Электродвигатель – это электрическая машина , преобразующая электрическую энергию в механическую . Большинство электродвигателей работают за счет взаимодействия магнитного поля двигателя и электрического тока в обмотке провода , создавая силу в виде крутящего момента , приложенного к валу двигателя. Электрический генератор механически идентичен электродвигателю, но работает в обратном порядке, преобразуя механическую энергию в электрическую.
Электродвигатели могут питаться от источников постоянного тока (DC), например, от батарей или выпрямителей , или от источников переменного тока (AC), таких как электросеть, инверторы или электрические генераторы.
Электродвигатели можно классифицировать по таким критериям, как тип источника питания, конструкция, применение и тип выходной мощности. Они могут быть щеточными или бесщеточными , однофазными , двухфазными или трехфазными , с осевым или радиальным потоком и могут иметь воздушное или жидкостное охлаждение.
Стандартизированные двигатели обеспечивают мощность для промышленного использования. Самые крупные из них используются для привода судов, сжатия трубопроводов и гидроаккумулирующих установок, их мощность превышает 100 мегаватт .
Приложения включают промышленные вентиляторы, воздуходувки и насосы, станки, бытовую технику, электроинструменты, транспортные средства и дисководы. Маленькие моторы можно найти в электрических часах. В некоторых приложениях, например, при рекуперативном торможении тяговых двигателей , электродвигатели могут использоваться в режиме реверса в качестве генераторов для рекуперации энергии, которая в противном случае могла бы быть потеряна в виде тепла и трения.
Электродвигатели создают линейную или вращательную силу ( крутящий момент ), предназначенную для приведения в движение какого-либо внешнего механизма. Это делает их своего рода приводом . Обычно они предназначены для непрерывного вращения или для линейного перемещения на значительное расстояние 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, работающие за счет электростатической силы. Первые электродвигатели представляли собой простые электростатические устройства , описанные 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 независимо открыт Шарлем-Огюстеном де Кулоном в 1785 году, который опубликовал его так, что он теперь известен. с его именем. [4] Из-за сложности создания необходимого высокого напряжения электростатические двигатели никогда не использовались в практических целях.
Изобретение электрохимической батареи Алессандро Вольтой в 1799 году [5] сделало возможным получение постоянного электрического тока. Ганс Христиан Эрстед в 1820 году обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле, которое может оказывать воздействие на магнит. Андре-Мари Амперу потребовалось всего несколько недель, чтобы разработать первую формулировку электромагнитного взаимодействия и представить закон силы Ампера , который описывал возникновение механической силы путем взаимодействия электрического тока и магнитного поля. [6]
Первую демонстрацию эффекта при вращательном движении дал Майкл Фарадей 3 сентября 1821 года в подвале Королевского института . [7] Свободно висящий провод был погружен в ванну с ртутью, на которой был помещен постоянный магнит (ПМ) . Когда через провод пропускался ток, провод вращался вокруг магнита, показывая, что ток порождает замкнутое круговое магнитное поле вокруг провода. [8] Фарадей опубликовал результаты своего открытия в Ежеквартальном журнале науки 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 демонстрируется 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 Аньос Едлик начал экспериментировать с электромагнитными катушками . После того, как Джедлик решил технические проблемы непрерывного вращения с изобретением коммутатора , он назвал свои ранние устройства «электромагнитными автороторами». Хотя они использовались только для обучения, в 1828 году Джедлик продемонстрировал первое устройство, содержащее три основных компонента практических двигателей постоянного тока : статор , ротор и коллектор. В устройстве не использовались постоянные магниты, поскольку магнитные поля как стационарных, 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] Следуя за работами Стерджена, американскими изобретателями Томасом Дэвенпортом и Эмили Дэвенпорт был построен электродвигатель постоянного тока коллекторного типа, [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 аккумуляторной батареи двигатели оказались коммерчески неудачными, и Давенпорт обанкротился. Несколько изобретателей последовали примеру Стерджена в разработке двигателей постоянного тока, но все они столкнулись с одинаковыми проблемами стоимости батарей. Посколькув то время не было системы распределения электроэнергии , для этих двигателей не возникло практического коммерческого рынка. [20]
После многих других более или менее успешных попыток с относительно слабыми вращающимися и возвратно-поступательными аппаратами прусский/русский Мориц фон Якоби в мае 1834 года создал первый настоящий вращающийся электродвигатель. Он развивал замечательную выходную механическую мощность. Его мотор установил мировой рекорд, который Якоби улучшил четыре года спустя, в сентябре 1838 года. [21] Его второй мотор был достаточно мощным, чтобы переправить лодку с 14 людьми через широкую реку. Также в 1839/40 году другим разработчикам удалось построить двигатели с аналогичными, а затем и более высокими характеристиками.
В 1855 году Джедлик построил устройство, использующее принципы, аналогичные тем, которые использовались в его электромагнитных роторах, и которое было способно выполнять полезную работу. [10] [16] В том же году он построил модель электромобиля . [22]
Главный поворотный момент наступил в 1864 году, когда Антонио Пачинотти впервые описал кольцевой якорь (хотя первоначально он задумывался как генератор постоянного тока, то есть динамо-машина). [6] Это представляло собой симметрично сгруппированные катушки, замкнутые сами по себе и подключенные к стержням коммутатора, щетки которого выдавали практически неколеблющийся ток. [23] [24] Первые коммерчески успешные двигатели постоянного тока последовали за разработками Зеноба Грамма , который в 1871 году заново изобрел конструкцию Пачинотти и принял некоторые решения Вернера Сименса .
Польза для машин постоянного тока заключалась в открытии обратимости электрической машины, о которой объявил Сименс в 1867 году и наблюдал Пачинотти в 1869 году. [6] Грамм случайно продемонстрировал это по случаю Всемирной выставки 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. [25]
Барабанный ротор был представлен Фридрихом фон Хефнер-Альтенеком из Siemens & Halske для замены кольцевого якоря Пачинотти в 1872 году, что повысило эффективность машины. [6] В следующем году компания Siemens & Halske представила ламинированный ротор, позволивший снизить потери в железе и увеличить наведенное напряжение. В 1880 году Йонас Венстрем снабдил ротор пазами для размещения обмотки, что еще больше повысило эффективность.
В 1886 году Фрэнк Джулиан Спрэг изобрел первый практический двигатель постоянного тока — искробезопасное устройство, поддерживающее относительно постоянную скорость при переменных нагрузках. Другие электрические изобретения Спрага примерно в это время значительно улучшили распределение электроэнергии в сети (предыдущая работа была проделана во время работы Томасом Эдисоном ), позволили возвращать энергию от электродвигателей в электрическую сеть, обеспечили распределение электроэнергии на троллейбусы через воздушные провода и опору троллейбуса. и предоставил системы управления электрическими операциями. Это позволило Спрэгу использовать электродвигатели для изобретения первой электрической троллейбусной системы в 1887–1888 годах в Ричмонде, штат Вирджиния , электрического лифта и системы управления в 1892 году, а также электрического метро с вагонами с центральным управлением с независимым приводом. Последние были впервые установлены в 1892 году в Чикаго на южной надземной железной дороге , где они стали широко известны как « L ». Двигатель Спрэга и связанные с ним изобретения привели к взрывному росту интереса к использованию электродвигателей в промышленности. Разработка электродвигателей приемлемого КПД была отложена на несколько десятилетий из-за неспособности осознать чрезвычайную важность воздушного зазора между ротором и статором. Эффективные конструкции имеют сравнительно небольшой воздушный зазор. [26] [a] Двигатель Сент-Луиса, долгое время используемый в классах для иллюстрации принципов моторики, неэффективен по той же причине, а также не похож на современный двигатель. [28]
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 может быть оснащена собственным источником питания, что обеспечит удобство управления в точке использования и повысит эффективность передачи энергии. Электродвигатели, применяемые в сельском хозяйстве, лишили людей и животных мускульной силы при выполнении таких задач, как обработка зерна или перекачка воды. Использование электродвигателей в домашних условиях (например, в стиральных и посудомоечных машинах, вентиляторах, кондиционерах и холодильниках (замена холодильников ) сократило тяжелый труд в доме и сделало возможным более высокие стандарты удобства, комфорта и безопасности. Сегодня электродвигатели потребляют более половины электроэнергии, производимой в США. [29]
В 1824 году французский физик Франсуа Араго сформулировал существование вращающихся магнитных полей , названных вращением Араго , которые, вручную включая и выключая переключатели, Уолтер Бейли продемонстрировал в 1879 году как, по сути, первый примитивный асинхронный двигатель . [30] [31] [32] [33] В 1880-х годах многие изобретатели пытались разработать работоспособные двигатели переменного тока [34] , потому что преимущества переменного тока в передаче высокого напряжения на большие расстояния были компенсированы невозможностью управлять двигателями переменного тока.
Первый асинхронный двигатель переменного тока без коллектора был изобретен Галилео Феррарисом в 1885 году. Феррарис смог улучшить свою первую конструкцию, создав более совершенные установки в 1886 году. [35] В 1888 году Королевская академия наук Турина опубликовала исследование Феррариса, подробно описывающее основы работы двигателя, при этом придя к выводу, что «аппарат, основанный на этом принципе, не может иметь никакого коммерческого значения в качестве двигателя». [33] [36] [37]
Возможное промышленное развитие было предвидено Николой Теслой , который самостоятельно изобрел свой асинхронный двигатель в 1887 году и получил патент в мае 1888 года. В том же году Тесла представил AIEE свою статью « Новая система двигателей и трансформаторов переменного тока» , в которой описаны три запатентованных Типы двухфазных четырехполюсных двигателей статора: один с четырехполюсным ротором, образующим несамозапускающийся реактивный двигатель , другой с фазным ротором, образующий самозапускающийся асинхронный двигатель , и третий настоящий синхронный двигатель с отдельно Подача возбужденного постоянного тока на обмотку ротора. Однако в одном из патентов, поданных Теслой в 1887 году, также описывался асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Джордж Вестингауз , который уже приобрел права на Ferrari (1000 долларов США), быстро купил патенты Теслы (60 000 долларов США плюс 2,50 доллара США за проданную л.с., выплачиваемые до 1897 года), [35] нанял Теслу для разработки своих двигателей и поручил К. Ф. Скотту помочь Тесла; однако в 1889 году Тесла ушел ради других занятий . горнодобывающая деятельность в Теллуриде, штат Колорадо, в 1891 году. [42] [43] [44] Компания Westinghouse создала свой первый практический асинхронный двигатель в 1892 году и разработала линейку многофазных асинхронных двигателей с частотой 60 Гц в 1893 году, но эти ранние двигатели Westinghouse были двухфазными. с фазными роторами. Позднее Б. Г. Ламме разработал ротор намотки вращающегося стержня. [38]
Настойчиво продвигая разработку трехфазной технологии, Михаил Доливо-Добровольский в 1889 году изобрел трехфазный асинхронный двигатель обоих типов с короткозамкнутым ротором и фазным ротором с пусковым реостатом, а также трехлинейный трансформатор в 1890 году. После соглашения Между AEG и Maschinenfabrik Oerlikon Доливо-Добровольски и Чарльз Юджин Ланселот Браун разработали более крупные модели, а именно «беличью клетку» мощностью 20 л.с. и роторный ротор мощностью 100 л.с. с пусковым реостатом. Это были первые трехфазные асинхронные двигатели, пригодные для практической эксплуатации. [35] С 1889 года аналогичные разработки трехфазных машин были начаты Венстрёмом. На Франкфуртской международной электротехнической выставке 1891 года была успешно представлена первая трехфазная система дальней связи. Она была рассчитана на напряжение 15 кВ и простиралась на 175 км от водопада Лауффен на реке Неккар. Электростанция Лауффена включала в себя генератор переменного тока мощностью 240 кВт, 86 В, 40 Гц и повышающий трансформатор, а на выставке понижающий трансформатор питал трехфазный асинхронный двигатель мощностью 100 л. источник питания. [35] Трехфазная индукция сейчас используется в подавляющем большинстве коммерческих применений. [45] [46] Михаил Доливо-Добровольский утверждал, что двигатель Теслы непрактичен из-за двухфазных пульсаций, что побудило его упорствовать в своей трехфазной работе. [47]
Компания General Electric начала разработку трехфазных асинхронных двигателей в 1891 году. [38] К 1896 году General Electric и Westinghouse подписали соглашение о взаимном лицензировании конструкции ротора со стержневой обмоткой, позже названного ротором с короткозамкнутым ротором . [38] Усовершенствования асинхронного двигателя, вытекающие из этих изобретений и инноваций, были таковы, что асинхронный двигатель мощностью 100 лошадиных сил в настоящее время имеет те же установочные размеры, что и двигатель мощностью 7,5 лошадиных сил в 1897 году. [38]
В 2022 году объем продаж электродвигателей оценивается в 800 миллионов единиц, ежегодно увеличиваясь на 10%. Электродвигатели потребляют ≈50% мировой электроэнергии. [48] С 1980-х годов доля рынка двигателей постоянного тока сократилась в пользу двигателей переменного тока. [49] : 89 [ нужны разъяснения ]
Электродвигатель состоит из двух механических частей: ротора, который движется, и статора, который неподвижен. Электрически двигатель состоит из двух частей: магнитов возбуждения и якоря, одна из которых прикреплена к ротору, а другая — к статору. Вместе они образуют магнитную цепь . [50] 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 их можно поменять местами.
Ротор — это движущаяся часть, передающая механическую энергию. Ротор обычно содержит проводники, по которым течет ток, на который магнитное поле статора воздействует с силой, вращающей вал. Некоторые роторы оснащены постоянными магнитами. Постоянные магниты обеспечивают высокую эффективность в широком диапазоне рабочих скоростей и мощностей. [51]
Статор окружает ротор и обычно содержит магниты поля, которые представляют собой либо электромагниты (проволочные обмотки вокруг ферромагнитного железного сердечника), либо постоянные магниты . Они создают магнитное поле , которое проходит через якорь ротора, оказывая силу на обмотки ротора. Сердечник статора состоит из множества тонких металлических листов, изолированных друг от друга и называемых пластинами. Эти пластины изготовлены из электротехнической стали , которая имеет заданную магнитную проницаемость, гистерезис и насыщение. Пластины уменьшают потери, которые могут возникнуть в результате наведенных циркулирующих вихревых токов, которые протекали бы, если бы использовался твердый сердечник. Двигатели переменного тока с питанием от сети обычно фиксируют 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 преждевременный выход из строя. Двигатели со смоляным наполнением, используемые в погружных насосах для глубоких скважин, стиральных машинах и кондиционерах, герметизируют статор пластиковой смолой для предотвращения коррозии и/или снижения кондуктивного шума. [52]
Воздушный зазор между статором и ротором позволяет ему вращаться. Ширина зазора оказывает существенное влияние на электрические характеристики двигателя. Обычно его делают как можно меньшим, так как большой зазор снижает производительность. И наоборот, слишком маленькие зазоры могут создавать не только шум, но и трение.
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 ламинированного мягкого железного ферромагнитного сердечника , образующего магнитные полюса при подаче тока.
Электрические машины бывают с явнополюсными и неявнополюсными конфигурациями. В явнополюсном двигателе ферромагнитные сердечники ротора и статора имеют выступы, называемые полюсами, обращенные друг к другу. Провод наматывается вокруг каждого полюса под лицевой стороной полюса, который становится северным или южным полюсом, когда по проводу протекает ток. В неявнополюсном двигателе (с распределенным полем или круглым ротором) ферромагнитный сердечник представляет собой гладкий цилиндр с обмотками, равномерно распределенными в пазах по окружности. Подача переменного тока в обмотки создает полюса в сердечнике, которые постоянно вращаются. [53] Двигатель с заштрихованным полюсом имеет обмотку вокруг части полюса, которая 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 , называемые « щетками », изготовленные из мягкого проводящего материала, такого как уголь, прижимаются к коммутатору. Щетки вступают в скользящий контакт с последовательными сегментами коллектора при вращении ротатора, подавая ток на ротор. Обмотки ротора соединены с сегментами коллектора. Коммутатор меняет направление тока в обмотках ротора с каждым полуоборотом (180°), поэтому крутящий момент, приложенный к ротору, всегда направлен в одном и том же направлении. [54] Без этого реверсирования 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 воспринимает нагрузку. Поскольку силы нагрузки действуют за пределами самой внешней опоры, говорят, что нагрузка находится нависающей. [55]
Ротор поддерживается подшипниками , которые позволяют ротору вращаться вокруг своей оси за счет передачи силы осевых и радиальных нагрузок от вала к корпусу двигателя. [55]
Двигатель постоянного тока обычно питается через коллектор с разъемным кольцом, как описано выше.
Коммутация двигателей переменного тока может осуществляться либо с помощью контактного коллектора, либо с помощью внешней коммутации. Это может быть тип управления с фиксированной или регулируемой скоростью, а также синхронный или асинхронный. Универсальные двигатели могут работать как на переменном, так и на постоянном токе.
Двигатели постоянного тока могут работать с переменной скоростью, регулируя напряжение, подаваемое на клеммы, или используя широтно-импульсную модуляцию (ШИМ).
Двигатели переменного тока, работающие на фиксированной скорости, обычно питаются непосредственно от сети или через устройства плавного пуска двигателя .
Двигатели переменного тока, работающие с переменной скоростью, питаются от различных преобразователей мощности , частотно-регулируемых приводов или электронных коммутаторов.
Термин «электронный коммутатор» обычно ассоциируется с самокоммутируемым бесщеточным двигателем постоянного тока и вентильным реактивным двигателем .
Электродвигатели работают на одном из трех физических принципов: магнетизме , электростатике и пьезоэлектричестве .
В магнитных двигателях магнитные поля образуются как в роторе, так и в статоре. Продукт между этими двумя полями создает силу и, следовательно, крутящий момент на валу двигателя. Одно или оба этих поля изменяются при вращении ротора. Это достигается путем включения и выключения шестов в нужное время или изменения силы шеста.
Двигатели работают либо от постоянного, либо от переменного тока (или от того и другого). [56]
Двигатели переменного тока могут быть как асинхронными, так и синхронными. [57] Синхронные двигатели требуют, чтобы ротор вращался с той же скоростью, что и вращающееся поле статора. Асинхронные роторы ослабляют это ограничение.
Двигатель дробной мощности либо имеет мощность ниже примерно 1 лошадиной силы (0,746 кВт), либо изготавливается с размером корпуса меньше, чем стандартный двигатель 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 противоскользящих системах рекуперации энергии WRIM обычно используется для запуска двигателя, но его можно использовать и для изменения скорости нагрузки.
5. Работа с переменной скоростью.
6. В то время как приводы с асинхронными и синхронными двигателями обычно имеют выходной сигнал либо с шестиступенчатой, либо с синусоидальной формой, приводы с двигателями BLDC обычно имеют форму сигнала тока с трапециевидной формой; Однако поведение как синусоидальных, так и трапециевидных машин с ПМ идентично с точки зрения их фундаментальных аспектов. [68]
7. При работе с переменной скоростью WRIM используется в системах рекуперации энергии скольжения и асинхронных машинах с двойной подачей.
8. Замкнутая обмотка представляет собой короткозамкнутый короткозамкнутый ротор, намотанная обмотка подключается снаружи через контактные кольца.
9. В основном однофазные, иногда трехфазные.
Сокращения:
Большинство двигателей постоянного тока представляют собой небольшие двигатели с постоянными магнитами (ПМ). Они содержат щеточную внутреннюю механическую коммутацию для изменения направления тока обмоток двигателя синхронно с вращением. [69]
Коммутируемый двигатель постоянного тока имеет набор вращающихся обмоток, намотанных на якорь, установленный на вращающемся валу. На валу также находится коммутатор. Таким образом, через обмотки каждого коллекторного двигателя постоянного тока протекает переменный ток. Ток протекает через одну или несколько пар щеток, соприкасающихся с коллектором; щетки подключают внешний источник электроэнергии к вращающемуся якорю.
Вращающийся якорь состоит из одной или нескольких проволочных катушек, намотанных на ламинированный магнитно-мягкий ферромагнитный сердечник. Ток от щеток протекает через коллектор и одну обмотку якоря, делая его временным магнитом (электромагнитом ) . Создаваемое магнитное поле взаимодействует со стационарным магнитным полем, создаваемым либо постоянными магнитами, либо другой обмоткой (катушкой возбуждения), являющейся частью корпуса двигателя. Сила между двумя магнитными полями вращает вал. Коммутатор переключает питание на катушки при вращении ротора, не позволяя полюсам полностью совпадать с магнитными полюсами поля статора, так что ротор продолжает вращаться, пока подается питание.
Многие ограничения классического коллекторного двигателя постоянного тока связаны с необходимостью поддержания контакта с коллектором щетками, создавая трение. Щетки создают искры при пересечении изолирующих зазоров между секциями коллектора. В зависимости от конструкции коммутатора щетки могут создавать короткие замыкания между соседними секциями и, следовательно, концами катушки. Более того, индуктивность катушек ротора приводит к увеличению напряжения на каждой из них, когда ее цепь размыкается, что увеличивает искрение. Это искрообразование ограничивает максимальную скорость машины, поскольку слишком быстрое искрообразование приведет к перегреву, разрушению или даже расплавлению коллектора. Плотность тока на единицу площади щеток в сочетании с их удельным сопротивлением ограничивает мощность двигателя. Пересечение промежутков также создает электрический шум ; искрение генерирует радиочастотные помехи . Щетки со временем изнашиваются и требуют замены, а сам коллектор подлежит износу и обслуживанию или замене. Коллектор в сборе на большом двигателе — дорогостоящий элемент, требующий точной сборки многих деталей. В двигателях небольшой мощности 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 площадь контакта, что максимизирует мощность двигателя, в то время как маленькие щетки имеют малую массу, что позволяет максимально увеличить скорость, с которой двигатель может работать без чрезмерного искрения. (Маленькие щетки желательны из-за их более низкой стоимости.) Более жесткие пружины щеток можно использовать, чтобы заставить щетки заданной массы работать с более высокой скоростью, несмотря на большие потери на трение (меньший КПД) и ускоренный износ щеток и коммутатора. Таким образом, конструкция щеток двигателя постоянного тока предполагает компромисс между выходной мощностью, скоростью и эффективностью/износом.
Машины постоянного тока определяются следующим образом: [70]
Пять типов коллекторных двигателей постоянного тока:
Двигатель с постоянными магнитами (ПМ) не имеет обмотки возбуждения на корпусе статора, вместо этого он полагается на ПМ для создания магнитного поля. Компенсационные обмотки, включенные последовательно с якорем, могут использоваться в двигателях большой мощности для улучшения коммутации под нагрузкой. Это поле является фиксированным и не может быть изменено для управления скоростью. Поля с постоянными магнитами (статоры) удобны в миниатюрных двигателях, поскольку позволяют исключить энергопотребление обмотки возбуждения. Большинство более крупных двигателей постоянного тока относятся к типу «динамо» и имеют обмотки статора. Исторически сложилось так, что ПМ нельзя было заставить сохранять высокий поток, если их разобрать; обмотки возбуждения были более практичными 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, в миниатюрных двигателях с постоянными магнитами могут использоваться высокоэнергетические магниты, изготовленные из неодима ; большинство из них представляют собой сплавы неодим-железо-бор. Благодаря более высокой плотности магнитного потока электрические машины с высокоэнергетическими ПЭУ, по крайней мере, конкурируют со всеми оптимально спроектированными синхронными и асинхронными электрическими машинами с одинарным питанием. Миниатюрные двигатели напоминают конструкцию, показанную на иллюстрации, за исключением того, что они имеют как минимум три полюса ротора (чтобы обеспечить запуск независимо от положения ротора), а их внешний корпус представляет собой стальную трубку, которая магнитно связывает внешние части изогнутых магнитов поля.
Некоторые проблемы коллекторного 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% [71], тогда как коллекторные двигатели постоянного тока обычно имеют КПД 75–80%.
Характерная трапецеидальная форма волны противоэлектродвижущей силы (CEMF) двигателя BLDC частично обусловлена равномерным распределением обмоток статора, а частично - расположением постоянных магнитов ротора. Обмотки статора трапецеидальных двигателей BLDC, также известные как электронно-коммутируемые двигатели постоянного тока или двигатели постоянного тока с вывернутым наружу, могут быть однофазными, двухфазными или трехфазными и использовать датчики Холла, установленные на их обмотках для определения положения ротора и недорогого закрытого типа. -контурное управление коммутатором .
Двигатели BLDC обычно используются там, где необходим точный контроль скорости, например, в компьютерных дисководах или видеомагнитофонах. Шпиндели в дисководах для компакт-дисков, CD-ROM (и т. д.) и механизмы в офисных продуктах, таких как вентиляторы, лазерные принтеры и копировальные аппараты. Они имеют ряд преимуществ перед обычными моторами:
Мощность современных двигателей BLDC варьируется от долей ватта до многих киловатт. В электромобилях используются более крупные двигатели BLDC мощностью примерно до 100 кВт. Они также находят применение в электрических моделях самолетов .
Вентиляционный реактивный двигатель (SRM) не имеет щеток и постоянных магнитов, а в роторе нет электрического тока. Крутящий момент возникает из-за небольшого несоосности полюсов ротора и полюсов статора. Ротор выравнивается с магнитным полем статора, в то время как на обмотки возбуждения статора последовательно подается питание для вращения поля статора.
Магнитный поток, создаваемый обмотками возбуждения, следует по пути наименьшего магнитного поля, направляя поток через полюса ротора, которые находятся ближе всего к полюсам статора, находящимся под напряжением, тем самым намагничивая эти полюса ротора и создавая крутящий момент. Когда ротор вращается, на различные обмотки подается напряжение, поддерживающее вращение ротора.
SRM используются в некоторых приборах [72] и транспортных средствах. [73]
Коммутируемый двигатель с электрическим возбуждением, последовательной или параллельной обмоткой называется универсальным двигателем, поскольку он может быть рассчитан на работу как от переменного, так и от постоянного тока. Универсальный двигатель может хорошо работать от переменного тока, поскольку ток как в обмотках возбуждения, так и в катушках якоря (и, следовательно, в результирующих магнитных полях) синхронно меняет полярность, и, следовательно, результирующая механическая сила возникает в постоянном направлении вращения.
Работая на обычных частотах электросети , универсальные двигатели часто используются в устройствах мощностью менее киловатта. Универсальные двигатели составили основу традиционного железнодорожного тягового двигателя электрических железных дорог . В этом приложении использование мощности переменного тока на двигателе, предназначенном для работы на постоянном токе, приведет к снижению эффективности из-за нагрева вихревыми токами их магнитных компонентов, особенно полюсных наконечников двигателя, в которых для постоянного тока использовались бы твердые (неламинированные) железо. Сейчас они используются редко.
Преимущество заключается в том, что мощность переменного тока может использоваться в двигателях, которые имеют высокий пусковой момент и компактную конструкцию, если используются высокие рабочие скорости. Напротив, затраты на техническое обслуживание выше, а срок службы сокращается. Такие двигатели используются в устройствах, которые не используются интенсивно и имеют высокие требования к пусковому моменту. Множественные нажатия на катушку возбуждения обеспечивают (неточное) ступенчатое управление скоростью. Бытовые блендеры, в которых заявлено множество скоростей, обычно сочетают в себе катушку возбуждения с несколькими отводами и диод, который можно вставить последовательно с двигателем (заставляя двигатель работать от полуволнового выпрямленного переменного тока). Универсальные двигатели также поддаются электронному управлению скоростью и поэтому являются выбором для таких устройств, как бытовые стиральные машины. Двигатель может вращать барабан (как вперед, так и назад), переключая обмотку возбуждения относительно якоря.
В то время как SCIM не может вращать вал быстрее, чем позволяет частота сети, 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 легкий вес. Они также широко используются в портативных электроинструментах, таких как дрели, шлифовальные машины, циркулярные пилы и лобзики, где характеристики двигателя работают хорошо. Частота вращения двигателей многих пылесосов и триммеров превышает 10 000 об/мин , а у миниатюрных измельчителей – 30 000 об/мин .
Асинхронные и синхронные двигатели переменного тока оптимизированы для работы с однофазной или многофазной синусоидальной или квазисинусоидальной формой сигнала, например, подаваемой для приложений с фиксированной скоростью от сети переменного тока или для приложений с регулируемой скоростью от контроллеров частотно-регулируемого привода (ЧРП). .
Асинхронный двигатель — это асинхронный двигатель переменного тока, в котором мощность передается на ротор посредством электромагнитной индукции, подобно действию трансформатора. Асинхронный двигатель напоминает вращающийся трансформатор, поскольку статор (неподвижная часть) по существу 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. Брусья и кольца в целом очень похожи на вращающуюся клетку для упражнений животного .
Токи, индуцированные в этой обмотке, создают магнитное поле ротора. Форма стержней ротора определяет скоростные характеристики. На низких скоростях ток, индуцируемый в «беличьей клетке», имеет почти сетевую частоту и имеет тенденцию оставаться во внешних частях клетки. По мере ускорения двигателя частота скольжения становится ниже, и больший ток достигает внутренней части. Придавая стержням форму, позволяющую изменять сопротивление частей обмотки во внутренней и внешней частях клетки, в цепь ротора эффективно вводится переменное сопротивление. Однако в большинстве таких двигателей используются одинаковые стержни.
В WRIM обмотка ротора состоит из множества витков изолированного провода и соединена с контактными кольцами на валу двигателя. В цепь ротора можно подключить внешний резистор или другое устройство управления. Резисторы позволяют контролировать скорость двигателя, хотя и рассеивают значительную мощность. Преобразователь может питаться от цепи ротора и возвращать мощность скольжения, которая в противном случае была бы потрачена впустую, в энергосистему через инвертор или отдельный двигатель-генератор.
WRIM используются в основном для запуска высокоинерционной нагрузки 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 создавать максимальный крутящий момент при относительно низком токе питания от нулевой скорости до полной скорости.
Скорость двигателя можно изменить, поскольку кривая крутящего момента двигателя эффективно изменяется за счет величины сопротивления, подключенного к цепи ротора. Увеличение сопротивления снижает скорость максимального крутящего момента. Если сопротивление увеличивается за пределы точки, в которой максимальный крутящий момент возникает при нулевой скорости, крутящий момент еще больше уменьшается.
При использовании нагрузки, кривая крутящего момента которой увеличивается с ростом скорости, двигатель работает на скорости, при которой крутящий момент, развиваемый двигателем, равен крутящему моменту нагрузки. Уменьшение нагрузки приводит к увеличению скорости двигателя, тогда как увеличение нагрузки приводит к замедлению двигателя до тех пор, пока нагрузка и крутящий момент двигателя снова не станут равными. При таком режиме потери на скольжение рассеиваются во вторичных резисторах и могут быть значительными. Регулирование скорости и чистая эффективность плохие.
Моментный двигатель может работать неопределенно долго в остановленном состоянии, то есть с блокировкой вращения ротора, не вызывая повреждений. В этом режиме работы двигатель прилагает к нагрузке постоянный крутящий момент.
Обычное применение - двигатели подающей и приемной бобины в ленточном накопителе. В этом приложении, приводимом в действие низким напряжением, характеристики этих двигателей обеспечивают постоянное легкое натяжение ленты независимо от того, протягивает ли ведущий ленту мимо ленточных головок или нет. Приводимые в движение от более высокого напряжения (обеспечивающие более высокий крутящий момент), моментные двигатели могут выполнять ускоренную перемотку вперед и назад, не требуя дополнительных механических устройств, таких как шестерни или сцепления. В мире компьютерных игр моментные двигатели используются в рулевых колесах с силовой обратной связью.
Другое распространенное применение — управление дроссельной заслонкой двигателя внутреннего сгорания с помощью электронного регулятора. Двигатель работает против возвратной пружины, перемещая дроссельную заслонку в соответствии с выходным сигналом регулятора. Последний контролирует обороты двигателя, считая электрические импульсы от системы зажигания или от магнитного датчика и в зависимости от оборотов вносит небольшие корректировки в величину тока. Если двигатель замедляется относительно желаемой скорости, ток увеличивается, создавая больший крутящий момент, натягивая возвратную пружину и открывая дроссельную заслонку. Если двигатель работает слишком быстро, регулятор уменьшает ток, позволяя возвратной пружине отступить и уменьшить дроссельную заслонку.
Синхронный электродвигатель представляет собой двигатель переменного тока. Он включает в себя ротор, вращающийся с катушками, пропускающими магниты с той же частотой, что и переменный ток, и создающий магнитное поле для его приведения в действие. Он имеет нулевое скольжение в типичных условиях эксплуатации. Напротив, асинхронные двигатели должны проскальзывать, 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, предназначенный для низкого крутящего момента нагрузки, имеет плоские поверхности, притертые к обычному короткозамкнутому ротору для создания дискретных полюсов. Еще один, сделанный Хаммондом для часов до Второй мировой войны и для старых органов Хаммонда , не имеет роторных обмоток и отдельных полюсов. Это не самозапуск. Часы требуют ручного запуска с помощью небольшой ручки на задней панели, в то время как более старые органы Hammond имели вспомогательный пусковой двигатель, подключенный к подпружиненному ручному переключателю.
Гистерезисные синхронные двигатели обычно представляют собой (по сути) двухфазные двигатели с фазосдвигающим конденсатором для одной фазы. Они запускаются как асинхронные двигатели, но когда скорость скольжения значительно снижается, ротор (гладкий цилиндр) временно намагничивается. Благодаря распределенным полюсам он действует как синхронный двигатель с постоянными магнитами. Материал ротора, как и материал обычного гвоздя, остается намагниченным, но его можно без труда размагнитить. Во время работы полюса ротора остаются на месте; они не дрейфуют.
Синхронные двигатели малой мощности (например, для традиционных электрических часов) могут иметь многополюсные внешние чашечные роторы с постоянными магнитами и использовать экранирующие катушки для обеспечения пускового крутящего момента. Часовые двигатели Telechron имеют заштрихованные полюса для пускового крутящего момента и двухспицевый кольцевой ротор, который работает как дискретный двухполюсный ротор.
Электродвигатели с двойным питанием имеют два независимых набора многофазных обмоток, которые вносят активную (т. е. рабочую) мощность в процесс преобразования энергии, причем по крайней мере один из наборов обмоток имеет электронное управление для работы с регулируемой скоростью. Два независимых многофазных набора обмоток (т.е. двойной якорь) — это максимум, предусмотренный в одном корпусе без дублирования топологии. Электродвигатели с двойным питанием имеют эффективный диапазон скоростей с постоянным крутящим моментом, который в два раза превышает синхронную скорость для заданной частоты возбуждения. Это в два раза превышает диапазон скоростей с постоянным крутящим моментом по сравнению с электрическими машинами с одинарным питанием, которые имеют только один комплект активных обмоток.
Двигатель с двойным питанием позволяет использовать электронный преобразователь меньшего размера, но стоимость обмотки ротора и контактных колец может свести на нет экономию на компонентах силовой электроники. Трудности касаются контроля скорости вблизи приложений с синхронным ограничением скорости. [74]
Двигатель постоянного тока без сердечника или без железа представляет собой специализированный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами. [69] Ротор оптимизирован для быстрого ускорения и не имеет железного сердечника. Ротор может иметь форму заполненного обмоткой цилиндра или самонесущей конструкции, состоящей только из проволоки и связующего материала. Ротор может поместиться внутри магнитов статора; магнитомягкий неподвижный цилиндр внутри ротора обеспечивает обратный путь магнитного потока статора. Вторая конструкция имеет корзину обмотки ротора, окружающую магниты статора. В этой конструкции ротор помещается внутри магнитно-мягкого цилиндра, который может служить корпусом двигателя и обеспечивает путь возврата 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 в обмотках используется алюминий, а не (более тяжелая) медь. Ротор не имеет металлической массы, которая могла бы выступать в качестве теплоотвода; даже небольшие двигатели необходимо охлаждать. Перегрев может стать проблемой для этих конструкций.
Вибрационный сигнал сотовых телефонов может генерироваться цилиндрическими двигателями с постоянными магнитами или дискообразными двигателями с тонким многополярным дисковым полевым магнитом и намеренно несбалансированной конструкцией ротора из формованного пластика с двумя связанными катушками без сердечника. Металлические щетки и плоский коммутатор передают питание на катушки ротора.
Соответствующие приводы с ограниченным ходом не имеют сердечника и имеют связанную катушку, расположенную между полюсами тонких постоянных магнитов с высоким магнитным потоком. Это быстрые позиционеры головок для жестких дисков («жестких дисков»). Хотя современная конструкция значительно отличается от конструкции громкоговорителей, ее до сих пор условно (и неправильно) называют структурой «звуковой катушки», поскольку головки некоторых более ранних жестких дисков двигались по прямым линиям и имели структуру привода, очень похожую на это громкоговоритель.
Печатный якорь или двигатель-блинчик имеет обмотки в форме диска, расположенные между массивами магнитов с высоким магнитным потоком. Магниты расположены по кругу, обращенному к ротору, и расположены на расстоянии, образующем осевой воздушный зазор. [75] Эта конструкция широко известна как блинный двигатель из-за ее плоского профиля.
Якорь (первоначально сформированный на печатной плате) изготовлен из перфорированных медных листов, которые ламинированы вместе с использованием современных композитов, образуя тонкий жесткий диск. 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 систем электрической заливки эпоксидной смолой. Это наполненные эпоксидные смолы, которые имеют умеренную, смешанную вязкость и длительное время гелеобразования. Они отличаются низкой усадкой и низкой экзотермичностью и обычно соответствуют стандарту UL 1446 как герметизирующий состав с изоляцией, рассчитанной на температуру 180 °C (356 °F), класс 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 лишен железа, хотя железные роторы ламинированы. Это может значительно повысить эффективность, но контроллеры с регулируемой скоростью должны использовать более высокую скорость переключения (> 40 кГц) или постоянный ток из-за снижения электромагнитной индукции .
Эти двигатели были изобретены для привода шпилей приводов на магнитной ленте, где минимальное время достижения рабочей скорости и минимальный тормозной путь были критическими. Двигатели Pancake широко используются в высокопроизводительных сервоуправляемых системах, робототехнических системах, промышленной автоматизации и медицинских устройствах. Благодаря разнообразию доступных сейчас конструкций, эта технология используется в различных применениях: от высокотемпературных военных систем до недорогих насосов и базовых сервоприводов.
Другой подход (Magnax) заключается в использовании одного статора, расположенного между двумя роторами. Одна из таких конструкций обеспечивает пиковую мощность 15 кВт/кг, устойчивую мощность около 7,5 кВт/кг. Этот двигатель с осевым магнитным потоком без ярма обеспечивает более короткий путь магнитного потока, удерживая магниты дальше от оси. Конструкция допускает нулевой вылет обмотки; 100 процентов обмоток активны. Это усиливается за счет использования медного провода прямоугольного сечения. Двигатели могут быть сложены для параллельной работы. Нестабильность сводится к минимуму за счет того, что два диска ротора воздействуют на диск статора равными и противоположными силами. Роторы соединены напрямую друг с другом через кольцо вала, компенсируя магнитные силы. [76]
Серводвигатель — это двигатель , который используется в системе обратной связи управления положением или скоростью. Серводвигатели используются в таких приложениях, как станки, перьевые плоттеры и другие технологические системы. Двигатели, предназначенные для использования в сервомеханизмах, должны иметь предсказуемые характеристики по скорости, крутящему моменту и мощности. Кривая скорость/крутящий момент важна и имеет высокое соотношение для серводвигателя. Важны характеристики динамического отклика, такие как индуктивность обмотки и инерция ротора; эти факторы ограничивают производительность. Большие, мощные, но медленно реагирующие сервоконтуры могут использовать обычные двигатели переменного или постоянного тока и системы привода 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 имеют тенденцию отдавать предпочтение подходам синхронного привода с постоянными магнитами, BLDC, индукции и SRM. [75]
Сервосистема отличается от некоторых приложений с шаговыми двигателями тем, что обратная связь по положению является постоянной во время работы двигателя. Шаговая система по своей сути работает с разомкнутым контуром, полагаясь на то, что двигатель не «пропускает шаги» для кратковременной точности, с любой обратной связью, такой как «исходный» переключатель или энкодер положения, внешний по отношению к системе двигателя. [77]
Шаговые двигатели обычно используются для обеспечения точного вращения. Внутренний ротор, содержащий постоянные магниты, или магнитомягкий ротор с явнополюсными полюсами управляется набором внешних магнитов с электронным управлением. Шаговый двигатель также можно рассматривать как нечто среднее между электродвигателем постоянного тока и вращающимся соленоидом. Поскольку на каждую катушку по очереди подается напряжение, ротор выравнивается по магнитному полю, создаваемому обмоткой возбуждения, находящейся под напряжением. В отличие от синхронного двигателя, шаговый двигатель не может вращаться непрерывно; вместо этого он движется поэтапно — начиная и затем останавливаясь — переходя из одного положения в другое, поскольку обмотки возбуждения последовательно включаются и обесточиваются. В зависимости от последовательности ротор может вращаться вперед или назад, а также менять направление, останавливаться, ускоряться или замедляться в любой момент.
Простые драйверы шаговых двигателей полностью подают или полностью обесточивают обмотки возбуждения, приводя ротор к «зубцу» в ограниченном количестве положений. Микрошаговые драйверы могут пропорционально управлять мощностью, подаваемой на обмотки возбуждения, позволяя роторам располагаться между зубчатыми точками и плавно вращаться. Шаговые двигатели с компьютерным управлением являются одной из наиболее универсальных систем позиционирования, особенно как часть цифровой системы сервоуправления .
Шаговые двигатели можно легко поворачивать на определенный угол дискретными шагами, и, следовательно, шаговые двигатели использовались для позиционирования головок 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 этом отношении является историческим; он относится к конструкции громкоговорителя конического типа .)
Шаговые двигатели часто используются в компьютерных принтерах, оптических сканерах и цифровых копировальных 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; у них одна катушка, они потребляют мало энергии и имеют ротор с постоянным магнитом. Тот же тип двигателя приводит в движение кварцевые часы с батарейным питанием. Некоторые из этих часов, например хронографы , содержат более одного шагового двигателя.
Тесно связанные по конструкции с синхронными двигателями трехфазного переменного тока, шаговые двигатели и SRM классифицируются как двигатели с переменным сопротивлением. [78]
Линейный двигатель — это, по сути, любой электродвигатель, который был «развернут» так, что вместо создания крутящего момента (вращения) он создавал прямолинейную силу по своей длине.
Линейные двигатели чаще всего представляют собой асинхронные двигатели или шаговые двигатели. Линейные двигатели обычно используются в американских горках, где быстрое движение безмоторного вагона контролируется рельсом. Их также используют в поездах на магнитной подвеске , где поезд «летит» над землей. В меньшем масштабе перьевой плоттер HP 7225A 1978 года использовал два линейных шаговых двигателя для перемещения пера по осям X и Y. [79]
Электростатический двигатель основан на притяжении и отталкивании электрического заряда. Обычно электростатические двигатели представляют собой двойную версию обычных двигателей с катушкой. Обычно им требуется источник питания высокого напряжения, хотя в небольших двигателях используется более низкое напряжение. Вместо этого обычные электродвигатели используют магнитное притяжение и отталкивание и требуют большого тока при низких напряжениях. В 1750-х годах первые электростатические двигатели были разработаны Бенджамином Франклином и Эндрю Гордоном. Электростатические двигатели часто используются в микроэлектромеханических системах ( МЭМС ), где напряжение их привода ниже 100 В и где движущиеся заряженные пластины изготовить гораздо проще, чем катушки и железные сердечники. Молекулярный механизм, управляющий живыми клетками, часто основан на линейных и вращательных электростатических двигателях. [ нужна цитата ]
Пьезоэлектрический двигатель или пьезодвигатель — это тип электродвигателя, основанный на изменении формы пьезоэлектрического материала при приложении электрического поля . Пьезоэлектрические двигатели используют обратный пьезоэлектрический эффект, при котором материал создает акустические или ультразвуковые колебания для создания линейного или вращательного движения. [80] В одном механизме удлинение в одной плоскости используется для выполнения серии растягиваний и удержаний положения, аналогично тому, как движется гусеница. [81]
Двигательная система космического корабля с электрическим приводом использует технологию электродвигателей для движения космического корабля в космическом пространстве. Большинство систем основано на электрическом ускорении топлива до высокой скорости, тогда как некоторые системы основаны на принципах электродинамических привязей движения к магнитосфере . [82]
Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию 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, длина которого перпендикулярна магнитному полю, можно рассчитать с помощью закона силы Лоренца :
Примечание. X обозначает векторное векторное произведение .
В наиболее общих подходах к расчету сил в двигателях используется тензорная запись. [93]
Выходная мощность электродвигателя определяется как
В британских единицах измерения выходная механическая мощность двигателя определяется по формуле [94]
где:
В асинхронном или асинхронном двигателе взаимосвязь [ нужна ссылка ] между скоростью двигателя и мощностью воздушного зазора [ необходимы пояснения ] определяется следующим образом:
Движение обмоток якоря двигателя постоянного тока или универсального двигателя посредством магнитного поля наводит в них напряжение. Это напряжение имеет тенденцию противодействовать напряжению питания двигателя и поэтому называется « обратной электродвижущей силой (ЭДС) ». Напряжение пропорционально скорости вращения двигателя. Противо-ЭДС двигателя плюс падение напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки и щетках должны равняться напряжению на щетках. Это обеспечивает фундаментальный механизм регулирования скорости в двигателе постоянного тока. Если механическая нагрузка увеличивается, двигатель замедляется; В результате снижается обратная ЭДС, и из источника питания потребляется больше тока. Этот увеличенный ток обеспечивает дополнительный крутящий момент для балансировки нагрузки. [95]
В машинах переменного тока иногда полезно учитывать источник обратной ЭДС внутри машины; это вызывает особую озабоченность при точном регулировании скорости асинхронных двигателей с ЧРП. [95]
Потери двигателя происходят главным образом из-за резистивных потерь в обмотках, потерь в сердечнике и механических потерь в подшипниках, а также возникают аэродинамические потери, особенно при наличии охлаждающих вентиляторов.
Потери возникают также при коммутации, механические коммутаторы искрят; электронные коммутаторы, а также рассеивают тепло.
Для расчета эффективности двигателя механическая выходная мощность делится на входную электрическую мощность:
где – эффективность преобразования энергии , – входная электрическая мощность и – выходная механическая мощность:
где – входное напряжение, – входной ток, – выходной крутящий момент и – выходная угловая скорость. Точку максимальной эффективности можно вывести аналитически. Обычно он составляет менее 1/2 крутящего момента срыва . [ нужна цитата ]
Различные национальные регулирующие органы приняли законы, поощряющие производство и использование двигателей с более высоким КПД. КПД электродвигателей варьируется от 15% до 20% для двигателей с экранированными полюсами, до 98% для двигателей с постоянными магнитами, [96] [97] [98] при этом КПД также зависит от нагрузки. Пиковый КПД обычно составляет 75% от номинальной нагрузки. Так (как пример) мотор мощностью 10 л.с. наиболее эффективен при движении груза, требующего мощности 7,5 л.с. [99] Эффективность также зависит от размера двигателя; более крупные двигатели, как правило, более эффективны. [100] Некоторые двигатели не могут работать непрерывно более определенного периода времени (например, более часа за один цикл) [101]
Эрик Лэйтуэйт [102] предложил метрику для определения «качественности» электродвигателя: [103]
Где:
Исходя 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 за счет векторного произведения взаимодействующих полей. Расчет крутящего момента требует знания полей в воздушном зазоре. Как только они установлены, крутящий момент представляет собой интеграл всех векторов силы, умноженный на радиус вектора. Ток, текущий в обмотке, создает поля. Для двигателя, использующего магнитный материал, поле не пропорционально току.
Показатель, связывающий ток с крутящим моментом, может помочь при выборе двигателя. Максимальный крутящий момент двигателя зависит от максимального тока, без учета тепловых соображений.
При оптимальной конструкции с заданным ограничением насыщения сердечника и заданным активным током (т. е. крутящим током), напряжением, числом пар полюсов, частотой возбуждения (т. е. синхронной скоростью) и плотностью потока в воздушном зазоре все категории электродвигателей Генераторы / генераторы демонстрируют практически одинаковый максимальный непрерывный крутящий момент вала (т. е. рабочий крутящий момент) в пределах заданной площади воздушного зазора с пазами обмотки и глубиной подкладки, которая определяет физический размер электромагнитного сердечника. В некоторых приложениях требуется увеличение крутящего момента сверх максимального, например, для ускорения электромобиля с места. Всегда ограниченная насыщением магнитного сердечника или безопасным повышением рабочей температуры и напряжения, способность к превышению максимального крутящего момента существенно различается в зависимости от типа двигателя/генератора.
Электрические машины без топологии трансформаторной схемы, такие как WRSM или PMSM, не могут обеспечить скачки крутящего момента без насыщения магнитного сердечника. В этот момент дополнительный ток не может увеличить крутящий момент. Более того, сборка постоянных магнитов СДСМ может быть необратимо повреждена.
Электрические машины с топологией трансформаторной схемы, такие как асинхронные машины, индукционные электрические машины с двойным питанием, а также машины с асинхронным или синхронным ротором с двойным питанием (WRDF), допускают скачки крутящего момента, поскольку активный ток, индуцированный ЭДС, по обе стороны от Трансформаторы противостоят друг другу и, таким образом, не вносят никакого вклада в плотность потока магнитного сердечника, связанного с трансформатором, избегая насыщения сердечника.
Электрические машины, работающие на индукционном или асинхронном принципе, 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. Реализуемы скачки крутящего момента в два-три раза превышающие максимальный расчетный.
Бесщеточная синхронная машина с двойным питанием и фазным ротором (BWRSDF) является единственной электрической машиной с действительно двухпортовой топологией трансформаторной схемы (т. е. оба порта независимо возбуждаются без короткозамкнутого порта). [104] Топология схемы двухпортового трансформатора, как известно, нестабильна и требует многофазного узла контактного кольца и щетки для передачи ограниченной мощности на набор обмоток ротора. Если бы были доступны прецизионные средства для мгновенного управления углом крутящего момента и скольжения для синхронной работы во время работы, одновременно обеспечивая бесщеточную мощность комплекта обмотки ротора, активный ток машины BWRSDF был бы независим от реактивного сопротивления цепи трансформатора и всплесков напряжения. крутящий момент, значительно превышающий максимальный рабочий крутящий момент и далеко превосходящий практические возможности любого другого типа электрической машины. Были рассчитаны скачки крутящего момента, превышающие рабочий крутящий момент более чем в восемь раз.
Плотность непрерывного крутящего момента обычных электрических машин определяется размером площади воздушного зазора и глубиной заднего железа, которые определяются номинальной мощностью набора обмоток якоря, скоростью машины и достижимым воздушным потоком. плотность потока в зазоре до насыщения сердечника. Несмотря на высокую коэрцитивную силу неодимовых или самарий -кобальтовых постоянных магнитов, постоянная плотность крутящего момента практически одинакова среди электрических машин с оптимально спроектированными наборами обмоток якоря. Плотность непрерывного крутящего момента зависит от способа охлаждения и допустимого периода эксплуатации до разрушения из-за перегрева обмоток или повреждения постоянных магнитов.
Другие источники утверждают, что различные топологии электронных машин имеют разную плотность крутящего момента. Один источник показывает следующее: [105]
где – удельная плотность крутящего момента нормирована на 1,0 для поверхностного постоянного магнита (СПМ) – бесщеточный переменный ток, проводимость тока 180°.
Плотность крутящего момента примерно в четыре раза выше для двигателей с жидкостным охлаждением по сравнению с двигателями с воздушным охлаждением.
Источник, сравнивающий двигатели постоянного тока, асинхронные двигатели (IM), PMSM и SRM, показал: [106]
Другой источник отмечает, что СДСМ мощностью до 1 МВт имеют значительно большую плотность крутящего момента, чем асинхронные машины. [107]
Постоянная плотность мощности определяется произведением постоянной плотности крутящего момента и диапазона скорости постоянного крутящего момента. Электродвигатели могут достигать плотности до 20 кВт/кг, что означает выходную мощность 20 киловатт на килограмм. [108]
Акустический шум и вибрации обычно классифицируют по трем источникам:
Последний источник, который может быть ответственным за «воющий шум» электродвигателей, называется электромагнитно-индуцированным акустическим шумом .
Ниже приведены основные стандарты проектирования, производства и испытаний электродвигателей:
