Bitavtoptz.ru

Бит Авто
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Машины переменного тока. Описание классификация

Машины переменного тока. Описание классификация.

где n это частота, с которой вращается ротор, измеряется в оборотах в минуту. То есть, сколько полных оборотов совершит ротор за одну минуту. f частота питающего переменного тока p количество пар полюсов у магнитной системы машины

Рисунок 1 — Синхронная машина в разрезе

Синхронные машины по большей части применяются в качестве электродвигателей и генераторов переменного тока. Преобразователи частоты из них, как правило, не делают. Основным достоинством синхронной электрической машины является то, что в ней легко регулировать скорость вращения вала. Поэтому их часто применяют в системах автоматики. Асинхронная машина это машина, в которой основное магнитное поле статора создаётся переменным электрическим током. А скорость вращения вала не связана жёсткой зависимостью с частотой питающего тока. Асинхронные машины делятся на коллекторные и без коллекторные. Коллекторные машины применяются крайне редко так как они более дороги в производстве, а надежность их ниже. Асинхронные электрические машины чаще всего используются в качестве электродвигателей.

Рисунок 2 — Пример асинхронной электрической машины

Любая машина хоть синхронная хоть асинхронная способна работать в обоих режимах. То есть как электродвигатель, так и генератор переменного тока.

Виды машин переменного тока и их устройство

Электрические машины переменного тока включают в себя:

1) синхронные машины (СМ),

2) асинхронные машины (АМ),

3) коллекторные машины переменного тока.

Машина переменного тока (МПрТ) состоит из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора. Между ними имеется воздушный зазор. Все машины переменного тока работают на принципе вращающегося магнитного поля, поэтому в их теории много общего. В синхронной машине ротор вращается с той же частотой вращения и в том же направлении, что и магнитное поле. То есть в этих машинах ротор и поле вращаются синхронно. В асинхронных машинах ротор вращается с частотой вращения, отличающейся от частоты вращения поля. Другими словами, ротор вращается не синхронно (асинхронно) по отношению к полю. Коллекторные машины являются асинхронными машинами с коллектором. Синхронные машины преимущественно применяются в качестве генераторов, а также нередко – двигателями. Асинхронные машины преимущественно применяются в качестве двигателей. В устройстве статора асинхронной и синхронной машин много общего (рис. 1.1). Сердечник статора набирается из листов электротехнической стали по 0,5 мм, изолированных друг от друга. Сердечник статора запрессовывается в корпус. На внутренней цилиндрической поверхности статора размещены пазы, в которые укладывается распределенная обмотка, как правило, трехфазная.

Сердечник ротора асинхронной машины набирается также из листов электротехнической стали, которые в крупных машинах покрываются с обеих сторон масляно-канифольным изоляционным лаком, а в машины малой мощности не имеют лакового покрытия. В последнем случае изоляцией служит искусственно созданный или естественный слой окислов.

Пакет листов ротора АМ напрессовывается на вал (рис. 1.2,а) или на втулку вала. В крупных АМ он напрессовывается на крестовину (обод) (рис. 1.2,б). В пазах на наружной поверхности пакета ротора укладывается обмотка ротора. В зависимости от типа обмотки различают два различных типа АМ:

а) с фазным ротором или с контактными кольцами (АДФ);

б) с короткозамкнутым ротором (АДК).

В случае АДФ обмотка ротора выполняется, как и статорная – распределенной. Концы фаз соединяются в общую точку, а начала через контактные кольца и металлографитовые щетки выводятся наружу.

В случае АДК обмотка выполняется в виде беличьей клетки. В каждом пазу укладывается алюминиевый или медный стержень и концы всех стержней с обеих торцов ротора замыкаются накоротко алюминиевыми или медными кольцами. В АМ до 100 кВт обмотка выполняется путем заливки ротора алюминием. Что касается роторов СМ, то их конструкция существенно отличается от конструкции ротора АМ. Существуют две разновидности СМ:

а) с неявно выраженными полюсами (рис. 1.3,а);

б) с явно выраженными полюсами (рис. 1.3,б).

Следовательно, СМ делятся на неявнополюсные и явнополюсные машины.

То или иное исполнение СМ зависит от частоты вращения. Высокоскоростные СМ – неявнополюсные. Типичным представителем таких машин являются турбогенераторы (ТГ), которые выполняются двухполюсными с n = 3000 об/мин. На атомных электростанциях применяются четырехполюсные ТГ. При таких больших частотах вращения возникают большие механические напряжения в теле ротора от центробежных сил. Поэтому роторы ТГ выполняются из сплошной паковки высококачественной хромоникелевой или хромоникельмолибденовой стали. Поэтому, ротор современного ТГ имеет небольшой диаметр 1,3…1,5 метра. Для увеличения мощности приходится удлинять ротор, считаясь с ограничением по условиям гибкости и прогиба вала и связанным с этим пределом увеличения вибрации. Длина современных ТГ может достигать 7,5…8 метра. На цилиндрической поверхности ротора выфрезерованы пазы, куда укладывается обмотка возбуждения (ОВ), которая состоит из концентрических катушек, стороны которых закрепляются в пазах с помощью металлических немагнитных клиньев. Лобовые части ОВ охватываются стальным бандажным кольцом, воспринимающим усилия лобовых частей и самих бандажей. Увеличение мощности ТГ в заданных габаритах достигается интенсивным охлаждением.

При СМ выполняются явнополюсными. В этом случае на роторе размещены выступающие полюса (рис. 1.4). Сердечник полюса 2 набирается из листов электротехнической стали 1…2 мм, которые стягиваются шпильками 6. В средних и крупных СМ сердечники полюсов крепятся к остову ротора 4 с помощью Т-образных хвостов 3. Крепление осуществляется двумя парами встречных стальных клиньев 5.

Обмотка возбуждения 1 выполняется из проводников, наматываемых на ребро. В случае синхронных двигателей (СД) в наконечниках полюсов размещены стержни пусковой обмотки из материала с большим активным сопротивлением. Стержни с торцов привариваются к сегментам 7, которые образуют по окружности короткозамкнутые кольца. В синхронных генераторах (СГ) такая обмотка выполняется из медных стержней (малое активное сопротивление) – успокоительная или демпферная обмотка.

В СМ ротор вместе с ОВ называют индуктором, а статор вместе с обмоткой называют якорем. При мощности до 10–12 кВт СМ может иметь обращенную конструкцию, аналогичную конструкции машины постоянного тока, в которой индуктор неподвижен, а якорь вращается, причем коллектор заменяется тремя контактными кольцами, с которых щетки отводят трехфазный ток. Для крупных машин такая конструкция неприемлема, т.к. отвод из обмоток якоря больших токов при высоком напряжении с помощью скользящего контакта затруднен и изоляция вращающейся обмотки якоря высокого напряжения трудно осуществима. Нормальное исполнение явнополюсной СМ – с горизонтальным валом. Такое исполнение имеют СД, синхронные компенсаторы и быстроходные генераторы.

На современных ГЭС устанавливают мощные СМ с вертикальным валом – гидрогенераторы (ГГ). Это тихоходные машины с большим числом полюсов, например,

ГГ Красноярской ГЭС (500 МВт; 2р = 64).

ГГ Братской ГЭС ( 225 МВт; 2р = 48).

ГГ Саяно-Шушенская ГЭС ( 711 МВт; 2р = 42).

У таких машин диаметр якоря достигает 16, а высота до двух метров.

|следующая лекция ==>
РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОННОГО БИЗНЕСА В РОССИИ|Принцип действия асинхронной машины

Дата добавления: 2017-05-02; просмотров: 3037; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Похожие статьи:

Асинхронные двигатели

В асинхронных агрегатах весь процесс опирается на небольшую разницу в скорости между магнитными полями статора и ротора, вызывающую ток в обмотке ротора. Расчет мощности и предварительный выбор мотора производится по эквивалентному моменту сопротивления и частоте. Асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым и фазным ротором, как показано на структурной схеме.

Читайте так же:
Какое масло в трансмиссию Дастер 4 4?

Все основные параметры (обмотка, пазы статора) асинхронного мотора имеют соответствующие соотношения. Определиться с выбором техники помогают предварительный и проверочный расчёт основных параметров.

Однофазные асинхронные моторы бывают бытового назначения, потребляемая мощность их обычно невелика. К ним относятся:

  • вентиляторы,
  • кондиционеры,
  • стиральные машины,
  • компрессоры холодильников,
  • водяные насосы.

Трехфазные асинхронные двигатели используются там, где необходимо большое количество электроэнергии, например, в стартерах, гидравлических насосах. Приводы переменного тока становятся все популярнее с каждым годом.

Синхронные двигатели

Расчет начальных условий для синхронных двигателей здесь не особенно важен, потому что процесс эксплуатации не основан на скольжении и индукции. Синхронные двигатели бывают:

  • с электромагнитным возбуждением;
  • с постоянными магнитами;
  • реактивные, гистерезисные.

Однофазные синхронные электродвигатели являются распространенными источниками питания для работы электрических часов и другого мелкого высокоточного оборудования. Они требуют применения некоторого вспомогательного метода, чтобы довести их до синхронной скорости, то есть, чтобы запустить их. Обычно пусковая обмотка состоит из вспомогательной обмотки статора.

Работа трехфазных синхронных электродвигателей при постоянной синхронной скорости чаще используется для работы в системах синхронизатора.

Электродвигатели переменного тока различаются в зависимости:

  • от скорости работы – постоянной, переменной и регулируемой;
  • от конструктивных особенностей, то есть могут быть открытыми, полузакрытыми, вентилируемыми и т.д.

Если говорить про другие виды электродвигателей переменного тока, выпускаемые современной промышленностью, то, несмотря на широкое разнообразие, все они относятся к механически коммутируемым машинам, в которых скорость зависит от напряжения и соединения обмоток.

Выбор двигателя

Выбор электродвигателя того или иного типа осуществляется на основе технических расчетов, которые выполняются в установленной последовательности:

  • расчет мощности и ориентировочный выбор агрегата;
  • проверка мотора по пусковым параметрам, перегрузке и нагреву.

Требуемая мощность, скорость и другие параметры определяются на основании исходных данных – рабочих характеристик машины. Значения КПД отдельных узлов кинематической цепи должны соответствовать приведенным данным справочных таблиц.

В зависимости от принципа работы существуют следующие типы электродвигателей:

  1. асинхронники,
  2. синхронники.

Любой тип может быть одно-, двух- или трёхфазным. Трехфазные моторы составляют около 70% двигательной техники в промышленности. Однофазные также очень широко применяются в индустрии и составляют около 10-15% моторов.

Какие бывают типы электрических двигателей?

ЭкоТехника в Facebook Экотехника в Telegram ЭкоТехника в Twitter

  • Главная
  • Энергия
  • Солнце
  • Ветер
  • Вода
  • Земля
  • Рынок
  • Домой >
  • Статьи

Как работает электродвигатель, устройство «сердца» электрической машины

Электрические моторы

Ни одна сфера жизнедеятельности человека сегодня не обходится без электродвигателей. Эти устройства настолько прочно вошли в нашу повседневность, что выход из строя одного из них может как минимум испортить нам настроение на день, а как максимум остановить работу целого предприятия. Электродвигатели поднимают большие грузы на стройках, приводят в движение различные станки на заводах, передвигают общественный транспорт по городу, циркулируют воздух по вентиляционным каналам, помогают готовить еду на кухне и охлаждают детали наших компьютеров. Да что там говорить, если они присутствуют даже в детских игрушках.

Несмотря на такую ​​распространенность, автомобилей с электрическим приводом выпускается значительно меньше, чем их «собратьев» с двигателем внутреннего сгорания. На это есть технические и коммерческие причины, обзор которых мы оставили для отдельной статьи. А в этом тексте рассмотрим преимущества и недостатки электродвигателя и самое главное — его принцип действия.

Электрическая машина

Для начала нужно ввести понятие электрической машины, которой называют электромеханическое устройство для преобразования электрической энергии в механическую или механической в ​​электрическую, а также электрической энергии с одними свойствами в электрическую энергию с другими свойствами. Электродвигатель, в свою очередь, является разновидностью электрической машины. Если в механизме электрическая энергия преобразуется в механическую с выделением тепла — это электродвигатель.

В основе принципа действия электродвигателя лежит электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Преобразование электрической энергии в механическую электромагнитным полем впервые продемонстрировал британский ученый Майкл Фарадей в 1821 году. Он подвесил провод и погрузил его в ртуть, в центре ванны установил постоянный магнит, через провод начал пропускать ток. В результате провод начал оборачиваться вокруг магнита, тем самым показывая, что ток вызывает циклическое магнитное поле. Это был простейший электродвигатель, непригодный для практического использования.

Первым в мире электродвигателем, который можно было эффективно использовать в различных системах, считают изобретение россиянина Бориса Якоби. В отличие от других ученых, которые работали над тем, чтобы заставить железный сердечник двигаться в магнитном поле подобно тому, как движется поршень в паровой машине, он предложил механизм с якорем, который вращается, объяснив, что такое строение значительно проще и непосредственно вращательные движения превращать в другие виды легче. Вращение в двигателе Якоби происходило вследствие попеременного притяжения и отталкивания электромагнитов, которые периодически меняли полярность.

Устройство электродвигателя

С развитием науки и техники электродвигатели менялись, разрабатывались новые модели, совершенствовались старые. Но основных составляющих всегда было две: статор и ротор.

  • Статор — неподвижная часть, на которой размещены все вспомогательные детали, также используемый для закрепления на корпусе, установки на поверхности и т.д.
  • Ротор — подвижная часть двигателя, которая может вращаться внутри статора.

На обеих частях конструкции предусмотрены обмотки, которые работают как электромагниты. Также возможна комбинация из электромагнита на роторе и постоянного магнита на статоре, или наоборот. При подаче электрического тока на обмотки в них возникает магнитное поле с соответствующими полюсами. Вследствие этого происходит силовое взаимодействие между полями статора и ротора. Таким образом стороны обмоток с одинаковыми полюсами начинают отталкиваться друг от друга, а с противоположными — притягиваться. Подвижная часть сразу же пытается стать в такое положение, чтобы противоположные полюса совпадали.

Так происходит максимум пол-оборота, или 180 °. Для того, чтобы ротор двигался дальше и сделал полный оборот на угол 360 °, нужно изменить направление тока в одной из обмоток, в результате чего ее полярность изменится на противоположную и стороны с соответствующими полюсами снова начнут притягиваться. Если через определенный период переключать полярность подаваемого на обмотку тока, то вал ротора будет непрерывно вращаться.

В разных видах электродвигателей такая разница между векторами магнитных полей достигается различными путями. Например, длительное время широко применялись коллекторы, а двигатели, соответственно, назывались коллекторными. Типичный коллектор представляет собой барабан на валу ротора, на который выведены контакты всех обмоток в определенном порядке. Ток на контакты подается с помощью угольных щеточек, которые прижимаются к барабану пружинами. Недостатками такого механизма является необходимость периодической замены щеток, стирание контактов и шум, поэтому со временем более популярными стали бесколлекторные двигатели, в которых используются датчики положения ротора.

Количество обмоток на подвижной и неподвижной частях может отличаться. Чем их больше, тем больше плавность хода и более равномерно распределяется мощность.

Классификация электродвигателей

Различать типы электромоторов можно по нескольким признакам, но две самые распространенные группы отличаются по типу электропитания.

Читайте так же:
Как ставить асимметричные покрышки?

По типу тока, который подается на обмотки, электродвигатели бывают постоянного и переменного тока.

В свою очередь, первую группу в зависимости от наличия щеточно-коллекторного узла можно разделить на две: коллекторные и бесколлекторные. Возбуждение в коллекторных двигателях может происходить независимо с помощью постоянных и электрических магнитов, либо самовозбуждаться, при этом обмотка якоря может включаться параллельно, последовательно, частично-параллельно и частично-последовательно.

Среди двигателей, которые питаются от переменного тока, различают синхронные и асинхронные электродвигатели.

Синхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения. Существуют синхронные двигатели с дискретным углом перемещения ротора, заданное положение которого фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Такой вид называют шаговыми. Также можно выделить вентильные реактивные электродвигатели, питания обмоток которых формируется с помощью полупроводниковых элементов.

Асинхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается напряжением питания. Моторы такого типа могут иметь разное количество фаз переменного тока. Так, однофазные запускаются вручную или пусковой. Также различают двухфазные, трехфазные и многофазные. Именно асинхронные трехфазные электродвигатели в настоящее время являются наиболее распространенными в промышленности. При отсутствии питания током с тремя фазами, могут работать от однофазной электросети, однако с меньшей мощностью и большим нагрузкам на обмотки, которые могут выйти из строя из-за перегрева.

Следует отметить, что впервые модель асинхронного двигателя предложил знаменитый изобретатель Никола Тесла в Будапеште в 1882 году.

Также существует универсальный коллекторный электродвигатель, который может работать как от постоянного, так и от переменного тока. Конструкция предусматривает только последовательное подключение обмоток, поэтому его ротор вращается только в одном направлении независимо от полярности.

Генератор

Электродвигатель может не только потреблять электроэнергию, но и производить ее. В таком случае он называется генератором электрического тока. Если на вал ротора подать обороты, то в обмотках статора возникнет электродвижущая сила. Таким образом, например, в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания во время движения заряжается аккумулятор и снабжаются энергией другие приборы. В электромобилях и гибридах часто используется система рекуперации: когда водитель не давит на педаль газа (или тормозит), электроэнергия возвращается обратно в аккумулятор. В этом режиме не двигатель приводит в движение трансмиссию, а колеса буквально крутят ротор.

В общем, электродвигатели получили большую популярность в технике из-за таких преимуществ, как высокий коэффициент полезного действия и простота механизма. Диапазон мощности и габаритов чрезвычайно велик, что позволяет успешно использовать их как в мелких электронных приборах, так и в масштабной промышленной технике.

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

Какие бывают двигатели? Типы электродвигателей. Асинхронные двигатели

При питании обмотки статора трёхфазным (в общем случае — многофазным) током создаётся вращающееся магнитное поле, синхронная частота вращения 7ae76161358672724be28c2a08a628ab.png[об/мин] которого связана с частотой сети ec4e9dfbb8e117197c3d4727c19b1a62.png[Гц] соотношением:

где — число пар магнитных полюсов обмотки статора.

Конструкция

Как и любая электромеханическая машина, асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод; все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п.

Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120°. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения (вращения) магнитного потока обмотки возбуждения, поэтому его изготавливают шихтованным (набранным из пластин) из электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь.

По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из электротехнической стали и шихтованным.

Короткозамкнутый ротор

200px-am_klietka_stoc.jpgРотор асинхронной машины типа «беличья клетка»

Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличья клетка» из-за внешней схожести конструкции, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. В машинах малой и средней мощности ротор обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие самовентиляцию самого ротора и вентиляцию машины в целом. В машинах большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца.

Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки, а также для снижения шума, вызываемого магнитными причинами.

Асинхронные двигатели с таким ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком «беличьей клетки». Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты. Из достоинств следует отметить лёгкость в изготовлении, малый момент инерции и отсутствие механического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание.

Фазный ротор

Фазный ротор имеет трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, обычно соединённую по схеме «звезда» и выведённую на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора включают пускорегулирующий реостат, выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы.

В двигателях с фазным ротором имеется возможность увеличивать пусковой момент до максимального значения(в первый момент времени) с помощью пускового реостата, тем самым уменьшая пусковой ток. Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке.

Конструкция ротора

Как и любой другой, синхронный электродвигатель состоит из двух основных частей:

  • Статор. В нём расположены обмотки. Его еще называют якорем.
  • Ротор. На нём устанавливают постоянные магниты или обмотку возбуждения. Его также называют индуктором, из-за его предназначения — создавать магнитное поле).

Для подачи тока в обмотку возбуждения на роторе устанавливают 2 кольца (так как возбуждение постоянным током, на одно из них подают «+», а на другое «—»). Щетки закреплены на щеткодержателе.

sinhronnye-dvigately-5-e1558983280576-500x235.jpg

Роторы у синхронных электродвигателей переменного тока бывают двух типов, в зависимости от назначения:

  1. Явнополюсные. Четко видны полюса (катушки). Используют при малых скоростях и большом числе полюсов.
  2. Неявнополюсные – выглядит как круглая болванка, в прорези на которой уложены провода обмоток. Используют при больших скоростях вращения (3000, 1500 об/мин) и малом числе полюсов.

sinhronnye-dvigately-6-500x260.jpg

Принцип действия и устройство электромашин разных типов

Асинхронные и синхронные электродвигатели похожи по конструкции, но есть и отличия.

Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

Это самые распространённые машины переменного тока. Такие электродвигатели состоят из трёх основных частей:

  • Корпус с подшипниковыми щитами и лапами или фланцем.
  • В корпусе находятся магнитопровод из железных пластин с обмотками. Этот магнитопровод носит название статор.
  • Вал с подшипниками и магнитпроводом. Эта конструкция называется ротор. В электродвигателях с короткозамкнутым ротором в магнитопроводе находятся соединённые между собой алюминиевые стержни, эта конструкция носит название «беличья клетка». В машинах с фазным ротором вместо стержней намотаны обмотки.
Читайте так же:
Как раздать интернет с айфона на компьютер Windows 7?

В пазах статора со сдвигом 120° намотаны три обмотки. При подключении к трёхфазной сети в статоре наводится вращающееся магнитное поле. Скорость вращения называется «синхронная скорость».

Справка! В однофазных электродвигателях вращающееся поле создаётся дополнительной обмоткой или конструктивными особенностями статора.

Это поле наводит ЭДС в роторе, возникающий при этом ток создаёт своё поле, взаимодействующее с полем статора и приводящее его в движение. Скорость вращения ротора меньше синхронной скорости. Эта разница называется скольжение.

Рассчитывается скольжение по формуле S=(n1-n2)/n1*100%, где: · n1 — синхронная скорость; · n2 — скорость вращения ротора.

на скольжения в обычных электромоторах 1-8%. При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение и вращающий момент растут до критической величины, при достижении которой двигатель останавливается.

В электродвигателях с фазным ротором вместо беличьей клетки в пазах ротора намотаны три обмотки. Через токосъёмные кольца и щётки они подключаются к добавочным сопротивлениям. Эти сопротивления ограничивают ток и магнитное поле в роторе. Это увеличивает скольжение и уменьшает скорость двигателя.

Такие аппараты используются при тяжёлом пуске и в устройствах с регулировкой скорости, например, в мостовых кранах.

Принцип действия синхронных электродвигателей

Справка! В роторе синхронных машин малой мощности вместо электромагнитов установлены постоянные или просто магнитопровод имеет явновыраженные полюса. Скольжение, как в асинхронных машинах, отсутствует, и частота вращения определяется только частотой питающего напряжения.

Читайте также: Как правильно пишется хендай на английском

Сравнение

Главное отличие синхронного двигателя от асинхронного заключается в соотношении величины частот вращения ротора и магнитного поля. В агрегате первого типа оба показателя одинаковые. В асинхронной машине — разные.

Можно отметить, что электродвигатели второго типа в целом более распространены, чем первые. При этом асинхронные агрегаты чаще всего представлены в разновидности, в которой инсталлирован короткозамкнутый ротор. Данные устройства имеют ряд важнейших преимуществ перед электродвигателями иных категорий. А именно:

  1. простота конструкции, надежность;
  2. относительно невысокая себестоимость производства, эксплуатации;
  3. способность функционирования при задействовании имеющихся ресурсов сети без подключения преобразователей.

Вместе с тем асинхронные машины с короткозамкнутым ротором обладают и рядом недостатков. А именно:

  • наличие малого пускового момента;
  • наличие большого пускового тока;
  • пониженный коэффициент мощности;
  • низкая управляемость с точки зрения регулирования скорости;
  • зависимость максимальной скорости от частоты электрической сети;
  • электромагнитный момент в асинхронных двигателях рассматриваемого типа характеризуется сильной чувствительностью к снижению напряжения в сети.

В свою очередь, у синхронных агрегатов также есть неоспоримые достоинства. К таковым можно отнести:

Читайте также: Как сделать пересвет приборной панели

  • относительно невысокую чувствительность к перепадам напряжения в сети;
  • стабильность вращения вне зависимости от нагрузки на ротор.

Есть у синхронных двигателей и недостатки:

  • относительная сложность конструкции;
  • сложность запуска ротора в ход.

Отмеченные особенности работы синхронных и асинхронных агрегатов делают оптимальным использование первых в случае, если требуемая мощность двигателя в системе (например, как части инфраструктуры фабричной линии) должна составлять порядка 100 кВт и более. В остальных случаях задействование асинхронных машин, как правило, становится более предпочтительным.

Двигатель электромобиля – разновидности и принцип работы

Двигатель электромобиля – разновидности и принцип работы

Экологичные автомобили, будь-то «чистые» электромобили или плагин-гибриды объединяет наличие электродвигателя, в качестве основной движущей силы. Работа современного электрического двигателя основана на принципе электромагнитной индукции, в базе которого лежит выработка электродвижущей силы в замкнутом контуре с изменением магнитного потока. Технология не нова, однако современные достижения науки и техники позволили развить ее до невероятных высот. Немалую роль в этом сыграла и возросшая в десятки раз мощность и емкость аккумуляторных батарей, которые выполняют роль топливного бака в современных электрических и гибридных автомобилях.

Электромобиль Nissan Leaf в «разрезе»: батарея с электродвигателем

Электромобиль Nissan Leaf в «разрезе»: батарея с электродвигателем

Тем не менее, нельзя со 100% уверенностью утверждать, что все электродвигатели одинаковы. Многие ошибочно считают электродвигатель довольно простой установкой, однако стоит, к примеру, учитывать тот факт, что в отличии от ДВС, у электрического двигателя практически 90% КПД выделяемой энергии идет на создание крутящего момента. Согласитесь, что подобную мощность необходимо обуздать и уметь с ней обращаться, а для этого нужно знать некоторые нюансы о работе и разновидностях электрических двигателей.

Электродвигатели – особенности эксплуатации и принцип работы

К главным особенностям электрического двигателя относится несколько важных характеристик:

  1. Крутящий момент мотора достигает своего максимума сразу при включении, таким образом, электромобили не требуют наличия характерных для ДВС стартеров и сцеплений.
  2. Работа агрегата на обширном числе оборотов, позволяет электромобилю обходиться без коробки переключения передач. Для изменения стороны вращения двигателя (включение заднего хода) достаточно поменять полярности.

Электродвигатель Nissan Leaf

Электродвигатель Nissan Leaf

Однако все понимают, что стартовать на электромобиле со всего потенциала крутящего момента, который гораздо мощнее многих автомобилей с ДВС, никто не будет. По меньшей мере, это небезопасно, и что немаловажно это влечет неэффективный расход заряда батарей. Поэтому традиционно электродвигатели должны отвечать следующим требованиям:

  • иметь безопасное и удобное для эксплуатации строение;
  • обладать гарантией длительной эксплуатации;
  • иметь компактные габариты.

Как уже упоминалось, работа современного электродвигателя основана на давно известном принципе электромагнитной индукции. Традиционно агрегат состоит из недвижимого элемента – статора, и крутящегося – ротора. Статор имеет ряд обмоток на которые поступает электрический ток, что приводит к появлению магнитного поля, при котором ротор начинает свое движение. Скоростные показатели ротора определяются частотой, с которой происходит переключение тока с одной обмотки статора на другую.

Двигатели для электромобилей – разновидности и классификация

В современных автомобилях с электрической тягой серийного производства наиболее часто используют три типа электрических двигателей.

Асинхронные двигатели. Моторы непостоянного тока, в которых скорость вращения ротора различается с потенциалом напряжения магнитного поля, созданным источником питания. Различают одно, двух и трехфазные агрегаты асинхронного типа.

Асинхронный трехфазный электродвигатель переменного тока Tesla Model S

Синхронные двигатели. Электромотор, работающий на переменном токе, с движением ротора полностью симметричным электромагнитному полю. Подобные электродвигатели используют при повышенных мощностях. Различают шаговые и вентильные синхронные электродвигатели. Для первых характерно точное расположение ротора с подачей питания на конкретную обмотку, а чтобы изменить положение ротора, напряжение между обмотками необходимо перенаправить. Для второго типа агрегатов характерно питание от полупроводниковых составляющих.

Синхронный электродвигатель Mitsubishi i MiEV

Синхронный электродвигатель с постоянным магнитом Mitsubishi i-MiEV

Двигатель-колесо. Тип электромотора сила напряжения и крутящий момент которого рассчитан на конкретное колесо. Данный тип электропривода часто используется в плагин-гибридных автомобилях в рабочем тандеме с двигателем внутреннего сгорания. Агрегат может устанавливаться непосредственно в колесо, однако современные электромобили все больше отходят от такого расположения мотора, поскольку это увеличивает удельный вес шасси и снижает управляемость. Более рационально стало использовать двигатель в качестве полноценного привода для вращения колеса.

Читайте так же:
Какое давление топлива Нива Шевроле?

Двигатель-колесо

Что касается регулировок управления электродвигателя, то за преобразование постоянного тока от аккумуляторных батарей в трехфазный переменный – отвечает инвертор.Трансмиссия – выполняющая роль сцепления и коробки передач, зачастую представлена одноступенчатым зубчатым редуктором.Остальные параметры работы электродвигателя регулируют электронная система управления, которая индивидуальна для каждой марки электрокара или гибрида.

Видео как работает электродвигатель и другие механизмы электромобиля на примере Tesla Model S

Хотелось бы подчеркнуть, что представленная классификация и система работы электродвигателей далеко не финальная. Стремительное развитие отрасли эко автомобилей только входит в начальную стадию, поэтому кардинального изменения принципа работы, мощности, строения электромоторов можно ожидать уже в ближайшее время.

Какие электродвигатели используются в гибридных и плагин-гибридных автомобилях

Гибридные автомобили имеют собственную специфику использования электромоторов. Во многом электродвигатель гибрида выполняет роль вспомогательного элемента, повышающего мощность основного двигателя внутреннего сгорания и снижающего уровень потребления топлива.

Электродвигатели используемые в гибридах можно разделить на несколько разновидностей:

  • Встроенная помощь мотору. Электродвигатель который берет на себя часть усилий по созданию крутящего момента при движении.
  • Встроенный генератор стартера. Электродвигатель, который только приводит автомобиль в движение.
  • Старт/стоп двигатель. Электродвигательная система, которая отключает основной ДВС при остановке и мгновенно запускает его при начале движения.

Кроме указанных подвидов классифицируют три типа использования электродвигателя:

  • Параллельной работы. В данном типе электродвигатель питается от батарей, а ДВС от топливного бака. Обе категории двигателей создают крутящий момент для движения автомобиля.
  • Последовательной работы. Заведенный двигатель внутреннего сгорания включает генератор, который или заводит электродвигатель или подзаряжает аккумуляторный блок.
  • Параллельно-последовательной работы. Данный тип гибридного двигателя соединяет электромотор, генератор, ДВС и колеса редуктором.

По большей части в гибридах используется принцип параллельной работы электродвигателя и ДВС. Его применяют также в подключаемых гибридах (плагин-гибридах), в которых по мере истечения заряда аккумуляторных батарей подключается ДВС малой мощности, работа которого в направлена на восполнение заряда АКБ.

Видео работы новой гибридной системы плагин-гибрида Toyota Prius

Преимущества и недостатки использования электродвигателей

Как и любой двигатель, электромотор в электромобиле имеет собственные плюсы и минусы использования. Для понимания данных особенностей электромоторов приведем таблицу:

  • Небольшие габариты и малый вес.
  • Максимальный крутящий момент доступен с момента включения (при нулевых оборотах) двигателя.
  • Высокая, фактически ничем не ограниченная производительность.
  • Возможность использования рекуперативной энергии.
  • Экологически чистая работа.
  • Минимум движущихся деталей требующих замены или ремонта.
  • Отсутствие необходимости в КПП.
  • Зависим от настроек программного обеспечения, питания и производительности аккумуляторных батарей.

Будущие перспективы электродвигателя в автомобилях

Говорить о перспективах, при активном использовании электродвигателей в автомобилях, уже не разумно. Сейчас можно говорить только о происходящих и грядущих улучшениях электромоторов.

Сам электродвигатель, это достаточно совершенное устройство, апгрейд которого происходит исключительно в зависимости от потенциала использования. Ближайшие тенденции по улучшению электродвигателя направлены в сторону уменьшения размеров и массы, с сохранением и увеличением производительности.

Гораздо больше работы проводится по улучшению источников энергии для электродвигателя, а точнее аккумуляторных батарей. Их также стараются сделать меньше и легче, увеличивая объем, отдачу энергии, но при этом снижая время на подзарядку. Работа над АКБ устанавливаемых на электромобили, сейчас наиболее приоритетная в отрасли производства электромобилей, гибридных и плагин-гибридных авто.

Новый прорыв в создании двигателей для электромобилей

С каждым годом электромобили приобретают всё большую популярность в мире. Крупнейшие автопроизводители могут предложить марки и модели в соответствии с любыми запросами и бюджетом. Будь-то «чистые» электромобили или плагин-гибриды объединяет наличие электродвигателя в качестве основной движущей силы. Именно от его показателей, наряду с возможностями аккумуляторной батареи, зависят наиболее важные характеристики электромобиля

В связи с популярностью и экологичностью электромобилей, электроскутеров, промышленных квадрокоптеров и других электрических машин рынок электродвигателей в двадцать первом веке быстро растет. На конец 2019 года только на внутреннем рынке Китая насчитывается больше 400 производителей электромобилей. На рынок приходят новые технологии производства электродвигателей и аккумуляторных батарей – такой прорыв делает электротранспорт всё более доступным.

Класcика

Казалось бы, что можно придумать новое, отличное от существующего? Ведь работа современного электродвигателя основана на известном принципе электромагнитной индукции, в основе которого лежит получение электродвижущей силы в замкнутом контуре с изменением магнитного потока. Традиционно агрегат состоит из недвижимого элемента – статора, и вращающегося – ротора. Статор имеет ряд обмоток, на которые поступает электрический ток, что приводит к появлению магнитного поля, за счет которого и вращается ротор. Скоростные показатели ротора определяются частотой, с которой происходит переключение тока с одной обмотки статора на другую. Технология не нова, однако современные достижения науки и техники позволили развить ее до невероятных высот

электродвигатель, электромобиль, электроскутер

Анализ существующих отечественных и зарубежных разработок

Анализ существующих отечественных и зарубежных разработок показал, что практическое применение в электромобилях получили электроприводы следующих типов: вентильные электродвигатели, асинхронные частотно-управляемые, электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением и электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. Сопоставление достоинств и недостатков этих двигателей с учетом эксплуатационных требований дает следующие результаты. Наиболее высокий КПД имеют вентильные электродвигатели. КПД электродвигателей постоянного тока и асинхронных электродвигателей примерно равны, однако в последнее время асинхронные частотно-управляемые двигатели, имеющие электрические машины с малым скольжением и более точное электронное управление на основе специализированных быстродействующих микроконтроллеров с набором соответствующих датчиков (векторное управление), достигают КПД, сравнимый с КПД вентильных электродвигателей.

Что имеем

На сегодняшний день наиболее популярным из существующих электродвигателей для электромобилей остается асинхронный двигатель, созданный ещё в XIX веке. Его конструкция оказалась гениально простой и настолько удачной, что все дальнейшие преобразования не касались принципа действия, затрагивая лишь технологию изготовления тех или иных деталей. Например, модифицироваться могли подшипники, на которых крепился вал двигателя, менялась форма обмоток ротора и статора, однако принцип работы асинхронного двигателя оставался прежним.

асинхронный двигатель, ротор, статор

К преимуществам двигателей такого типа относятся простота обслуживания и отсутствие подвижных контактов. Здесь нет щеток и контактных колец, питание подается только на неподвижную трехфазную обмотку статора, что и делает этот двигатель весьма удобным для самых разных сфер применения, практически универсальным. Такой двигатель прост в изготовлении и сравнительно дешев, затраты при эксплуатации минимальны, а надежность высока.

Если говорить о недостатках асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, то их несколько. При включении двигателя в сеть пусковой ток довольно велик, при этом пусковой момент значительно меньше номинального. В основном этот недостаток как и проблема регулировки оборотов, преодолевается применением частотного преобразователя, позволяющего плавно повышать обороты, и таким образом обеспечить достаточно высокий пусковой момент. Это достигается тем, что скорость вращения такого электродвигателя зависит от частоты переменного тока, т. е. изменив частоту тока, можно изменить скорость вращения ведущих колёс, что позволяет легко контролировать скорость электромобиля.

Читайте так же:
Какой крутящий момент должен быть у шуруповерта?

HELV Motors, экоавтомобиль, аккумулятор

Еще одним недостатком асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором является их низкий коэффициент мощности, особенно при малой нагрузке и на холостом ходу, что снижает эффективность данной электрической системы в целом.

Сам электродвигатель — это достаточно совершенное устройство, но, поскольку стремительное развитие отрасли экоавтомобилей только входит в начальную стадию, кардинального изменения принципа работы, улучшение показателей (удельной мощности и экономичности) и его устройства можно ожидать уже в ближайшее время.

Традиционно электродвигатели для автомобилей должны отвечать следующим требованиям:

  • иметь безопасное и удобное для эксплуатации устройство;
  • обладать высокой удельной мощностью и экономичностью;
  • обладать высокой надежностью и безопасностью при длительной эксплуатации;
  • иметь компактные габариты;
  • работать в широком диапазоне частот вращения с высокими показателями, что позволит электромобилю обходиться без коробки передач.

HELV Motors, США, электродвигатель

Новый прорыв

Для электромобиля важна надёжность конструкции и ещё более – высокий кпд электродвигателя. От эффективности работы электродвигателя зависит величина расстояния пробега электромобиля от одной зарядки аккумуляторов, поэтому: чем выше кпд, — тем лучше.

Мировой рынок сбыта электродвигателей стремительно развивается. Согласно новому отчету Grand View Research, Inc. к 2025 году, как ожидается, он достигнет 214,5 млрд. долларов США. Именно быстрые технологические достижения являются основным драйвером роста рынка.

С целью достижения высоких технико-экономических показателей электродвигателя, прежде всего получения максимальной мощности и крутящего момента, при минимальном потреблении энергии необходимо уменьшить ее внутренние потери.

В России запатентован высокопроизводительный оригинальный электродвигатель американской компании Buddha Energy Inc. Примечателен тот факт, что автор электродвигателя является россиянином. В США электродвигатели продаются под торговой маркой HELV Motors. Компания Buddha Energy Inc. занимается разработкой инновационных электронных контроллеров и электродвигателей. Компания имеет патенты на разработку в крупнейших индустриальных странах. Их разработки ориентированы на зеленые технологии и охрану окружающей среды, сокращение использования природных ресурсов.

Buddha Energy Inc, Россия, электродвигатель

Особенностью электродвигателя HELV является его форма. Он спроектирован в виде шара таким образом, что полная площадь магнитного поля статора взаимодействует с полной площадью магнитного ротора при минимальном рассеивании магнитного поля, что дает высокий крутящий момент при небольшом размере двигателя.

В ходе стендовых испытаний, сила на валу тестового двигателя массой 2,8 кг и диаметром 119 мм составила 80 Нм. Примечательно, что сам двигатель может развить и большую мощность, но на текущий момент контроллер для его управления рассчитан только на 6 кВт. Таким образом при напряжении в 60 вольт и токе 100 ампер, двигатель показал статический крутящий момент в 80 Ньютон метров при оборотах 3900 об/м. Максимальная мощность двигателя может быть увеличена в несколько раз. Компания работает над созданием контроллера на 22 кВт.

Обычно с целью уменьшения воздействия токов Фуко на металл электродвигателя, а, соответственно, уменьшения потерь на нагрев, статоры синхронных и асинхронных электрических машин изготовлены из набора изолированных между собой пластин из тонкого железа. На электродвигателях марки «HELV Motors» компании Buddha Energy Inc. корпус статора выполнен из композитов, что позволило уменьшить его вес и максимально сократить потери от эффекта токов Фуко. В двигателях HELV не используются металлические сердечники, это позволяет значительно снизить вес двигателя без потери мощности. Особенно это важно для квадрокоптеров и вертолетов.

Благодаря специальному корпусу (крышке) диамагнитного статора все магнитные поля ротора и катушек концентрируются на небольшой площади и не выходят за пределы двигателя, что позволяет создавать высокую мощность при низком потреблении электроэнергии.

Композит статора дает возможность легко придавать ему нужную форму без использования дорогостоящего оборудования для обработки металла. Это позволит дополнительно снизить стоимость готовых электродвигателей.

двигатели HELV, магнитное поле, автомобиль

Статор изготовлен таким образом, что двигатель может быть установлен как вертикально, так и горизонтально.

К преимуществам электродвигателя HELV следует также отнести:

  • небольшие габариты и малый вес;
  • максимальный крутящий момент, который доступен с момента включения (при нулевых оборотах) двигателя;
  • возможность получения рекуперативной энергии;
  • экологически чистая работа;
  • минимум движущихся деталей, требующих замены или ремонта;
  • отсутствие необходимости в коробке передач автомобиля.

Компания Buddha Energy Inc. предлагает ряд высокоэффективных низковольтных электродвигателей нового поколения на основе оригинально расположенных магнитных полей под торговой маркой «HELV Motors» мощностью от 5,6 кВт до 75 кВт

Так электродвигатель HELV мощностью 5,6 кВт при макс. 5600 об / мин, требует напряжения 75 В и потребляет ток до 100 А, в зависимости от нагрузки. В зависимости от модели двигателя обороты составляют от 65 до 75 оборотов на Вольт.

В целом к преимуществам электродвигателей компании «HELV Motors» следует отнести: малый вес и компактный размер, низкое потребление напряжения, умеренный нагрев при работе и большой крутящий момент вала в сравнении с низким энергопотреблением. Сферические катушки статора имеют низкое сопротивление, что позволяет создавать сильные магнитные поля внутри катушек при низком напряжении.

По имеющейся информации можно предположить, что авторы разработки изобрели нечто уникальное, которое может осуществить новый виток в энергетике, в понимании использования сил природы на благо человечества.

В целом изобретателям удалось решить сложную техническую задачу — смоделировать точное взаимодействие магнитных полей в пространстве, в том числе внутри композитов. Они также проверили магнитные взаимодействия полей на практике. С этой целью на 3D принтере был напечатан лабораторный стенд для проверки взаимодействия магнитных полей ротора и статора. После проверки нескольких десятков вариантов обмоток статора был найден вариант, при котором взаимодействие полей статора и ротора происходило наилучшим образом. Всё остальное было делом техники. На этом же принципе сконструирован шарообразный электродвигатель HELV.

Как утверждают авторы разработки, моторы HELV с их соотношением размеров и мощности — это нечто фантастическое. Реализация данного изобретения стала возможной благодаря новым доступным материалам и новым идеям, которые стали ключевым фактором успеха прорывного эксперимента — изобрести что-то новое, что-то важное. При доводке конструкции синхронизировать контроллер с электродвигателем HELV было достаточно непросто. Контролировать его на высоких нагрузках еще сложнее. Но на сегодняшний день изделие почти готово к массовому производству.

Компания утверждает, что двигатель рассчитанный на мощность 40 кВт будет весить не больше 9,7 кг, а диаметр будет не больше 22 сантиметров. Такие характеристики дадут возможность устанавливать данный двигатель на электрические автомобили, лодки, электромотоциклы и квадрокоптеры. В 2019 году компания заявила, что скорость вращения топовой модификации двигателя составляет 30 000 оборотов в минуту при напряжении в 400 вольт, а пиковая мощность электродвигателя в линейке продукции составляет 95 кВт. Данная модель еще не представлена в линейке продукции компании.

Таким образом, произведен прорыв в создание самых современных и эффективных электродвигателей. Остаётся только правильно подобрать его мощность для достижения заданных технических характеристик автомобиля. Требуемая мощность, во многом зависит от типа трансмиссии. Если электродвигатель будет подключен к колёсам через коробку передач, — то достаточно и небольшой мощности, а если напрямую к дифференциалу, – тогда потребуется двигатель более мощный.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector