Электродвигатель это: типы, устройство, принцип работы, параметры, производители

Когда механизм соединяется с источником питания, на обмотке возникает магнитное поле, которое и вращает ротор в статоре. Это происходит по закону Ампера. Ведь создается отталкивающая сила, способная вращать вал и приводить в движение другие детали. Частота оборотов ротора напрямую зависит от частоты приходящего на витки электричества, а также от количества пар магнитных полюсов. Кстати, название данной разновидности пошло от того факта, что скорость вращения ротора различалась с частотой оборотов магнитного поля, то есть эти показатели были асинхронными.

Синхронные же двигатели немного отличаются строением ротора. В таком типе электродвигателей, ротор играет роль магнита, который и создает поле для вращения. Здесь магнитное поле статора и сам ротор вращаются с одинаковой частотой. Но есть один, очень значимый минус. Чтобы запустить синхронный электродвигатель, нужно воспользоваться помощью асинхронного. Ведь после простого подключения механизма к сети, ничего не произойдет.

К этому недостатку можно прибавить низкую скорость оборотов. К примеру, если взять асинхронный и синхронный двигатели и подключить их к источнику электричества одинакового напряжения, то первый тип будет вращаться заметно быстрее второго.

Они имеют множество неоспоримых преимуществ и особенностей, что делают механизм уникальным и незаменимым. В современном мире данный тип двигателя широко используется практически во всех сферах жизнедеятельности человека. Приобрести электродвигатели можно в каталоге электродвигателей аир.

Применение электрических двигателей начинается от небольших игрушек, и заканчивается большими предприятиями и народными хозяйствами. С помощью этого механизма стало возможно поднимать и передвигать огромные предметы.

Если коротко резюмировать данную статью, то хочется еще раз подчеркнуть значимость таких двигателей в жизни человека. Без них, многие сферы просто не смогли бы нормально функционировать и развиваться. Поэтому нужно тщательно подходить к выбору электродвигателя, ведь его поломка чревата остановкой производства или другого важного процесса, что повлечет за собой материальные и нематериальные убытки. Быстро подобрать необходимый мотор помогут наши специалисты.

Строение электродвигателя и его особенности

Электродвигатель – это устройство, назначение которого преобразовывать энергию электрическую в энергию механическую. Его главными элементами, которые помогают выполнять данное условие, являются ротор и статор. При этом, ротор – это вращающийся компонент двигателя, в то время как статор находится в неподвижном состоянии. Благодаря подаваемому напряжению возникает электромагнитное поле, которое и вращает ротор, выполняя механические действия. В зависимости о того, какие принципы используются в устройстве электродвигателей, их различают по следующим параметрам:

1. По типу питания:
   • Электродвигатели постоянного тока, работающие от блоков питания, аккумуляторных батарей и прочих источников;
   • Электродвигатели переменного тока, работающие от электрических сетей.
2. По принципу работы:

• Синхронные, состоящие из обмоток на роторе и щёточного механизма, предназначенного для подачи электрического тока на эти же обмотки;
• Асинхронные двигатели, не имеющие на роторе ни щёток, ни обмоток. Скорость вращения такого мотора медленнее, чем у созданного магнитного поля статора, что отличается от синхронных.

На сегодняшний день, любой каталог электродвигателей имеет в своём наборе больше агрегатов асинхронного действия. В корпусе такого двигателя установлены обмотки статора, создающие при вращении магнитное поле. Для охлаждения такой системы используется вентилятор, устанавливаемый на конце вала электродвигателя. При этом понятно, что вал и ротор являются одним целым. Изготовляется он из металлических, замкнутых между собой с обеих сторон стержней. Такая конструкция считается самой долговечной, надёжной и безотказной. Поэтому, если поломки и возникают, то это получается не из-за износа стержней, а через короткие замыкания либо износ подшипников.

Если же необходимо вращение в постоянной скорости с возможностью её регулировки, особенно в бытовых условиях, используют синхронный электродвигатель, работающий на переменном токе. Этот тип двигателя, не превосходит асинхронный в системе защиты от перепадов напряжения, коротких замыканий и прочих воздействий, поэтому, применяемая система плавного пуска электродвигателя здесь будет так же обязательным условием. Состоит синхронный двигатель из следующих элементов:

• металлический корпус;
• обмотки полюса;
• ротор или якорь, на котором имеются обмотки;
• коллектор или токосъёмное кольцо, к которым припаяны выводы с упомянутых выше обмоток;
• графитовые стержни, передающие напряжение на коллектор.

В процессе работы синхронного двигателя между потоком магнитных полей в обмотке возбуждения и током ротора возникает взаимодействие, которое создаёт вращающий момент. Если выполнять смену направления тока, будет выполняться и смена направления магнитных потоков. Это явление будет поддерживать вращение вала в одном и том же направлении. Для смены скорости таких двигателей, прежде всего, используют метод изменения напряжения, подаваемого в определённой величине на электродвигатель. Благодаря видоизменениям конструкций и мощностным показателям, двигатели переменного тока представлены к продаже в самом разнообразном модельном ряде, позволяющим использовать приводы не только в промышленных целях, но и бытовых, сельскохозяйственных и многих прочих.

Остались вопросы?
Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы:
8-800-700-11-54 (8-18, Пн-Вт)

Электродвигатель. Виды и применение. Работа и устройство

Электродвигатель представляет электромашину, перестраивающую электрическую энергию в механическую. Обычно электрическая машина реализует механическую работу благодаря потреблению приложенной к ней электроэнергии, преобразовывающейся во вращательное движение. Ещё в технике есть линейные двигатели, способные создавать сразу поступательное движение рабочего органа.

Особенности конструкции и принцип действия

Не важно какое конструктивное исполнение, но устройство любых электродвигателей однотипное. Ротор и статор находятся внутри цилиндрической проточки. Вращение ротора возбуждают магнитное поле, отталкивающее его полюса от статора (неподвижной обмотки). Сохранять постоянное отталкивание можно путём перекоммутации обмоток ротора, или образовав вращающееся магнитное поле непосредственно в статоре. Первый способ присущий коллекторным электродвигателям, а второй — асинхронным трехфазным.

Корпус любых электродвигателей обычно чугунный или выполнен из сплава алюминия. Однотипные двигатели, не смотря на конструкцию корпуса производятся с одинаковыми установочными размерами и электрическими параметрами.

Работа электродвигателя базируется на принципах электромагнитной индукции. Магнитная и электрическая энергия создают электродвижущуюся силу в замкнутом контуре, проводящем ток. Это свойство заложено в работу любой электромашины.

На движущийся электроток в середине магнитного поля постоянно воздействует механическая сила, стремительно пытающаяся отклонить направление зарядов в перпендикулярной силовым магнитным линиям плоскости. Во время прохождения электротока по металлическому проводнику либо катушке, механическая сила норовит подвинуть или развернуть всю обмотку и каждый проводник тока.

Электрические машины имеют много функций, они способны усиливать мощность электрических сигналов, преобразовывать величины напряжения либо переменный ток в постоянный и др. Для выполнения таких разных действий существуют многообразные типы электромашин. Двигатель представлят тип электрических машин, рассчитанных для преобразования энергии. А именно, этот вид устройств превращает электроэнергию в двигательную силу или механическую работу.

Он пользуется большим спросом во многих отраслях. Их широко используется в промышленности, на станках различного предназначения и в других установках. В машиностроении, к примеру, землеройных, грузоподъёмных машинах. Также они распространены в сферах народного хозяйства и бытовых приборах.

Электродвигатель, является разновидностью электромашин по:

• Специфике, создающегося вращательного момента:
  — гистерезисные;
  — магнитоэлектрические.
• Строению крепления:
  — с горизонтальным расположением вала;
  — с вертикальным размещением вала.
• Защите от действий внешней среды:
  — защищённые;
  — закрытые;
  — взрывонепроницаемые.

В гистерезисных устройствах вращающий момент образуется путём перемагничивания ротора или гистерезиса (насыщения). Эти двигатели мало эксплуатируются в промышленности и не считаются традиционными. Востребованными являются магнитоэлектрические двигатели. Существует много модификаций этих двигателей.

Их разделяют на большие группы по типу протекающего тока:

• Постоянного тока.
• Переменного тока.
• Универсальные двигатели (работают на постоянном переменном токе).

С помощью двигателей постоянного тока создают регулируемые электрические приводы с высокими эксплуатационными и динамическими показателями.

Типы электродвигателей:

• С электромагнитами.
• С постоянными магнитами.

Группа электродвигателей, питание которых выполняется постоянным током, подразделяется на подвиды:

• Коллекторные. В этих электроприборах присутствует щёточно-коллекторный узел, обеспечивающий электрическое соединение неподвижной и вращающейся части двигателя. Устройства бывают с самовозбуждением и независимым возбуждением от постоянных магнитов и электромагнитов.
• Выделяют следующие виды самовозбуждения двигателей:
  — параллельное;
  — последовательное;
  — смешанное.
• Коллекторные устройства имеют несколько минусов:
  — низкая надёжность приборов;
  — щёточно-коллекторный узел довольно сложная в обслуживании составляющая часть магнитоэлектрического двигателя.
• Безколлекторные (вентильные). Это двигатели с замкнутой системой, работающие по аналогичному принципу работы синхронных устройств. Оснащены датчиком положения ротора, преобразователем координат, а также инвертором силовым полупроводниковым преобразователем.

Эти машины выпускаются различных размеров от самых маленьких низковольтных до громадных размеров (в основном до мегаватта). Миниатюрными электродвигателями оснащены компьютеры, телефоны, игрушки, аккумуляторные электроинструменты и т.п.

Электромашины постоянного тока применяют в разных областях. Ими комплектуют подъёмно-транспортные, красочно-отделочные производственные машины, а также полимерное, бумажное производственное оборудование и т.д. Часто электрический двигатель этого типа встраивают в буровые установки, вспомогательные агрегаты экскаваторов и другие виды электротранспорта.

Преимущества электрических двигателей:

• Лёгкость в управлении и регулировании частоты вращения.
• Простота конструкции.
• Отменные пусковые свойства.
• Компактность.
• Возможность эксплуатации в разных режимах (двигательном и генераторном).

Минусы двигателей:

• Коллекторные двигатели требуют трудное профилактическое обслуживание щёточно-коллекторных узлов.
• Дороговизна производства.
• Коллекторные устройства имеют не большой срок службы из-за изнашивания самого коллектора.

В электродвигателях переменного тока электроток описывается по синусоидальному гармоническому закону, периодично меняющему свой знак (направление).

Статор этих устройств изготавливают из ферромагнитных пластинок, имеющих пазы для помещения в них витков обмотки с конфигурацией катушки.

Электродвигатели по принципу работы бывают синхронными и асинхронными. Главным их отличием является то, что скорость магнитодвижущей силы статора в синхронных приборах равна скорости вращения ротора, а в асинхронных двигателях эти скорости не совпадают, обычно ротор вращается медленнее поля.

Из-за одинакового (синхронного) вращения ротора с магнитным полем, аппараты именуют синхронными электродвигателями. Их подразделяют на подвиды:

• Реактивный.
• Шаговый.
• Реактивно-гистерезисный.
• С постоянными магнитами.
• С обмотками возбуждения.
• Вентильный реактивный.
• Гибридно-реактивный синхронный двигатель.

Большая часть компьютерной техники оснащена шаговыми электродвигателями. Преобразование энергии в этих устройствах основано на дискретно угловом передвижении ротора. Шаговый  электродвигатель имеет высокую продуктивность, независящую от их мизерных размеров.

Достоинства синхронных двигателей:

• Стабильность частоты вращения, что не зависит от механических нагрузок на валу.
• Низкая чувствительность к скачкам напряжения.
• Могут выступать в роли генератора мощности.
• Снижают потребление мощности, предоставляемой электростанциями.

Недостатки в синхронных устройствах:

• Сложности с запуском.
• Сложность конструкции.
• Затруднения в регулировки частоты вращения.

Недостатки синхронного двигателя, делают более выгодным для использования электродвигатель асинхронного типа. Тем не менее, большинство синхронных двигателей из-за их работы с постоянной скоростью востребованы для установок в компрессоры, генераторы, насосы, а также крупные вентиляторы и пр. оборудование.

Статор асинхронных двигателей представляет распределённую двухфазную, трехфазную, реже многофазную обмотку. Ротор выполняют в виде цилиндра, используя медь, алюминий либо металл. В его пазы залиты либо запрессованные токопроводящие жилы к оси вращения под определённым углом. Они соединяются в одно целое на торцах ротора. Противоток возбуждается в роторе от переменного магнитного поля статора.

По конструктивным особенностям выделяют два вида асинхронных двигателей:

• С фазным ротором.
• С короткозамкнутым ротором.

В остальном конструкция приборов не имеет отличий, статор у них абсолютно одинаковый. По числу обмоток выделяют такие электродвигатели:

• Однофазные. Этот тип двигателей самостоятельно не запускается, ему требуется стартовый толчок. Для этого применяется пусковая обмотка либо фазосдвигающая цепь. Также приборы запускаются вручную.
• Двухфазные. В этих устройствах присутствуют две обмотки со смещёнными на угол фазами. В приборе возникает вращающееся магнитное поле, напряженность которого в полюсах одной обмотки нарастает и синхронно спадает в другой.
  Двухфазный электродвигатель может самостоятельно запускаться, но с реверсом присутствуют сложности. Часто этот тип устройств подключают к однофазным сетям, включая вторую фазу через конденсатор.
• Трехфазные. Достоинством этих типов электродвигателей является легкий реверс. Основные части двигателя – это статор с тремя обмотками и ротор. Позволяет плавно регулировать скорость ротора. Эти приборы довольно востребованы в промышленности и технике.
• Многофазные. Состоят эти устройства из встроенной многофазной обмотки в пазах статора на его внутренней поверхности. Эти двигатели гарантируют высокую надёжность при эксплуатации и считаются усовершенствованными моделями двигателей.

Асинхронные электрические двигатели значительно облегчают работу людей, поэтому они незаменимы во многих сферах.

Достоинствами этих приборов, которые сыграли роль в их популярности, являются следующие моменты:

• Простота производства.
• Высокая надёжность.
• Не нуждаются в преобразователях для включения в сеть.
• Небольшие расходы при эксплуатации.

Ко всему этому, можно добавить относительную стоимость асинхронных приборов. Но они также имеют и недостатки:

• Невысокий коэффициент мощности.
• Трудность в точной регулировке скорости.
• Маленький пусковой момент.
• Зависимость от напряжения сети.

Но благодаря питанию электродвигателя с помощью частотного преобразователя, некоторые недостатки устройств устраняются. Поэтому потребность асинхронных моторов не падает. Их применяют в приводах разных станков в областях металлообработки, деревообработки и пр. В них нуждаются ткацкие, швейные, землеройные, грузоподъёмные и другие виды машин, а также вентиляторы, насосы, центрифуги, разные электроинструменты и бытовые приборы.

Похожие темы:

Что такое электродвигатель?

какие они бывают / Блог компании НПФ ВЕКТОР / Хабр

В прошлых статьях был рассмотрен принцип работы синхронного и асинхронного электродвигателей, а также рассказано, как ими управлять. Но видов электродвигателей существует гораздо больше! И у каждого из них свои свойства, область применения и особенности.

В этой статье будет небольшой обзор по разным типам электродвигателей с фотографиями и примерами применений. Почему в пылесос ставятся одни двигатели, а в вентилятор вытяжки другие? Какие двигатели стоят в сегвее? А какие двигают поезд метро?

Каждый электродвигатель обладает некоторыми отличительными свойствами, которые обуславливают его область применения, в которой он наиболее выгоден. Синхронные, асинхронные, постоянного тока, коллекторные, бесколлекторные, вентильно-индукторные, шаговые… Почему бы, как в случае с двигателями внутреннего сгорания, не изобрести пару типов, довести их до совершенства и ставить их и только их во все применения? Давайте пройдемся по всем типам электродвигателей, а в конце обсудим, зачем же их столько и какой двигатель «самый лучший».

С этим двигателем все должны быть знакомы с детства, потому что именно этот тип двигателя стоит в большинстве старых игрушек. Батарейка, два проводка на контакты и звук знакомого жужжания, вдохновляющего на дальнейшие конструкторские подвиги. Все ведь так делали? Надеюсь. Иначе эта статья, скорее всего, не будет вам интересна. Внутри такого двигателя на валу установлен контактный узел – коллектор, переключающий обмотки на роторе в зависимости от положения ротора. Постоянный ток, подводимый к двигателю, протекает то по одним, то по другим частям обмотки, создавая вращающий момент. Кстати, не уходя далеко, всех ведь, наверное, интересовало – что за желтые штучки стояли на некоторых ДПТ из игрушек, прямо на контактах (как на фото сверху)? Это конденсаторы – при работе коллектора из-за коммутаций потребление тока импульсное, напряжение может также меняться скачками, из-за чего двигатель создает много помех. Они особенно мешают, если ДПТ установлен в радиоуправляемой игрушке. Конденсаторы как раз гасят такие высокочастотные пульсации и, соответственно, убирают помехи.

Двигатели постоянного тока бывают как очень маленького размера («вибра» в телефоне), так и довольно большого – обычно до мегаватта. Например, на фото ниже показан тяговый электродвигатель электровоза мощностью 810кВт и напряжением 1500В.

Почему ДПТ не делают мощнее? Главная проблема всех ДПТ, а в особенности ДПТ большой мощности – это коллекторный узел. Скользящий контакт сам по себе является не очень хорошей затеей, а скользящий контакт на киловольты и килоамперы – и подавно. Поэтому конструирование коллекторного узла для мощных ДПТ – целое искусство, а на мощности выше мегаватта сделать надежный коллектор становится слишком сложно (рекорд — 12,5МВт).
В потребительском качестве ДПТ хорош своей простотой с точки зрения управляемости. Его момент прямо пропорционален току якоря, а частота вращения (по крайней мере холостой ход) прямо пропорциональна приложенному напряжению. Поэтому до наступления эры микроконтроллеров, силовой электроники и частотного регулируемого привода переменного тока именно ДПТ был самым популярным электродвигателем для задач, где требуется регулировать частоту вращения или момент.

Также нужно упомянуть, как именно в ДПТ формируется магнитный поток возбуждения, с которым взаимодействует якорь (ротор) и за счет этого возникает вращающий момент. Этот поток может делаться двумя способами: постоянными магнитами и обмоткой возбуждения. В небольших двигателях чаще всего ставят постоянные магниты, в больших – обмотку возбуждения. Обмотка возбуждения – это еще один канал регулирования. При увеличении тока обмотки возбуждения увеличивается её магнитный поток. Этот магнитный поток входит как в формулу момента двигателя, так и в формулу ЭДС. Чем выше магнитный поток возбуждения, тем выше развиваемый момент при том же токе якоря. Но тем выше и ЭДС машины, а значит при том же самом напряжении питания частота вращения холостого хода двигателя будет ниже. Зато если уменьшить магнитный поток, то при том же напряжении питания частота холостого хода будет выше, уходя в бесконечность при уменьшении потока возбуждения до нуля. Это очень важное свойство ДПТ. Вообще, я очень советую изучить уравнения ДПТ – они простые, линейные, но их можно распространить на все электродвигатели – процессы везде схожие.

Как ни странно, это самый распространенный в быту электродвигатель, название которого наименее известно. Почему так получилось? Его конструкция и характеристики такие же, как у двигателя постоянного тока, поэтому упоминание о нем в учебниках по приводу обычно помещается в самый конец главы про ДПТ. При этом ассоциация коллектор = ДПТ так прочно заседает в голове, что не всем приходит на ум, что двигатель постоянного тока, в названии которого присутствует «постоянный ток», теоретически можно включать в сеть переменного тока. Давайте разберемся.

Как изменить направление вращения двигателя постоянного тока? Это знают все, надо сменить полярность питания якоря. А ещё? А еще можно сменить полярность питания обмотки возбуждения, если возбуждение сделано обмоткой, а не магнитами. А если полярность сменить и у якоря, и у обмотки возбуждения? Правильно, направление вращения не изменится. Так что же мы ждем? Соединяем обмотки якоря и возбуждения последовательно или параллельно, чтобы полярность изменялась одинаково и там и там, после чего вставляем в однофазную сеть переменного тока! Готово, двигатель будет крутиться. Есть один только маленький штрих, который надо сделать: так как по обмотке возбуждения протекает переменный ток, её магнитопровод, в отличие от истинного ДПТ, надо изготовить шихтованным, чтобы снизить потери от вихревых токов. И вот мы и получили так называемый «универсальный коллекторный двигатель», который по конструкции является подвидом ДПТ, но… прекрасно работает как от переменного, так и от постоянного тока.

Этот тип двигателей наиболее широко распространен в бытовой технике, где требуется регулировать частоту вращения: дрели, стиральные машины (не с «прямым приводом»), пылесосы и т.п. Почему именно он так популярен? Из-за простоты регулирования. Как и в ДПТ, его можно регулировать уровнем напряжения, что для сети переменного тока делается симистором (двунаправленным тиристором). Схема регулирования может быть так проста, что помещается, например, прямо в «курке» электроинструмента и не требует ни микроконтроллера, ни ШИМ, ни датчика положения ротора.

Почему асинхронный двигатель так популярен? У него нет скользящего контакта, как у коллекторного двигателя, а поэтому он более надежен и требует меньше обслуживания. Кроме того, такой двигатель может пускаться от сети переменного тока «прямым пуском» – его можно включить коммутатором «на сеть», в результате чего двигатель запустится (с большим пусковым током 5-7 крат, но допустимым). ДПТ относительно большой мощности так включать нельзя, от пускового тока погорит коллектор. Также асинхронные привода, в отличие от ДПТ, можно делать гораздо большей мощности – десятки мегаватт, тоже благодаря отсутствию коллектора. При этом асинхронный двигатель относительно прост и дешев.

Асинхронный двигатель применяется и в быту: в тех устройствах, где не нужно регулировать частоту вращения. Чаще всего это так называемые «конденсаторные» двигатели, или, что тоже самое, «однофазные» асинхронники. Хотя на самом деле с точки зрения электродвигателя правильнее говорить «двухфазные», просто одна фаза двигателя подключается в сеть напрямую, а вторая через конденсатор. Конденсатор делает фазовый сдвиг напряжения во второй обмотке, что позволяет создать вращающееся эллиптическое магнитное поле. Обычно такие двигатели применяются в вытяжных вентиляторах, холодильниках, небольших насосах и т.п.

Минус асинхронного двигателя по сравнению с ДПТ в том, что его сложно регулировать. Асинхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока. Если асинхронному двигателю просто понизить напряжение, не понизив частоту, то он несколько снизит скорость, да. Но у него увеличится так называемое скольжение (отставание частоты вращения от частоты поля статора), увеличатся потери в роторе, из-за чего он может перегреться и сгореть. Можно представлять это себе как регулирование скорости движения легкового автомобиля исключительно сцеплением, подав полный газ и включив четвертую передачу. Чтобы правильно регулировать частоту вращения асинхронного двигателя нужно пропорционально регулировать и частоту, и напряжение. А лучше и вовсе организовать векторное управление, как более подробно было описано в прошлой статье. Но для этого нужен преобразователь частоты – целый прибор с инвертором, микроконтроллером, датчиками и т.п. До эры силовой полупроводниковой электроники и микропроцессорной техники (в прошлом веке) регулирование частотой было экзотикой – его не на чем было делать. Но сегодня регулируемый асинхронный электропривод на базе преобразователя частоты – это уже стандарт-де-факто.

Но все изменилось с появлением силовой полупроводниковой электроники и микроконтроллеров. Они позволили сформировать для синхронной машины любую нужную частоту поля, привязанную через датчик положения к ротору двигателя: организовать вентильный режим работы двигателя (автокоммутацию) или векторное управление. При этом характеристики привода целиком (синхронная машина + инвертор) получились такими, какими они получаются у двигателя постоянного тока: синхронные двигатели заиграли совсем другими красками. Поэтому начиная где-то с 2000 года начался «бум» синхронных двигателей с постоянными магнитами. Сначала они робко вылезали в вентиляторах кулеров как маленькие BLDC двигатели, потом добрались до авиамоделей, потом забрались в стиральные машины как прямой привод, в электротягу (сегвей, Тойота приус и т.п.), всё больше вытесняя классический в таких задачах коллекторный двигатель. Сегодня синхронные двигатели с постоянными магнитами захватывают всё больше применений и идут семимильными шагами. И все это – благодаря электронике. Но чем же лучше синхронный двигатель асинхронного, если сравнивать комплект преобразователь+двигатель? И чем хуже? Этот вопрос будет рассматриваться в конце статьи, а сейчас давайте пройдемся еще по нескольким типам электродвигателей.

Следующая проблема – это пульсации вращающего момента. В силу зубчатой структуры и импульсного тока момент редко получается стабильным – чаще всего он пульсирует. Это несколько ограничивает применимость двигателей для транспорта – кому хочется иметь пульсирующий момент на колесах? Кроме того, от таких импульсов тянущего усилия не очень хорошо себя чувствуют подшипники двигателя. Проблема несколько решается специальным профилированием формы тока фазы, а также увеличением количества фаз.

Однако даже при этих недостатках двигатели остаются перспективными в качестве регулируемого привода. Благодаря их простоте сам двигатель получается дешевле классического асинхронного двигателя. Кроме того, двигатель легко сделать многофазным и многосекционным, разделив управление одним двигателем на несколько независимых преобразователей, которые работают параллельно. Это позволяет повысить надежность привода – отключение, скажем, одного из четырех преобразователей не приведет к остановке привода в целом – трое соседей будут какое-то время работать с небольшой перегрузкой. Для асинхронного двигателя такой фокус выполнить так просто не получается, так как невозможно сделать несвязанные друг с другом фазы статора, которые бы управлялись отдельным преобразователем полностью независимо от других. Кроме того, ВИД очень хорошо регулируются «вверх» от основной частоты. Железку ротора можно раскручивать без проблем до очень высоких частот.
Мы на фирме ООО «НПФ ВЕКТОР» выполнили несколько проектов на базе этого двигателя. Например, делали небольшой привод для насосов горячего водоснабжения, а также недавно закончили разработку и отладку системы управления для мощных (1,6 МВт) многофазных резервируемых приводов для обогатительных фабрик АК «АЛРОСА». Вот машинка на 1,25 МВт:

Вся система управления, контроллеры и алгоритмы были сделаны у нас в ООО «НПФ ВЕКТОР», силовые преобразователи спроектировала и изготовила фирма ООО «НПП «ЦИКЛ+». Заказчиком работы и проектировщиком самих двигателей являлась фирма ООО «МИП «Мехатроника» ЮРГТУ (НПИ)».

Ротор собран из двух пакетов (из двух половинок), между которыми установлена обмотка возбуждения (на рисунке показана как четыре витка медного провода). Несмотря на то, что обмотка висит «посередине» между половинками ротора, крепится она к статору и не вращается. Ротор и статор выполнены из шихтованного железа, постоянные магниты отсутствуют. Обмотка статора распределенная трехфазная – как у обычного асинхронного или синхронного двигателя. Хотя существуют варианты такого типа машин с сосредоточенной обмоткой: зубцами на статоре, как у SRD или BLDC двигателя. Витки обмотки статора охватывают сразу оба пакета ротора.

Упрощенно принцип работы можно описать следующим образом: ротор стремится повернуться в такое положение, при котором направления магнитного потока в статоре (от токов статора) и роторе (от тока возбуждения) совпадут. При этом половина электромагнитного момента образуется в одном пакете, а половина – в другом. Со стороны статора машина подразумевает разнополярное синусоидальное питание (ЭДС синусоидальна), электромагнитный момент активный (полярность зависит от знака тока) и образован за счет взаимодействия поля, созданного током обмотки возбуждения с полем, созданного обмотками статора. По принципу работы эта машина отлична от классических шаговых и SRD двигателей, в которых момент реактивный (когда металлическая болванка притягивается к электромагниту и знак усилия не зависит от знака тока электромагнита).

С точки зрения управления ВИД НВ оказывается эквивалентен синхронной машине с контактными кольцами. То есть, если вы не знаете конструкцию этой машины и используете её как «черный ящик», то она ведет себя практически неотличимо от синхронной машины с обмоткой возбуждения. Можно сделать векторное управление или автокоммутацию, можно ослаблять поток возбуждения для повышения частоты вращения, можно усиливать его для создания большего момента – всё так, как будто это классическая синхронная машина с регулируемым возбуждением. Только ВИД НВ не имеет скользящего контакта. И не имеет магнитов. И ротор в виде дешевой железной болванки. И момент не пульсирует, в отличие от SRD. Вот, например, синусоидальные токи ВИД НВ при работе векторного управления:

На основе данного двигателя мы также сделали несколько успешных проектов. Например, один из них – это серия приводов насосов и вентиляторов для районных теплостанций г. Москвы мощностью 315-1200кВт (ссылка на проект). Это низковольтные (380В) ВИД НВ с резервированием, где одна машина «разбита» на 2, 4 или 6 независимых трехфазных секций. На каждую секцию ставится свой однотипный преобразователь с векторным бездатчиковым управлением. Таким образом можно легко наращивать мощность на базе однотипной конструкции преобразователя и двигателя. При этом часть преобразователей подключено к одному вводу питания районной теплостанции, а часть к другому. Поэтому если происходит «моргушка питания» по одному из вводов питания, то привод не встает: половина секций кратковременно работают в перегрузке, пока питание не восстановится. Как только оно восстанавливается, на ходу в работу автоматически вводятся отдыхавшие секции. Вообще, наверное, этот проект заслуживал бы отдельной статьи, поэтому пока про него закончу, вставив фото двигателя и преобразователей:

Давайте рассмотрим регулируемый электропривод, режим работы которого – длительный. Коллекторные машины здесь сразу исключаются из конкуренции по причине ненадежности коллекторного узла. Но остались еще четыре – синхронный, асинхронный, и два типа вентильно-индукторных. Если мы говорим о приводе насоса, вентилятора и чего-то похожего, что используется в промышленности и где масса и габариты особо не важны, то здесь из конкуренции выпадают синхронные машины. Для обмотки возбуждения требуются контактные кольца, что является капризным элементом, а постоянные магниты очень дороги. Конкурирующими вариантами остаются асинхронный привод и вентильно-индукторные двигатели обоих типов.

Как показывает опыт, все три типа машин успешно применяются. Но – асинхронный привод невозможно (или очень сложно) секционировать, т.е. разбить мощную машину на несколько маломощных. Поэтому для обеспечения большой мощности асинхронного преобразователя требуется делать его высоковольтным: ведь мощность – это, если грубо, произведение напряжения на ток. Если для секционируемого привода мы можем взять низковольтный преобразователь и наставить их несколько, каждый на небольшой ток, то для асинхронного привода преобразователь должен быть один. Но не делать же преобразователь на 500В и ток 3 килоампера? Это провода нужны с руку толщиной. Поэтому для увеличения мощности повышают напряжение и снижают ток. А высоковольтный преобразователь – это совсем другой класс задачи. Нельзя просто так взять силовые ключи на 10кВ и сделать из них классический инвертор на 6 ключей, как раньше: и нет таких ключей, а если есть, они очень дороги. Инвертор делают многоуровневым, на низковольтных ключах, соединенных последовательно в сложных комбинациях. Такой инвертор иногда тянет за собой специализированный трансформатор, оптические каналы управления ключами, сложную распределенную систему управления, работающую как одно целое… В общем, сложно всё у мощного асинхронного привода. При этом вентильно-индукторный привод за счет секционирования может «отсрочить» переход на высоковольтный инвертор, позволяя сделать привода до единиц мегаватт от низковольтного питания, выполненные по классической схеме. В этом плане ВИПы становятся интереснее асинхронного привода, да еще и обеспечивают резервирование. С другой стороны, асинхронные привода работают уже сотни лет, двигатели доказали свою надежность. ВИПы же только пробивают себе дорогу. Так что здесь надо взвесить много факторов, чтобы выбрать для конкретной задачи наиболее оптимальный привод.

Но всё становится еще интереснее, когда речь заходит о транспорте или о малогабаритных устройствах. Там уже нельзя беспечно относиться к массе и габаритам электропривода. И вот там уже нужно смотреть на синхронные машины с постоянными магнитами. Если посмотреть только на параметр мощности деленной на массу (или размер), то синхронные машины с постоянными магнитами вне конкуренции. Отдельные экземпляры могут быть в разы меньше и легче, чем любой другой «безмагнитный» привод переменного тока. Но здесь есть одно опасное заблуждение, которое я сейчас постараюсь развеять.

Если синхронная машина в три раза меньше и легче – это не значит, что для электротяги она подходит лучше. Всё дело в отсутствии регулировки потока постоянных магнитов. Поток магнитов определяет ЭДС машины. На определенной частоте вращения ЭДС машины достигает напряжения питания инвертора и дальнейшее повышение частоты вращения становится затруднительно. Тоже самое касается и повышения момента. Если нужно реализовать больший момент, в синхронной машине нужно повышать ток статора – момент возрастет пропорционально. Но более эффективно было бы повысить и поток возбуждения – тогда и магнитное насыщение железа было бы более гармоничным, а потери были бы ниже. Но опять же поток магнитов повышать мы не можем. Более того, в некоторых конструкциях синхронных машин и ток статора нельзя повышать сверх определенной величины – магниты могут размагнититься. Что же получается? Синхронная машина хороша, но только лишь в одной единственной точке – в номинальной. С номинальной частотой вращения и номинальным моментом. Выше и ниже – всё плохо. Если это нарисовать, то получится вот такая характеристика частоты от момента (красным):

Конечно же, так как описано, никто не делает. Никто не ставит машину на 540кВт вместо 60кВт. Синхронную машину модернизируют, пытаясь «размазать» её механическую характеристику из оптимума в одной точке вверх по скорости и вниз по моменту. Например, прячут магниты в железо ротора (делают инкорпорированными), это позволяет не бояться размагнитить магниты и ослаблять поле смелее, а также перегружать по току побольше. Но от таких модификаций синхронная машина набирает вес, габариты и становится уже не такой легкой и красивой, какой она была раньше. Появляются новые проблемы, такие как «что делать, если в режиме ослабления поля инвертор отключился». ЭДС машины может «накачать» звено постоянного тока инвертора и выжечь всё. Или что делать, если инвертор на ходу пробился — синхронная машина замкнется и может токами короткого замыкания убить и себя, и водителя, и всю оставшуюся живой электронику — нужны схемы защиты и т.п.

Поэтому синхронная машина хороша там, где большого диапазона регулирования не требуется. Например, в сегвее, где скорость с точки зрения безопасности может быть ограничена на 30км/ч (или сколько там у него?). А еще синхронная машина идеальна для вентиляторов: у вентилятора сравнительно мало изменяется частота вращения, от силы раза в два – больше особо нет смысла, так как воздушный поток ослабевает пропорционально квадрату скорости (примерно). Поэтому для небольших пропеллеров и вентиляторов синхронная машина – это то, что нужно. И как раз она туда, собственно, успешно ставится.

Тяговую кривую, изображенную на рисунке синим цветом, испокон веков реализуют двигатели постоянного тока с регулируемым возбуждением: когда ток обмотки возбуждения изменяют в зависимости от тока статора и частоты вращения. При увеличении частоты вращения уменьшается и ток возбуждения, позволяя машине разгоняться выше и выше. Поэтому ДПТ с независимым (или смешанным) управлением возбуждением классически стоял и до сих пор стоит в большинстве тяговых применений (метро, трамваи и т.п.). Какая же электрическая машина переменного тока может с ним поспорить?

К такой характеристике (постоянства мощности) могут лучше приблизиться двигатели, у которых регулируется возбуждение. Это асинхронный двигатель и оба типа ВИПов. Но у асинхронного двигателя есть две проблемы: во-первых, его естественная механическая характеристика – это не кривая постоянства мощности. Потому что возбуждение асинхронного двигателя осуществляется через статор. А поэтому в зоне ослабления поля при постоянстве напряжения (когда на инверторе оно закончилось) подъем частоты в два раза приводит к падению тока возбуждения в два раза и моментоообразующего тока тоже в два раза. А так как момент на двигателе – это произведение тока на поток, то момент падает в 4 раза, а мощность, соответственно, в два. Вторая проблема – это потери в роторе при перегрузке с большим моментом. В асинхронном двигателе половина потерь выделяется в роторе, половина в статоре. Для уменьшения массогабаритных показателей на транспорте часто применяется жидкостное охлаждение. Но водяная рубашка эффективно охладит лишь статор, за счет явления теплопроводности. От вращающегося ротора тепло отвести значительно сложнее – путь отвода тепла через «теплопроводность» отрезан, ротор не касается статора (подшипники не в счет). Остается воздушное охлаждение путем перемешивая воздуха внутри пространства двигателя или излучение тепла ротором. Поэтому ротор асинхронного двигателя получается своеобразным «термосом» — единожды перегрузив его (сделав динамичный разгон на машине), требуется долгое время ждать остывания ротора. А ведь его температуру еще и не измерить… приходится только предсказывать по модели.

Здесь нужно отметить, как мастерски обе проблемы асинхронного двигателя обошли в Тесла в своей Model S. Проблему с отводом тепла из ротора они решили… заведя во вращающийся ротор жидкость (у них есть соответствующий патент, где вал ротора полый и он омывается внутри жидкостью, но достоверно я не знаю, применяют ли они это). А вторую проблему с резким уменьшением момента при ослаблении поля… они не решали. Они поставили двигатель с тяговой характеристикой, почти как у меня нарисована для «избыточного» синхронного двигателя на рисунке выше, только у них не 540кВт, а 300кВт. Зона ослабления поля в тесле очень маленькая, где-то два крата. Т.е. они поставили «избыточный» для легкового автомобиля двигатель, сделав вместо бюджетного седана по сути спорт-кар с огромной мощностью. Недостаток асинхронного двигателя обратили в достоинство. Но если бы они попытались сделать менее «производительный» седан, мощностью 100кВт или меньше, то асинхронный двигатель, скорее всего, был бы точно таким же (на 300кВт), просто его искусственно задушили электроникой бы под возможности батареи.

А теперь ВИПы. Что могут они? Какая тяговая характеристика у них? Про ВИД СВ я точно сказать не могу – это по своему принципу работы нелинейный двигатель, и от проекта к проекту его механическая характеристика может сильно меняться. Но в целом он скорее всего лучше асинхронного двигателя в плане приближения к желаемой тяговой характеристике с постоянством мощности. А вот про ВИД НВ я могу сказать подробнее, так как мы на фирме им очень плотно занимаемся. Видите вон ту желаемую тяговую характеристику на рисунке выше, которая нарисована синим цветом, к которой мы хотим стремиться? Это на самом деле не просто желаемая характеристика. Это реальная тяговая характеристика, которую мы по точкам по датчику момента сняли для одного из ВИД НВ. Так как ВИД НВ имеет независимое внешнее возбуждение, то его качества наиболее приближены к ДПТ НВ, который тоже может сформировать такую тяговую характеристику за счет регулирования возбуждения.

Так что же? ВИД НВ – идеальная машина для тяги без единой проблемы? На самом деле нет. Проблем у него тоже куча. Например, его обмотка возбуждения, которая «висит» между пакетами статора. Хоть она и не вращается, от неё тоже сложно отводить тепло – получается ситуация почти как ротором асинхронника, лишь немного получше. Можно, в случае надобности, «кинуть» трубку охлаждения со статора. Вторая проблема – это завышенные массогабаритные показатели. Глядя на рисунок ротора ВИД НВ, можно видеть, что пространство внутри двигателя используется не очень эффективно – «работают» только начало и конец ротора, а середина занята обмоткой возбуждения. В асинхронном двигателе, например, вся длина ротора, всё железо «работает». Сложность сборки – засунуть обмотку возбуждения внутрь пакетов ротора надо еще суметь (ротор делается разборным, соответственно, есть проблемы с балансировкой). Ну и просто массогабаритные характеристики пока получаются не очень-то выдающимися по сравнению с теми же асинхронными двигателями Тесла, если накладывать тяговые характеристики друг на друга.
А также есть еще общая проблема обоих типов ВИД. Их ротор – пароходное колесо. И на высоких частотах вращения (а высокая частота нужна, так высокочастотные машины при той же мощности меньше тихоходных) потери от перемешивания воздуха внутри становятся очень значительными. Если до 5000-7000 об/мин ВИД еще можно сделать, то на 20000 об/мин это получится большой миксер. А вот асинхронный двигатель на такие частоты и гораздо выше сделать вполне можно за счет гладкого статора.

Так что же лучше всего в итоге для электротяги? Какой двигатель самый лучший?
Понятия не имею. Все плохие. Надо изобретать дальше. Но мораль статьи такова – если вы хотите сравнить между собой разные типы регулируемого электропривода, то нужно сравнивать на конкретной задаче с конкретной требуемой механической характеристикой по всем-всем параметрам, а не просто по мощности. Также в этой статье не рассмотрены еще куча нюансов сравнения. Например, такой параметр как длительность работы в каждой из точек механической характеристики. На максимальном моменте обычно ни одна машина не может работать долго – это режим перегрузки, а на максимальной скорости очень плохо себя чувствуют синхронные машины с магнитами – там у них огромные потери в стали. А еще интересный параметр для электротяги – потери при движении выбегом, когда водитель отпустил газ. Если ВИПы и асинхронные двигатели будут крутиться как болванки, то у синхронной машины с постоянными магнитами останутся почти номинальные потери в стали из-за магнитов. И так далее, и так далее…
Поэтому нельзя вот так просто взять и выбрать лучший электропривод.

UPD:
Обобщая замечания в комментариях, необходимо дополнить некоторые важные, как оказалось, вещи, которые я изначально опустил как маловажные.
1. Асинхронные двигатели до эры преобразователей частоты регулировали за счет применения так называемого фазного ротора — когда ротор делался в виде обмотки, а не беличьей клетки, а через контактные кольца (как у синхронной машины) фазы ротора выводились наружу. Включая в цепь ротора резисторы можно было мягко пускать АД и безопасно регулировать частоту вращения, изменяя сопротивление. Проблема в том, что очень много энергии при этом терялось в резисторах — иногда до половины от подводимой к приводу мощности.

2. В статье не упомянуты синхронные реактивные машины и их совмещение с синхронными машинами с постоянными магнитами. Если сделать ротор синхронной машины с магнитами явнополюсным — например таким, как нарисован ротор SRD двигателя на gif анимации, то развиваемый момент может быть не только активным, но и реактивным — как у SRD. Подбирая оптимальное сочетание активного и реактивного момента можно частично исключить проблемы классической синхронной машины с магнитами, значительно расширив диапазон работы с постоянством мощности. Получается некий гибрид реактивной машины и синхронной с магнитами.

3. Шаговые двигатели не рассмотрены, потому что по принципу действия они в первом приближении схожи либо с синхронными машинами с постоянными магнитами, либо с SRD двигателями — зависит от конкретного типа шаговика. Только шаговые двигатели, в отличие от «силовых» приводов, имеют гораздо большее количество пар полюсов (зубцов) для увеличения коэффициента электрической редукции: чтобы одному периоду тока соответствовало меньшее угловое перемещение вала. Управление шаговиками обычно тривиальное — последовательный перебор фаз друг за другом (шаги). Более продвинутые системы дробят шаг, подавая в двигатель «микрошаги» — по сути приближая управление к синусоидальному. Еще более продвинутые используют датчик положения ротора и применяют полноценное векторное управление. Но в таком случае и машину нужно делать более качественную, а называться в сумме это будет уже настоящим сервоприводом.

Электродвигатель | Британника

Самый простой тип асинхронного двигателя показан на рисунке в разрезе. Трехфазный набор обмоток статора вставлен в пазы в железе статора. Эти обмотки могут быть подключены по схеме «звезда», обычно без внешнего подключения к нейтральной точке, или по схеме «треугольник». Ротор состоит из цилиндрического стального сердечника с проводниками, размещенными в пазах по всей поверхности. В наиболее обычной форме эти проводники ротора соединены вместе на каждом конце ротора токопроводящим концевым кольцом.