отталкивания, а не притяжения, как в других двигателях. Было изготовлено несколько типов репульсорных двигателей, но чаще всего использовался асинхронный двигатель с отталкивательным пуском (RS-IR). Двигатель RS-IR имеет центробежный переключатель, который закорачивает все сегменты коммутатора, так что двигатель работает как асинхронный двигатель, когда он достигает полной скорости. Некоторые из этих двигателей также выводят щетки из контакта с источником регулирования напряжения . Репульсные двигатели были разработаны до того, как появились подходящие пусковые конденсаторы для двигателей, и по состоянию на 2005 год продается лишь несколько репульсорных двигателей.
Там, где важна стабильность скорости, некоторые двигатели переменного тока (например, некоторые двигатели Papst) имеют статор внутри, а ротор снаружи для оптимизации инерции и охлаждения.
Двигатель с тормозом с коническим ротором включает в себя тормоз как неотъемлемую часть конического скользящего ротора. Когда двигатель находится в состоянии покоя, пружина действует на скользящий ротор и прижимает тормозное кольцо к тормозной крышке двигателя, удерживая ротор в неподвижном состоянии. Когда двигатель находится под напряжением, его магнитное поле генерирует как осевую, так и радиальную составляющую. Осевой компонент преодолевает силу пружины, отпуская тормоз; в то время как радиальная составляющая заставляет ротор вращаться. Никакого дополнительного управления тормозом не требуется.
Высокий пусковой момент и низкая инерция двигателя с тормозом с коническим ротором оказались идеальными для применения в многоцикловых динамических приводах с момента изобретения, проектирования и внедрения двигателя более 50 лет назад. Этот тип конфигурации двигателя был впервые представлен в США в 1963 году.
Односкоростные или двухскоростные двигатели предназначены для соединения с редукторами системы мотор-редукторов . Двигатели с тормозом с коническим ротором также используются для питания микроскоростных приводов.
Двигатели этого типа также можно встретить на мостовых кранах и подъемниках . Микроскоростной блок сочетает в себе два двигателя и промежуточный редуктор. Они используются в приложениях, где необходима исключительная точность механического позиционирования и высокая цикличность. Микроскоростной блок сочетает в себе «основной» двигатель с коническим тормозом ротора для высокой скорости и «микро» двигатель с коническим тормозом ротора для медленной скорости или скорости позиционирования. Промежуточный редуктор допускает диапазон передаточных чисел, а двигатели с разными скоростями можно комбинировать для получения высоких передаточных чисел между высокой и низкой скоростью.
Двигатели с электронной коммутацией (EC) — это электродвигатели , питающиеся от электричества постоянного тока (DC) и имеющие электронные системы коммутации, а не механические коммутаторы и щетки . Зависимость тока от крутящего момента и частоты от скорости двигателей BLDC линейна. Хотя катушки двигателя питаются от постоянного тока, мощность может быть выпрямлена из переменного тока внутри корпуса.
Это двухфазные асинхронные двигатели с постоянными магнитами, которые замедляют ротор, чтобы его скорость была точно пропорциональна мощности, проходящей через счетчик. Ротор представляет собой диск из алюминиевого сплава, и токи, индуцированные в нем, реагируют с полем статора.
Двухфазный счетчик электроэнергии имеет статор с тремя катушками, обращенными к диску . Магнитная цепь завершается С-образным сердечником из проницаемого железа. Катушка «напряжения» над диском включена параллельно источнику питания; его многочисленные витки имеют высокое соотношение индуктивности/сопротивления (Q), поэтому его ток и магнитное поле представляют собой интеграл по времени от приложенного напряжения, отставая от него на 90 градусов. Это магнитное поле проходит перпендикулярно диску, вызывая круговые вихревые токи в плоскости диска с центром поля. Эти индуцированные токи пропорциональны производной магнитного поля по времени, опережая ее на 90 градусов. Это приводит вихревые токи в фазу с напряжением, приложенным к катушке напряжения, точно так же, как ток, индуцируемый во вторичной обмотке трансформатора с резистивной нагрузкой, находится в фазе с напряжением, приложенным к его первичной обмотке.
Вихревые токи проходят непосредственно над полюсными наконечниками двух «токовых» катушек под диском, каждая из которых намотана несколькими витками толстого провода, индуктивное сопротивление которого мало по сравнению с сопротивлением нагрузки. Эти катушки подключают источник питания к нагрузке, создавая магнитное поле, синфазное с током нагрузки. Это поле проходит от полюса одной токовой катушки вверх перпендикулярно через диск и обратно вниз через диск к полюсу другой токовой катушки, с замкнутой магнитной цепью обратно к первой токовой катушке. Когда эти поля пересекают диск, они проходят через вихревые токи, индуцированные в нем катушкой напряжения, создавая силу Лоренца на диске, взаимно перпендикулярную обоим. Предполагая, что мощность течет к нагрузке, поток от левой токовой катушки пересекает диск вверх, где вихревой ток течет радиально к центру диска, создавая (по правилу правой руки ) крутящий момент, перемещающий переднюю часть диска к верно. Точно так же поток пересекает диск вниз к правой токовой катушке, где вихревой ток течет радиально от центра диска, снова создавая крутящий момент, перемещающий переднюю часть диска вправо. Когда полярность переменного тока меняется, вихревые токи в диске и направление магнитного потока от токовых катушек изменяются, оставляя направление крутящего момента неизменным.
Таким образом, крутящий момент пропорционален мгновенному сетевому напряжению, умноженному на мгновенный ток нагрузки, автоматически корректируя коэффициент мощности. Диск тормозится постоянным магнитом, поэтому скорость пропорциональна крутящему моменту, а диск механически объединяет реальную мощность. Механическая шкала счетчика считывает обороты диска и общую полезную энергию, передаваемую в нагрузку. (Если нагрузка подает электроэнергию в сеть, диск вращается назад, если ему не препятствует храповой механизм, что делает возможным чистое измерение .)
В счетчике ватт с расщепленной фазой катушка напряжения подключается между двумя «горячими» (линейными) клеммами (240 В в Северной Америке [ нужна ссылка ] ), а две отдельные токовые катушки подключаются между соответствующей линией и клеммами нагрузки. Для правильного управления комбинированными нагрузками между фазой и нейтралью и между фазами не требуется никакого подключения к нейтрали системы. Линейные нагрузки потребляют одинаковый ток через обе токовые катушки и вращают счетчик в два раза быстрее, чем фазная-нейтральная нагрузка, потребляющая тот же ток только через одну токовую катушку, правильно регистрируя мощность, потребляемую фазой-нейтралью. -линейная нагрузка в два раза превышает нагрузку между фазой и нейтралью.
Другие варианты той же конструкции используются для многофазного (например, трехфазного ) питания.
Представительными являются маломоментные синхронные двигатели с многополюсным полым цилиндрическим магнитом (внутренними полюсами), окружающим конструкцию статора. Алюминиевая чашка поддерживает магнит. Статор имеет одну катушку, соосную валу. На каждом конце катушки находится пара круглых пластин с прямоугольными зубцами по краям, расположенными параллельно валу. Это полюса статора. Один из пары дисков распределяет поток катушки напрямую, а другой принимает поток, прошедший через общую экранирующую катушку. Полюса довольно узкие, а между полюсами, ведущими с одного конца катушки, находится идентичный набор, ведущий с другого конца. В целом это создает повторяющуюся последовательность из четырех полюсов, незаштрихованных, чередующихся с заштрихованными, что создает окружное бегущее поле, с которым быстро синхронизируются магнитные полюса ротора. Некоторые шаговые двигатели имеют аналогичную конструкцию.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )