Двигатель переменного тока — это электродвигатель, приводимый в действие переменным током (AC). Двигатель переменного тока обычно состоит из двух основных частей: внешнего статора с катушками, снабжаемыми переменным током для создания вращающегося магнитного поля , и внутреннего ротора, прикрепленного к выходному валу, создающего второе вращающееся магнитное поле. Магнитное поле ротора может создаваться постоянными магнитами, реактивной явностью или электрическими обмотками постоянного или переменного тока.
Менее распространенные линейные двигатели переменного тока работают по тем же принципам, что и вращающиеся двигатели, но их неподвижные и подвижные части расположены по прямой линии, что создает линейное движение вместо вращения.
Два основных типа двигателей переменного тока — это асинхронные двигатели и синхронные двигатели. Асинхронный двигатель (или асинхронный двигатель) всегда полагается на небольшую разницу в скорости между вращающимся магнитным полем статора и скоростью вала ротора, называемую скольжением, чтобы индуцировать ток ротора в обмотке переменного тока ротора. В результате асинхронный двигатель не может создавать крутящий момент, близкий к синхронной скорости, где индукция (или скольжение) не имеет значения или перестает существовать. Напротив, синхронный двигатель не полагается на индукцию скольжения для работы и использует либо постоянные магниты, явно выраженные полюса (имеющие выступающие магнитные полюса), либо независимо возбуждаемую обмотку ротора. Синхронный двигатель создает свой номинальный крутящий момент точно на синхронной скорости. Бесщеточная система синхронного двигателя с двойным питанием и фазным ротором имеет независимо возбуждаемую обмотку ротора, которая не полагается на принципы индукции скольжения тока. Бесщеточный двигатель с двойным питанием и фазным ротором — это синхронный двигатель , который может работать точно на частоте питания или ниже или сверхкратнее частоты питания.
Другие типы двигателей включают двигатели вихревых токов , а также механически коммутируемые машины переменного и постоянного тока, в которых скорость зависит от напряжения и соединения обмоток.
Технология переменного тока берет свое начало в открытии Майкла Фарадея и Джозефа Генри в 1830–31 годах, что изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в цепи . Обычно заслугу этого открытия приписывают Фарадею, поскольку он первым опубликовал свои выводы. [1]
В 1832 году французский производитель инструментов Ипполит Пикси сгенерировал грубую форму переменного тока, когда он спроектировал и построил первый генератор переменного тока . Он состоял из вращающегося подковообразного магнита, проходящего через две катушки с намотанной проволокой. [2]
Из-за преимуществ переменного тока в передаче высокого напряжения на большие расстояния , в конце 19 века в Соединенных Штатах и Европе было много изобретателей, пытавшихся разработать работоспособные двигатели переменного тока. [3] Первым человеком, задумавшим вращающееся магнитное поле, был Уолтер Бейли, который 28 июня 1879 года провел рабочую демонстрацию своего многофазного двигателя на батарейном питании с помощью коммутатора в Физическом обществе Лондона. [4] Описав 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 не продемонстрированная на практике, конструкция была несовершенной, поскольку один из двух токов «предоставлялся 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 переменного тока с четырьмя проводами. [ необходима ссылка ]
«Безколлекторные» асинхронные двигатели переменного тока, по-видимому, были независимо изобретены Галилео Феррарисом и Николой Теслой . Феррарис продемонстрировал рабочую 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 свои исследования в Королевской академии наук в Турине, где он подробно изложил основы работы двигателя; [11] В том же году Тесла получил патент США на свой собственный двигатель. [12] Работая над экспериментами Феррариса, Михаил Доливо-Добровольский в 1890 году представил первый трехфазный асинхронный двигатель, гораздо более совершенную 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 Шарль Эжен Ланселот Браун , [13] а другие трехфазные системы переменного тока были разработаны немецким техником Фридрихом Августом Хазельвандером и шведским инженером Йонасом Венстрёмом . [17]
Если бы ротор двигателя с короткозамкнутым ротором работал на истинной синхронной скорости, поток в роторе в любом заданном месте ротора не изменился бы, и ток в клетке не создавался бы. По этой причине обычные двигатели с короткозамкнутым ротором работают на несколько десятков оборотов в минуту медленнее синхронной скорости. Поскольку вращающееся поле (или эквивалентное пульсирующее поле) эффективно вращается быстрее ротора, можно сказать, что оно проскальзывает мимо поверхности ротора. Разница между синхронной скоростью и фактической скоростью называется скольжением , и загрузка двигателя увеличивает величину скольжения, поскольку двигатель немного замедляется. Даже без нагрузки внутренние механические потери не позволяют скольжению быть нулевым.
Скорость двигателя переменного тока определяется в первую очередь частотой переменного тока и числом полюсов в обмотке статора в соответствии с соотношением:
где
Константа 120 получается в результате объединения преобразований по 60 секунд в минуту, а также 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 производимым крутящим моментом. 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, известных как моментные двигатели, рассчитан на работу при 100% скольжении (0 об/мин/полный останов).
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, в то время как его расчетная скорость составляет 1800 об/мин. Скорость в этом типе двигателя традиционно изменялась за счет дополнительных наборов катушек или полюсов в двигателе, которые можно включать и выключать для изменения скорости вращения магнитного поля. Однако разработки в области силовой электроники означают, что частота источника питания теперь также может изменяться для обеспечения более плавного управления скоростью двигателя.
Этот тип ротора является основным оборудованием для индукционных регуляторов , что является исключением из правила использования вращающегося магнитного поля в чисто электрическом (не электромеханическом) применении.
Наиболее распространенные двигатели переменного тока используют короткозамкнутый ротор , который можно найти практически во всех бытовых и легких промышленных двигателях переменного тока. Короткозамкнутый ротор относится к вращающейся клетке для упражнений для домашних животных . Двигатель получил свое название от формы его роторных «обмоток» — кольца на обоих концах ротора, со стержнями, соединяющими кольца, проходящими по всей длине ротора. Обычно он изготавливается из литого алюминия или меди, залитой между железными пластинами ротора, и обычно видны только концевые кольца. Подавляющее большинство токов ротора будет протекать через стержни, а не через более высокоомные и обычно лакированные пластины. Очень низкие напряжения при очень высоких токах типичны для стержней и концевых колец; высокоэффективные двигатели часто используют литые медные для снижения сопротивления в роторе.
В работе двигатель с короткозамкнутым ротором можно рассматривать как трансформатор с вращающейся вторичной обмоткой. Когда ротор не вращается синхронно с магнитным полем, индуцируются большие токи ротора; большие токи ротора намагничивают ротор и взаимодействуют с магнитными полями статора, чтобы привести ротор почти в синхронизм с полем статора. Ненагруженный двигатель с короткозамкнутым ротором на номинальной скорости холостого хода будет потреблять электроэнергию только для поддержания скорости ротора против потерь на трение и сопротивление. По мере увеличения механической нагрузки увеличивается 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 вентилятора с короткозамкнутым ротором может вызывать приглушение света в доме при запуске, но не приглушает свет при запуске, когда ремень вентилятора (и, следовательно, механическая нагрузка) сняты. Более того, заглохший двигатель с короткозамкнутым ротором (перегруженный или с заклинившим валом) будет потреблять ток, ограниченный только сопротивлением цепи, когда он пытается запуститься. Если что-то еще не ограничивает ток (или не отключает его полностью), вероятным результатом является перегрев и разрушение изоляции обмотки.
Практически каждая стиральная машина , посудомоечная машина , автономный вентилятор , проигрыватель пластинок и т. д. используют тот или иной вариант двигателя с короткозамкнутым ротором. [ требуется ссылка ]
Альтернативная конструкция, называемая ротором с обмоткой, используется, когда требуется переменная скорость . В этом случае ротор имеет то же количество полюсов, что и статор, а обмотки сделаны из проволоки, соединенной с контактными кольцами на валу. Угольные щетки соединяют контактные кольца с контроллером, таким как переменный резистор, который позволяет изменять скорость скольжения двигателя. В некоторых приводах с переменной скоростью и высокой мощностью энергия частоты скольжения улавливается, выпрямляется и возвращается в источник питания через инвертор. При двунаправленном управлении питанием ротор с обмоткой становится активным участником процесса преобразования энергии, при этом конфигурация ротора с двойной подачей показывает удвоенную плотность мощности.
По сравнению с короткозамкнутыми роторами двигатели с фазным ротором стоят дорого 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.
Используется несколько методов запуска многофазного двигателя. Если допускается большой пусковой ток и высокий пусковой момент, двигатель можно запустить через линию, подав полное линейное напряжение на клеммы (прямой пуск, DOL). Если необходимо ограничить пусковой пусковой ток (когда двигатель большой по сравнению с короткозамыкающей способностью 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 обмотки двигателя изначально подключаются по схеме звезда для ускорения нагрузки, а затем переключаются на схему треугольник, когда нагрузка достигает нужной скорости. Этот метод более распространен в Европе, чем в Северной Америке. Транзисторные приводы могут напрямую изменять приложенное напряжение в соответствии с требованиями 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 [ необходима ссылка ] .
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 скорости и крутящего момента была достаточно линейной. Двухфазные серводвигатели по своей сути являются высокоскоростными устройствами с низким крутящим моментом, сильно пониженными 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, вращающихся 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:
Обычный однофазный двигатель — это 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 полосой; индуцированный ток в полосе противодействует изменению потока через катушку. Это вызывает задержку во времени в потоке, проходящем через затеняющую катушку, так что максимальная напряженность поля перемещается выше по поверхности полюса на 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 нарастает до своего полного уровня, поскольку основное магнитное поле вращается относительно вращающегося ротора.
Реверсивный двигатель с экранированными полюсами был создан Барбером-Колманом несколько десятилетий назад. Он имел одну катушку возбуждения и два главных полюса, каждый из которых был разделен пополам, чтобы создать две пары полюсов. Каждый из этих четырех «полуполюсов» держал катушку, а катушки диагонально противоположных полуполюсов были подключены к паре клемм. Одна клемма каждой пары была общей, поэтому всего требовалось всего три клеммы.
Двигатель не запускался при разомкнутых клеммах; подключение общего к одному заставляло двигатель работать в одну сторону, а подключение общего к другому заставляло его работать в другую сторону. Такие двигатели использовались в промышленных и научных устройствах.
Необычный, регулируемый по скорости , двигатель с экранированными полюсами и низким крутящим моментом можно было найти в контроллерах светофоров и рекламного освещения. Лицевые стороны полюсов были параллельны и относительно близко друг к другу, с диском, центрированным между ними, что-то вроде диска в счетчике электроэнергии в ватт-часах . Каждый наружный полюс был разделен и имел затеняющую катушку на одной части; затеняющие катушки находились на частях, которые были обращены друг к другу.
Подача переменного тока на катушку создавала поле, которое распространялось в зазоре между полюсами. Плоскость сердечника статора была приблизительно 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 расположить для желаемой скорости, а затем закрепить в нужном положении. Размещение полюсов ближе к центру диска заставляло его работать быстрее, а ближе к краю — медленнее. [ необходима цитата ]
Другим распространенным однофазным двигателем переменного тока является асинхронный двигатель с расщепленной фазой [18] , который обычно используется в крупных бытовых приборах, таких как кондиционеры и сушилки для одежды . По сравнению с двигателем с экранированным полюсом эти двигатели обеспечивают гораздо больший пусковой крутящий момент.
Двигатель с расщепленной фазой имеет вторичную пусковую обмотку , которая находится под углом 90 электрических градусов к основной обмотке, всегда центрирована непосредственно между полюсами основной обмотки и соединена с основной обмоткой набором электрических контактов. Катушки этой обмотки намотаны с меньшим количеством витков более мелкого провода, чем основная обмотка, поэтому она имеет меньшую индуктивность и большее сопротивление. Положение обмотки создает небольшой фазовый сдвиг 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 между основной обмоткой и пусковой цепью. В приложениях, где двигатель требует фиксированного вращения, один конец пусковой цепи постоянно подключен к основной обмотке, а контакты устанавливают соединение на другом конце.
Двигатель с конденсаторным пуском — это асинхронный двигатель с расщепленной фазой, в котором конденсатор пускового двигателя вставлен последовательно с пусковой обмоткой, создавая LC-цепь , которая производит больший сдвиг фаз (и, следовательно, гораздо больший пусковой момент), чем двигатели с расщепленной фазой и с экранированными полюсами. Этот двигатель имеет центробежный выключатель, который отключает конденсатор после запуска двигателя. Этот двигатель обеспечивает высокий пусковой момент. [19] [20] [21] Двигатель с конденсаторным пуском и конденсаторным запуском имеет два отдельных конденсатора, один для запуска двигателя, а другой для его работы, и имеет центробежный выключатель для отключения пускового конденсатора или реле обратной ЭДС, подключенное параллельно со вспомогательной обмоткой двигателя. Этот двигатель обеспечивает высокий пусковой момент и высокую эффективность. [22]
Двигатель с пуском сопротивления — это асинхронный двигатель с расщепленной фазой, в котором пускатель вставлен последовательно с пусковой обмоткой, создавая реактивное сопротивление. Этот дополнительный пускатель обеспечивает помощь при запуске и начальном направлении вращения. Пусковая обмотка в основном изготавливается из тонкой проволоки с меньшим количеством витков, что делает ее высокоомной и менее индуктивной. Основная обмотка изготавливается из более толстой проволоки с большим количеством витков, что делает ее менее резистивной и более индуктивной. [23] [24] [25]
Другой разновидностью является двигатель с постоянным разделением конденсатора (или PSC) . [26] Также известный как двигатель с конденсаторным запуском, этот тип двигателя использует неполяризованный конденсатор с высоким номинальным напряжением для создания электрического сдвига фаз между рабочей и пусковой обмотками. Двигатели PSC являются доминирующим типом двигателей с разделением фаз в Европе и большей части мира, но в Северной Америке они чаще всего используются в приложениях с переменным крутящим моментом (например, в воздуходувках, вентиляторах и насосах) и других случаях, где требуются переменные скорости.
Конденсатор с относительно низкой емкостью и относительно высоким номинальным напряжением подключается последовательно с пусковой обмоткой и остается в цепи в течение всего рабочего цикла. [26] Как и в других двигателях с разделенной фазой, основная обмотка используется с меньшей пусковой обмоткой, а вращение изменяется путем изменения соединения между основной обмоткой и пусковой цепью или путем переключения полярности основной обмотки, в то время как пусковая обмотка всегда подключена к конденсатору. Однако существуют существенные различия; использование чувствительного к скорости центробежного переключателя требует, чтобы другие двигатели с разделенной фазой работали на полной или очень близкой к ней скорости. Двигатели PSC могут работать в широком диапазоне скоростей, намного ниже электрической скорости двигателя. Кроме того, для таких применений, как автоматические открыватели дверей, которые требуют, чтобы двигатель часто менял направление вращения, использование механизма требует, чтобы двигатель замедлялся почти до остановки, прежде чем контакт с пусковой обмоткой будет восстановлен. «Постоянное» подключение к конденсатору 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, чтобы она действовала как пусковая обмотка. Однако номинальная мощность должна быть как минимум на 50% больше, чем у сопоставимого однофазного двигателя из-за неиспользуемой обмотки. [27]
Если соединения с роторными катушками трехфазного двигателя выведены на контактные кольца и питаются отдельным током поля для создания непрерывного магнитного поля (или если ротор состоит из постоянного магнита), то результат называется синхронным двигателем , поскольку ротор будет вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым многофазным электрическим источником. Другая система синхронного двигателя - это бесщеточная система синхронного двигателя с двойным питанием и ротором с независимым возбуждением, многофазная обмотка переменного тока 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 действие твердотельными частотно-регулируемыми приводами . Это значительно облегчает задачу запуска массивного ротора большого синхронного двигателя. Их также можно запускать как асинхронные двигатели с использованием короткозамкнутой обмотки, которая разделяет общий ротор: как только двигатель достигает синхронной скорости, ток в короткозамкнутой обмотке не индуцируется, поэтому он мало влияет на синхронную работу двигателя, за исключением стабилизации скорости двигателя при изменении нагрузки.
Синхронные двигатели иногда используются в качестве тяговых двигателей ; наиболее известным примером такого использования является TGV .
Огромное количество трехфазных синхронных двигателей теперь устанавливаются на электромобилях [ требуется ссылка ] . Они имеют неодимовый или другой редкоземельный постоянный магнит .
Одним из вариантов использования этого типа двигателя является его использование в схеме коррекции коэффициента мощности. Их называют синхронными конденсаторами . Это использует особенность машины, при которой она потребляет мощность с опережающим коэффициентом мощности , когда ее ротор перевозбужден. Таким образом, для источника питания он выглядит как конденсатор, и, таким образом, может использоваться для коррекции отстающего коэффициента мощности, который обычно представлен в электрическом источнике индуктивными нагрузками. Возбуждение регулируется до тех пор, пока не будет получен коэффициент мощности, близкий к единице (часто автоматически). Машины, используемые для этой цели, легко идентифицируются, поскольку у них нет удлинителей вала. Синхронные двигатели ценятся в любом случае, потому что их коэффициент мощности намного лучше, чем у асинхронных двигателей, что делает их предпочтительными для очень мощных приложений.
Некоторые из самых больших двигателей переменного тока — это гидроэлектростанции с гидроаккумулирующими установками , которые работают как синхронные двигатели для перекачивания воды в резервуар на большей высоте для последующего использования для выработки электроэнергии с использованием того же оборудования. Шесть 500-мегаваттных генераторов установлены на станции гидроаккумулирования округа Бат в Вирджинии, США. При перекачке каждый блок может вырабатывать 642 800 лошадиных сил (479,3 мегаватт). [28]
Небольшие однофазные двигатели переменного тока также могут быть спроектированы с намагниченными роторами (или несколькими вариациями этой идеи; см. «Гистерезисные синхронные двигатели» ниже).
Если обычный короткозамкнутый ротор имеет плоские поверхности, отшлифованные для создания выступающих полюсов и увеличения магнитного сопротивления, он запустится обычным образом, но будет работать синхронно, хотя он 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, эти двигатели обычно требуют какой-то специальной функции для запуска. Некоторые включают в себя структуру с короткозамкнутым ротором, чтобы приблизить ротор к синхронной скорости. Различные другие конструкции используют небольшой индукционный двигатель (который может иметь те же самые катушки возбуждения и ротор, что и синхронный двигатель) или очень легкий ротор с односторонним механизмом (чтобы гарантировать, что ротор запустится в направлении «вперед»). В последнем случае приложение мощности переменного тока создает хаотическое (или кажущееся хаотичным) скачкообразное движение вперед и назад; такой двигатель всегда запустится, но из-за отсутствия механизма противодействия реверсу направление его движения непредсказуемо. Генератор тона органа Хаммонда использовал несамозапускающийся синхронный двигатель (до сравнительно недавнего времени) и имел вспомогательный обычный пусковой двигатель с экранированным полюсом. Подпружиненный вспомогательный ручной пусковой переключатель подключал питание к этому второму двигателю на несколько секунд.
Эти двигатели относительно дороги и используются там, где необходимы точная скорость (при условии источника переменного тока с точной частотой) и вращение с низким дрожанием (высокочастотное изменение скорости). Приложения включали приводы шпиля магнитофона (вал двигателя мог быть шпилем), а до появления кристаллического управления — кинокамеры и рекордеры. Их отличительной чертой является ротор, который представляет собой гладкий цилиндр из магнитного сплава, который остается намагниченным, но может быть довольно легко размагничен, а также повторно намагничен с полюсами в новом месте. Гистерезис относится к тому, как магнитный поток в металле отстает от внешней намагничивающей силы; например, чтобы размагнитить такой материал, можно применить намагничивающее поле противоположной полярности к тому, которое изначально намагничивало материал. Эти двигатели имеют статор, как у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, работающих на конденсаторах. При запуске, когда скольжение достаточно уменьшается, ротор намагничивается полем статора, а полюса остаются на месте. Затем двигатель работает на синхронной скорости, как если бы ротор был постоянным магнитом. При остановке и повторном запуске полюса, скорее всего, будут формироваться в разных местах. Для данной конструкции крутящий момент на синхронной скорости относительно невелик, и двигатель может работать на скорости ниже синхронной. Проще говоря, это отстающее магнитное поле позади магнитного потока.
Универсальный двигатель — это конструкция, которая может работать как от переменного, так и от постоянного тока. В универсальных двигателях статор и ротор щеточного двигателя постоянного тока оба намотаны и питаются от внешнего источника, при этом 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 от переменного, так и от постоянного тока при условии, что частота не настолько высока, чтобы индуктивное сопротивление обмотки статора и потери на вихревые токи стали проблемами. Почти все универсальные двигатели имеют последовательную обмотку, поскольку их статоры имеют относительно мало витков, что минимизирует 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 ШИМ- прерыватели. По сравнению с асинхронными двигателями универсальные двигатели имеют некоторые недостатки, присущие их щеткам и коммутаторам: относительно высокий уровень электрического и акустического шума, низкая надежность и более частое требуемое обслуживание.
Универсальные двигатели широко используются в небольших бытовых приборах и ручных электроинструментах. До 1970-х годов они доминировали в электрической тяге (электрической, включая дизель-электрические железнодорожные и автомобильные транспортные средства); многие тяговые электросети по-прежнему используют специальные низкие частоты, такие как 16,7 и 25 Гц, чтобы преодолеть вышеупомянутые проблемы с потерями и реактивным сопротивлением. По-прежнему широко используемые, универсальные тяговые двигатели все больше вытесняются многофазными асинхронными двигателями переменного тока и двигателями с постоянными магнитами с частотно-регулируемыми приводами, которые стали возможны благодаря современным силовым полупроводниковым приборам .
Двигатели Repulsion — это однофазные двигатели переменного тока с фазным ротором, которые являются разновидностью асинхронных двигателей. В двигателе Repulsion щетки якоря закорочены вместе, а не соединены последовательно с полем, 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 двигателей Repulsion, но чаще всего использовался двигатель Repulsion-Start Induction-Run (RS-IR). Двигатель RS-IR имеет центробежный переключатель, который закорачивает все сегменты коммутатора, так что двигатель работает как асинхронный двигатель, когда он близок к полной скорости. Некоторые из этих двигателей также поднимают щетки из контакта с регулятором напряжения источника . Двигатели Repulsion были разработаны до того, как появились подходящие конденсаторы для запуска двигателя, и по состоянию на 2005 год продается лишь несколько двигателей Repulsion.
Если 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 тормоз как неотъемлемую часть конического скользящего ротора. Когда двигатель находится в состоянии покоя, пружина воздействует на скользящий ротор и прижимает тормозное кольцо к тормозной крышке в двигателе, удерживая ротор неподвижным. Когда двигатель находится под напряжением, его магнитное поле генерирует как осевую, так и радиальную составляющую. Осевая составляющая преодолевает силу пружины, освобождая тормоз; в то время как радиальная составляющая заставляет ротор вращаться. Дополнительного управления тормозом не требуется.
Высокий пусковой крутящий момент и низкая инерция конического роторного тормозного двигателя оказались идеальными для требований высокоцикловых динамических приводов в приложениях 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-редуктора . Двигатели с коническим ротором и тормозом также используются для питания микроскоростных приводов.
Двигатели этого типа также можно найти на мостовых кранах и подъемниках . Микроскоростной блок объединяет два двигателя и промежуточный редуктор. Они используются в приложениях, где требуются экстремальная точность механического позиционирования и высокая циклическая способность. Микроскоростной блок объединяет «главный» конический роторный тормозной двигатель для быстрой скорости и «микро» конический роторный тормозной двигатель для медленной или позиционной скорости. Промежуточный редуктор допускает ряд передаточных чисел, и двигатели с разными скоростями могут быть объединены для получения высоких передаточных чисел между высокой и низкой скоростью.
Электронно-коммутируемые (EC) двигатели — это электродвигатели, работающие от постоянного тока (DC) и имеющие электронные коммутационные системы, а не механические коммутаторы и щетки . Соотношения тока к крутящему моменту и частоты к скорости двигателей BLDC являются линейными. В то время как катушки двигателя питаются постоянным током, мощность может выпрямляться из переменного тока внутри корпуса.
Это двухфазные индукционные двигатели с постоянными магнитами для замедления ротора, 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 от статора.
Счетчик электроэнергии с расщепленной фазой имеет статор с тремя катушками , обращенными к диску. Магнитная цепь завершается С-образным сердечником из проницаемого железа. Катушка «напряжения» над диском параллельна источнику питания; ее многочисленные витки имеют высокое отношение индуктивности к сопротивлению (Q), поэтому ее ток и магнитное поле являются временным интегралом приложенного напряжения, отставая от него на 90 градусов. Это магнитное поле проходит перпендикулярно через диск, индуцируя круговые вихревые токи в плоскости диска, центрированной на поле. Эти индуцированные токи пропорциональны производной по времени магнитного поля, опережая его на 90 градусов. Это помещает вихревые токи в фазу с напряжением, приложенным к катушке напряжения, так же как ток, индуцированный 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 толстой проволоки, индуктивное сопротивление которой мало по сравнению с сопротивлением нагрузки. Эти катушки подключают питание к нагрузке, создавая магнитное поле в фазе 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, движущий переднюю часть диска вправо. Аналогично поток пересекает диск вниз к правой токовой катушке, где вихревой ток течет радиально от центра диска, снова создавая крутящий момент, движущий 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 напряжению линии, умноженному на мгновенный ток нагрузки, автоматически корректируя коэффициент мощности. Диск тормозится постоянным магнитом, так что скорость пропорциональна крутящему моменту, и диск механически интегрирует реальную мощность. Механический циферблат на счетчике считывает обороты диска и общую чистую энергию, поставляемую нагрузке. (Если нагрузка подает питание в сеть, диск вращается в обратном направлении, если ему не препятствует храповой механизм, что делает возможным чистое измерение .)
В счетчике ватт-часов с расщепленной фазой катушка напряжения подключена между двумя «горячими» (линейными) клеммами (240 В в Северной Америке [ требуется ссылка ] ), а две отдельные токовые катушки подключены между соответствующими линейными и нагрузочными клеммами. Для правильной обработки комбинированных линейных и линейных нагрузок не требуется подключения к нейтрали системы. Линейные нагрузки потребляют тот же ток через обе токовые катушки и вращают счетчик в два раза быстрее, чем линейная нагрузка, потребляющая тот же ток только через одну токовую катушку, правильно регистрируя мощность, потребляемую линейными нагрузками, в два раза больше, чем линейные нагрузки.
Другие варианты той же конструкции используются для многофазного (например, трехфазного ) питания.
Типичными являются синхронные двигатели с низким крутящим моментом с многополюсным полым цилиндрическим магнитом (внутренние полюса), окружающим структуру статора. Алюминиевая чашка поддерживает магнит. Статор имеет одну катушку, соосную с валом. На каждом конце катушки находится пара круглых пластин с прямоугольными зубцами на краях, сформированных так, чтобы они были параллельны валу. Они являются полюсами статора. Один из пары дисков распределяет поток катушки напрямую, в то время как другой принимает поток, прошедший через общую затеняющую катушку. Полюса довольно узкие, и между полюсами, ведущими от одного конца катушки, находится идентичный набор, ведущий от другого конца. В целом, это создает повторяющуюся последовательность из четырех полюсов, незатененных, чередующихся с затененными, что создает круговое бегущее поле, с которым магнитные полюса ротора быстро синхронизируются. Некоторые шаговые двигатели имеют похожую структуру.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )