Эл двигатель из чего состоит: Электродвигатель: устройство и принцип работы

Электродвигатель: понятие, типы

Электродвигатель — это электрическая машина, в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Существует несколько типов электродвигателей: синхронные, асинхронные и двигатели постоянного тока.

Синхронные двигатели

Синхронные двигатели имеют большую мощность (50-100кВт и более), по сравнению с другими двигателями, применяются на металлургических заводах, в шахтах и других предприятиях, служат для приведения в движения насосов, компрессоров, вентиляторов, двигательно-генераторных установок и др.

Особенностью синхронных электродвигателей определяющей их функциональные возможности и области применения, является постоянство средней частоты вращения при неизменной частоте, амплитуде напряжения питания и колебания момента нагрузки. Следовательно, при снижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, а возможность форсировки возбуждения увеличивает надежность работы при аварийных понижениях напряжения. Большой воздушный зазор и применение постоянных магнитов делает КПД синхронных двигателей выше.

Синхронный двигатель состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. В пазах статора размещена обмотка переменного тока, получающая питание от сети, а в роторе – обмотка постоянного тока. Электродвигатели вращают, ротор синхронно с магнитным полем питающего напряжения. Расположенная на роторе обмотка возбуждения получает питание от источника постоянного тока через контактные кольца. В основном применяются на приводах большой мощности. Мощность такого электродвигателя достигает несколько десятков мегаватт.

Имея столько достоинств, синхронные двигатели имеют ограничение в применении — сложностью конструкций, наличием возбудителя, высокой ценой и сложностью пуска.

Асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели подразделяются на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. Электродвигатели мощностью больше 0,5 кВт обычно выполняются трехфазными, а при меньшей мощности однофазными.

Асинхронные электродвигатели применяются в станкостроении, сельском хозяйстве, деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности, строительной технике и др. Такие электродвигатели давно известны отечественному рынку. Эти электродвигатели имеют не высокую стоимость, неприхотливы в обслуживании и просты в конструкции.

При выборе асинхронного электродвигателя необходимо учитывать два фактора: КПД преобразования энергии и тип исполнения агрегата. Существует множество аналогов электродвигателей марки АИР (АИР марка электродвигателей, которая не привязана к определенному заводу), например новые современные электродвигателе 5АИ. В работе этого оборудования используются менее шумные подшипники, повышенная степень защиты: исполнение IP55, резьбовое отверстие в торце вала и др.

Принцип действия двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам статора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля, при условии, что частота вращения ротора меньше частоты вращения поля. Асинхронные электродвигатели потребляют реактивную мощность из сети. Предел применения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором определяется мощностью системы электроснабжения конкретного предприятия, так как большие пусковые токи при малой мощности системы создают большие понижения напряжения.

Двигатели постоянного тока

Принцип работы основан на электромагнитном преобразовании энергии. Широко применяются в промышленности, транспортных и других установках, где требуется плавное регулирование скорости вращения (прокатные станы, мощные металлорежущие станки, электрическая тяга на транспорте и т. д.).

Различаются двигатели с параллельным, независимым, последовательным и смешанным возбуждением.

• Двигатели постоянного тока с независимым или параллельным возбуждением, подключенные к сети с постоянным напряжением, может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме и переходить из одного режима работы в другой. Двигатели с параллельным возбуждением имеют параллельное подключение обмотки возбуждения с обмоткой якоря к сети. Если в двигателе обмотка якоря и обмотка возбуждения подключены к источникам питания с различными напряжениями, то его называют двигателем с независимым возбуждением. Такие двигатели применяют в электрических приводах, у которых питание обмотки якоря осуществляется от генератора или полупроводникового преобразователя.
• Двигатели с последовательным возбуждением широко применяются в различных электрических приводах, особенно там, где имеется изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.).
• Двигатель со смешанным возбуждением, благодаря магнитному потоку создает совместное действие двух обмоток возбуждения – параллельной и последовательной.

Электродвигатели, их классификация

Электрический двигатель — электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую.

В зависимости от назначения, от предполагаемых режимов и условий работы, от типа питания и т. д., все электродвигатели можно классифицировать по нескольким параметрам: по принципу получения рабочего момента, по способу работы, по роду тока питания, по способу управления фазами, по типу возбуждения и т. д. Давайте же рассмотрим классификацию электродвигателей более подробно.

Возникновение вращающего момента

Вращающий момент в электродвигателях может быть получен одним из двух способов: по принципу магнитного гистерезиса либо чисто магнитоэлектрически. Гистерезисный двигатель получает вращающий момент посредством явления гистерезиса во время перемагничивания магнитно-твердого ротора, в то время как у магнитоэлектрического двигателя вращающий момент является результатом взаимодействия явных магнитных полюсов ротора и статора.

Магнитоэлектрические двигатели по праву составляют сегодня львиную долю всего обилия электродвигателей, применяемых в очень многих областях.

Они подразделяются по роду питающего тока на:

• двигатели постоянного тока, 
• двигатели переменного тока, 
• универсальные двигатели.

В отличие от магнитоэлектрического двигателя, в гистерезисном двигателе допускается перемещение намагниченности ротора относительно его геометрических осей, и именно данная особенность не позволяет распространять на синхронный режим работы гистерезисного двигателя общие закономерности магнитоэлектрического преобразования. 

Классификация электродвигателей

Двигатели постоянного тока

У двигателя, который питается постоянным током, за переключение фаз отвечает сам двигатель. Это значит, что хотя на электрическую машину и подается постоянный ток, тем не менее, благодаря действию внутренних механизмов устройства, магнитное поле оказывается движущимся и становится в состоянии поддерживать вращающий момент ротора (как будто в обмотке статора действует переменный ток).

Устройство и приницип работы электродвигателя постоянного тока: 1 — якорь, 2 — вал, 3 — коллекторные пластины, 4 — щеточный узел, 5 — магнитопровод якоря, 6 — магнитопровод индуктора, 7 — обмотки возбуждения, 8 — корпус индуктора, 9 — боковые крышки, 10 — вентилятор, 11 — лапы, 12 — подшипники.

Электродвигатель постоянного тока состоит из неподвижной части, называемой индуктором, и подвижной части, называемой якорем. В зависимости от исполнения, место обмотки возбуждения на индукторе могут располагаться постоянные магниты, что позволяет упростить конструкцию, но не позволяет регулировать магнитный поток двигателя, влияющий на его скорость.

По способу создания движущегося магнитного поля, двигатели постоянного тока подразделяются на:

• вентильные (бесколлекторные),
• коллекторные.

Бесколлекторные двигатели имеют в своей конструкции электронные инверторы, которые и осуществляют переключение фаз. Коллекторные же двигатели традиционно оснащены щеточно-коллекторными узлами, которые призваны чисто механически синхронизировать питание обмоток двигателя с вращением его движущихся частей.

Возбуждение коллекторных двигателей

Коллекторные двигатели по способу возбуждения бывают следующих видов: с независимым возбуждением от постоянных магнитов или от электромагнитов, либо с самовозбуждением. Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов содержат магниты на роторе. Двигатели с самовозбуждением имеют на роторе специальную якорную обмотку, которая может быть включена параллельно, последовательно или смешано со специальной обмоткой возбуждения.

Двигатель пульсирующего тока

На двигатель постоянного тока похож двигатель пульсирующего тока. Отличие заключается в наличии шихтованных вставок на остове, а также дополнительных шихтованных полюсов. Кроме того, у двигателя пульсирующего тока имеется компенсационная обмотка. Применение такие двигатели находит в электровозах, где они обычно питается выпрямленным переменным током.

Двигатель переменного тока

Двигатели переменного тока, как ясно из названия, питаются током переменным. Бывают они синхронными и асинхронными. 

У синхронных двигателей переменного тока магнитное поле статора движется с той же угловой скоростью, что и ротор, а у асинхронных всегда есть некое отставание (характеризующееся величиной скольжения s) — магнитное поле статора в своем движении как бы опережает ротор, который в свою очередь все время стремится его догнать.

Синхронные двигатели больших мощностей (мощностью в сотни киловатт) имеют на роторе обмотки возбуждения. Роторы менее мощных синхронных двигателей оснащены постоянными магнитами, которые и образуют полюса. Гистерезисные двигатели тоже в принципе относятся к синхронным.

Шаговые двигатели — это особая категория синхронных двигателей с высокой точностью управления скоростью вращения, вплоть до дискретного счета шагов.

Вентильные синхронные реактивные двигатели получают питание через инвертор.

Асинхронные двигатели переменного тока отличаются тем, что у них угловая скорость вращения ротора всегда меньше чем угловая скорость вращения магнитного поля статора. Асинхронные двигатели бывают однофазными (с пусковой обмоткой), двухфазными (к ним относится и конденсаторный двигатель), трехфазными и многофазными.

Конструкция трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором

Асинхронный электродвигатель состоит и неподвижной (статора) части и подвижной (ротора) частей, которые удерживаются подшипниками 1 и 11, установленными в боковые крышки 3 и 9. Ротор состоит из вала 2, на котором закреплен магнитопровод 5 с обмоткой. Статор двигателя состоит из корпуса 7, к которому прикреплен магнитопровод 6. В пазы магнитопровода уложена трехфазная обмотка 8. Так же к корпусу крепится крышка клеммной коробки 4 и защитный кожух 12 крыльчатки 10.

Фазный ротор имеет трехфазную обмотку, выполненную по типу обмотки статора. Одни концы катушек соединены в нулевую точку («звезда»), а другие – подключены к контактным кольцам. На кольца наложены щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой ротора. При такой конструкции возможно подсоединение к обмотке ротора пускового или регулировочного реостата, позволяющего менять электрическое сопротивление в цепи ротора.

Асинхронный двигатель с частотным преобразователем для плавного регулирования скороcти вращения вала за счет изменения частоты и питающего напряжения:

Универсальные коллекторные двигатели

Универсальный коллекторнй двигатель может работать хоть от постоянного, хоть от переменного тока (50 Гц). Имеет последовательное возбуждение, используется в бытовых электроприборах, где требуется скорость вращения более высокая чем максимальные для обычных двигателей переменного тока 3000 об/мин. Как правило, мощность таких двигателей не превышает 200 Вт. Встречается тиристорное управление скоростью вращения универсального двигателя.

Усовершенствованная разновидность универсального двигателя — синхронный двигатель с датчиком положения ротора, где роль коллектора выполняет электронный инвертор.

Ранее ЭлектроВести писали, что компания Renault готовит полностью электрическую версию своего маленького хетчбэка – Renault Twingo ZE. Новинка появится уже в этом году.

По материалам: electrik.info.

Конструкция сердечника электродвигателя 101: Материал, форма и характеристики

Конструкция электрической машины в лучшем случае сложна. Это всегда компромисс между технологичностью и производительностью. Некоторые могут сказать, что это также баланс формы и производительности.

В конструкции двигателя с осевым потоком теоретически поток будет двигаться в противоположном направлении, но на значительно меньшем уровне. Итак, вы определяете, как этого добиться — обрабатывая лишнее, тратя в процессе много материала.

Сегодня двигатели с осевым потоком переходят к нетрадиционным конструкциям. В любом случае, материалы, которые вам понадобятся в вашей следующей конструкции электродвигателя , зависят от того, как двигатель должен работать, где он будет работать и так далее.

Когда дело доходит до материалов для электродвигателя, вы можете выбрать либо электротехническую сталь, порошковый металл, либо вообще ничего. В этой статье основное внимание будет уделено электротехнической стали (также известной как стальные пластины), а также двум формам порошкового металла.

Есть и другие статьи, которые прекрасно объясняют использование материалов для других компонентов двигателя, таких как вал. Сегодня мы сосредоточимся на трех «основных» элементах.

Материал электродвигателя: проектирование компонентов ротора и статора 

Промышленные электродвигатели требуют высокоэффективных материалов для эффективного преобразования электрической энергии в механическую. Давайте рассмотрим, где порошковая металлургия стоит с этими тремя ключевыми компонентами электродвигателя:

• Статор
• Ротор
• Подшипники

Как вы увидите, материал сердечника электродвигателя уже по колено в порошковом металле или, по крайней мере, имеет потенциал для использования преимуществ порошковой металлургии.

Итак, из чего сделаны эти компоненты двигателя? Компоненты из порошкового металла для двигателей обычно состоят из железа, никеля и кобальта.

• Железо является самым дешевым из трех, поэтому многие дизайнеры обращаются к нему в первую очередь.
• Кобальт редко используется сам по себе, но иногда его добавляют к железу. Кобальт придает вашей части больше индукции насыщения.
Никель
• дорог, но ценен для двигателей. Это повышает производительность, облегчая намагничивание компонента.

Теперь обратимся к более широкой картине:

Материал статора электродвигателя

В статорах с традиционным стальным ламинированием потери в сердечнике высоки. Этот может снизить их эффективность в зависимости от использования двигателя и частоты. Если для вашей конструкции важно предотвратить потери в сердечнике, электротехническая сталь может оказаться неоптимальной.

Многослойный материал сердечника статора также имеет двумерную индивидуальность. Ламинированный материал статора может создать красивую плоскую деталь, но что, если ваша конструкция не плоская или требует других наворотов?

К счастью, есть более новая и эффективная замена. Можно включить магнитомягкий композит (SMC) для эффективной работы в тандеме с ротором.

Магнитомягкие композиты представляют собой металлические порошки, которые легче намагничиваются и размагничиваются по сравнению с твердым магнитом.

Комбинация усилий

Одной из уникальных возможностей является комбинирование магнитомягкого композита с пластинами из электротехнической стали. Существуют так называемые «гибридных» ситуаций, когда вы получаете преимущества как 9, так и . Правильно сконструированная комбинированная сборка позволяет использовать преимущества электротехнической стали (более низкие производственные затраты), добавляя при этом уникальные функции SMC (благодаря ее потрясающей способности формообразования).

Если ваша текущая конструкция электродвигателя работает с КПД 60-70%, можете ли вы улучшить его с помощью SMC? Подумайте о долгосрочной экономии на счетах за электроэнергию , которую вы могли бы предложить конечному потребителю.

У нас есть еще одна идея для тех, кто добавляет магниты в конструкцию ротора. Можете ли вы создать полностью двигатель на основе порошкового металла, полагаясь на спеченные магнитные порошки в качестве материала, к которому вы прикрепляете магниты? Теперь вы можете объединить две концепции дизайна — SMC и спеченный порошковый металл — используя все преимущества порошковой металлургии.

Подробнее об этом ниже.

Материал ротора электродвигателя

Материал сердечника ротора обычно основан на пластинах из электротехнической стали. Внешняя и внутренняя части двигателя — ротор и статор — штампуются одновременно для минимизации брака . Традиционно, из чего бы вы ни штамповали статор, вы штампуете и ротор.

Однако в новых двигателях инженеры обращают внимание на магниты на двигателе для повышения крутящего момента и характеристик шин.

Мягкие магнитные композитные материалы НЕ рекомендуются для роторов, поскольку они разработаны в настоящее время. SMC не спекаются, и поэтому им не хватает прочности, чтобы выдерживать эти приложения.

Но спеченные магнитомягкие материалы … они могут быть отличной альтернативой .

Возможно, вас интересует разница между спеченными магнитомягкими материалами и SMC. А пока просто знайте, что магнитомягкие композиты не спекаются. (Мы обсудим больше позже. )

Подшипники

Подшипники являются основным продуктом традиционной порошковой металлургии. Это крупносерийная, недорогая работа, и они легко доступны в самых разных материалах и формах.

Порошковые металлы используются в подшипниковой промышленности с 1930-х годов и являются проверенным материалом для многих смежных областей применения. Первоначально они начинались как бронза, но благодаря инновациям в порошковой металлургии в последующие годы можно использовать более экономичные материалы, такие как железо.

В этих небольших металлических компонентах используется губчатое железо , спрессованное до низкой плотности , чтобы вы могли пропитать их смазочным маслом.

Подшипники двигателя такие, какие они есть. Инновации происходят на уровне статора и ротора.

Двигатели с радиальным потоком? Или что-то другое?

Для обычных двигателей с радиальным магнитным потоком на 60 Гц магнитно-мягкие композиты не являются отличной альтернативой. … Но можем ли мы вместо этого использовать гибридный дизайн, чтобы оптимизировать его?

Что делать, если вам не нужен простой радиальный дизайн? Что, если вам нужны другие полезные свойства материала, из которого изготовлен ваш электродвигатель? Это возможно с ламинированием электротехнической стали, но это будет намного сложнее. Теперь вам действительно нужно полностью сосредоточиться на магнитомягких композитах из-за их способности формообразования.

SMC идеально подходят для новых конструкций или конструкций, в которых можно комбинировать SMC и ламинирование для получения преимуществ в производительности. Возможные варианты:

• Двигатели с осевым и поперечным магнитным потоком для упрощенной или трехмерной обмотки статора и ротора
• Мотор-колеса
• Тихоходные двигатели

Изображение выше — классический пример. Этот инверторный двигатель с прямым приводом в часах LG Signature находится прямо в рулевой рубке из мягкого магнитного композита. И когда вы разрабатываете новые конструкции ротора, начните спрашивать себя: «Можем ли мы также перевести их на порошковый металл?»

В транспортном пространстве SMC предоставляют новые возможности формообразования и магнитов:

• Электровелосипеды
• Электросамокаты
• Электромотоциклы
• Подробнее

SMC может помочь заполнить пробел, придав форму, которая наилучшим образом соответствует конструкции вашего электродвигателя.

Роль спеченного металла

Это преобразование конструкции может касаться не только SMC, но и спеченных магнитомягких материалов. Эта смежная с SMC ветвь порошковой металлургии предлагает более высокую прочность, чем SMC (в обмен на несколько меньшие магнитные характеристики).

Электромагнитная конструкция постоянного тока представляет собой растущее применение спеченных магнитомягких материалов. Чем еще он отличается от других материалов?

• Быстродействующие соленоиды
• Стойкость к поверхностным повреждениям
• Более высокая плотность для увеличения индукции насыщения

 

Больше не нужно соглашаться на традиционные материалы электродвигателя

Компоненты электродвигателя не должны быть компромиссом — по крайней мере, не в том виде, к которому вы привыкли.

Поэкспериментируйте с идеей сочетания ламинирования кремнистой стали, магнитомягкого композита (для конструкций электродвигателей переменного тока) и спеченных магнитомягких материалов (для двигателей постоянного тока). Обязательно сообщите о своих конкретных потребностях в конструкции производителю оборудования для порошковой металлургии. Поставщик должен быть в состоянии определить жизнеспособность порошковых компонентов для вашего проекта.

Вы можете узнать больше о SMC и конструкции электродвигателя, просмотрев бесплатный Центр ресурсов инженера  ниже:

Связанные ресурсы по проектированию электродвигателей переменного тока

• Битва за эффективность и будущее электрификации: постоянный магнит против. Асинхронные двигатели

• Дизайн автомобильной трансмиссии: крутящий момент + 3 других соображения и тенденции

• КОМПОНЕНТ: электрическое ламинирование + сборка SMC

 

(Примечание редактора: эта статья была первоначально опубликована в сентябре 2019 г. и был недавно обновлен.)

Темы: Материалы, Приложения, Расходы, Дизайн, Характеристики, моторы, Ламинированная сталь, Мягкий магнитный композит

Исследования и разработки в области электродвигателей

Управление транспортных технологий

Управление транспортных технологий (VTO) поддерживает исследования и разработки (НИОКР) для улучшения двигателей в гибридных и подключаемых электромобилях, уделяя особое внимание сокращению использования редкоземельных материалов, которые в настоящее время используются для двигателей на основе постоянных магнитов.

В системе электропривода электродвигатель преобразует накопленную в аккумуляторе электрическую энергию в механическую энергию. Электродвигатели состоят из ротора (подвижной части двигателя) и статора (неподвижной части двигателя). Двигатель с постоянными магнитами включает в себя ротор, содержащий серию магнитов, и токонесущий статор (обычно имеющий форму железного кольца), разделенные воздушным зазором. Существует три типа электродвигателей, которые можно использовать в гибридных или сменных системах тягового привода электромобилей.

• Двигатели с внутренними постоянными магнитами (IPM) имеют высокую удельную мощность и сохраняют высокий КПД в большом проценте своего рабочего диапазона. Почти все гибридные и подключаемые электромобили используют в своих тяговых двигателях постоянные магниты из редкоземельных металлов. Из-за высокой стоимости изготовления магнитов и роторов эти двигатели относительно дороги. Другие проблемы с использованием двигателей IPM включают ограниченную доступность и высокую стоимость редкоземельных магнитных материалов. Несмотря на проблемы, автомобильная промышленность рассчитывает продолжить использование двигателей IPM в большинстве электромобилей в течение следующего десятилетия.
• Асинхронные двигатели имеют высокий пусковой момент и отличаются высокой надежностью. Однако их удельная мощность и общий КПД ниже, чем у двигателей IPM. Сегодня они широко доступны и распространены в различных отраслях промышленности, включая некоторые серийные автомобили. Поскольку эта моторная технология является зрелой, маловероятно, что исследования смогут добиться дополнительных улучшений в эффективности, стоимости, весе и объеме для будущих конкурентоспособных электромобилей.
• Реактивные реактивные двигатели предлагают более дешевый вариант, который можно легко изготовить. Они также имеют прочную конструкцию, которая может выдерживать высокие температуры и скорости. Однако они производят больше шума и вибрации, чем аналогичные конструкции двигателей, что является серьезной проблемой при использовании в транспортных средствах. Кроме того, вентильные реактивные двигатели менее эффективны, чем двигатели других типов, и требуют дополнительных датчиков и сложных контроллеров двигателей, что увеличивает общую стоимость системы электропривода.

Электродвигатель ВТО НИОКР

Основной целью VTO является снижение стоимости, объема и веса электродвигателей при сохранении или повышении производительности, эффективности и надежности.