Виды электродвигателей, их особенности, характеристики и применение

Электрический двигатель — механизм, преобразующий электрическую энергию в механическую, эта работа происходит в результате получения энергии от разных источников питания. И хотя задачу решают примерно одинаковую, они значительно отличаются, и это обуславливает сферу их деятельности. Рассмотрим, какие виды электродвигателей бывают, какие отличительные черты имеют двигатели в лифтах и на промышленном предприятии от установленных в стиральной машине и детских игрушках, — и как понять, какого типа двигатель необходим для решения определенных целей.

Электродвигатели: классификация

Существует несколько параметров, по которым различаются электрические двигатели. Самый главный — разновидность питания и наличие или отсутствие скользящего контакта. Рассмотрим данные классификации более предметно.

По типу питания электродвигатели бывают:

• с источником постоянного тока (коллекторные и вентильные);
• с источником переменного тока (питание бывает однофазным или трехфазным, а сами двигатели — синхронного и асинхронного вида);
• универсального типа.

Последний — универсальный — тип двигателя способен функционировать как при постоянном, так и при переменном напряжении, его называют универсальным коллекторным двигателем, имеющим обмотки возбуждения.

Также есть классификация исходя из способа передачи электрического питания:

• щеточного типа (надежные, практически бесшумные, менее требовательны в обслуживании);
• бесщеточного типа.

С постоянным током

В 1820-х годах Майклом Фарадеем были проведены первые опыты с электромагнитным полем, а уже в 1881 году был запущен первый электрический трамвай, что говорит о бурном развитии и важной практической направленности разработок с электродвигателями. С того времени и до наших дней произошла огромная эволюция электрических двигателей — стоит только отметить размеры и мощность двигателя постоянного тока в современном смартфоне. Похожие используют в различных игрушках и бытовых приборах, а обладающие наибольшей мощностью — в электровозах с мощностью более 800 киловатт с напряжением 1,5 кВ.

Рассмотрим разновидности электродвигателей с источником постоянного тока.

Коллекторные

Коллекторный двигатель, работающий от источника постоянного тока, состоит из двух основных частей: статора и ротора, или якоря (неподвижная и подвижная части). На статор устанавливается несколько магнитных полюсов и либо постоянные магниты, либо обмотки возбуждения — это зависит от того, какая мощность необходима в результате.

Статором создается постоянное магнитное поле. Вторая основная часть двигателя, пропускающая через себя переменный ток, вращается внутри статора — так образуется магнитное поле, которое вызывает вращение ротора. Коллектор обеспечивает периодическое переключение направления тока в обмотках ротора, что влечет за собой непрекращающееся движение ротора, причем в одном направлении.

Универсальные

Привычная нам бытовая техника в большинстве случаев имеет универсальный коллекторный двигатель (если техника работает от сети). Ее механизм схож с описанным выше. Возникает вопрос: что позволяет двигателю работать и от постоянного, и от переменного напряжения. Дело в том, что в механизме происходит взаимодействие магнитных полей полюсов и роторных обмоток. Это и позволяет коллекторному электродвигателю работать на переменном токе. Обмотка возбуждения и якоря имеет последовательное соединение, поэтому изменение полярности питания происходит примерно в одинаковое время. То, что изменено в таком типе двигателя, — это преобразование сердечника якоря, его сделали шихтованным в целях стабилизации взаимодействия магнитных полей якоря и полюсов.

Характеристика и сфера применения

Коллекторные двигатели — наиболее популярный тип, который используется в бытовых и строительных приборах благодаря большому количеству достоинств:

• большая скорость, до которой они могут разгоняться (вплоть до десяти тысяч оборотов в минуту);
• одним из основных преимуществ является приемлемая цена, которую можно позволить для небольшого бытового прибора;
• хорошая управляемость в целом и скоростью в частности;
• простота конструкции;
• хорошая работа крутящего момента при выставлении небольшого показателя оборотов.

Достоинства данного типа электродвигателей определяют широкий спектр их применения: стиральные машины, фены, блендеры и миксеры, дрели и перфораторы, шуруповерты, то есть приборы, в которых важна скорость вращения, плавная регулировка и крепящие элементы.

Ощутимый минус в работе коллекторных двигателей — наличие щеток, которые требуют надлежащего ухода. В процессе работы происходит их истирание, необходима замена щеток и чистка коллектора. Второй минус — значительный шум при работе (только вспомните, как шумит миксер при взбивании).

Вентильные

Другие названия вентильных электродвигателей — вентильно-индукторные, бесколлекторные и бесщеточные.

Вентильно-индукторный двигатель

Вентильные — самые маленькие по размеру из всех электрических двигателей. Источник их питания — постоянный электрический ток, который поступает на статорные обмотки, а ротор сделан из постоянных магнитов. Оба эти элемента характеризуются зубчатым строением. Механизм работы таков, что вентильным двигателем управляет электронный прибор, который обеспечивает подачу питания на нужную в данный момент пару обмоток на статоре.

Питание в таком типе двигателя подается на одну пару обмоток, следовательно, идет возникновение магнитного поля, к нему приближается магнитный полюс, потом питание подается на другую пару обмоток, магнитный полюс притягивается к этой паре. Ротор вращается, но вращение получается рывками — механизм обусловлен магнитной индукцией, щетки не задействованы. Такой механизм не подходит для определенной сферы деятельности, например, транспортной, где нужна плавность движения, однако среди преимуществ вентильно-индукторных двигателей можно отметить следующие:

• простая конструкция;
• хорошее управление скоростью;
• отсутствует коллектор;
• небольшой размер.

Эти достоинства позволяют применять их в случаях, когда не могут использоваться асинхронные двигатели.

С независимым возбуждением

Электродвигатель такого типа имеет значительные различия по принципу работы и сфере применения — это механизм, в котором на якорь и статор подается напряжение с разных источников питания, что обеспечивает плавный запуск и ход, так как возбужденное поле не изменяется. Минус такого типа двигателей — быстрая поломка якоря, сложность конструкции и необходимость преобразователя. Среди основных плюсов можно выделить следующие:

• легкое управление скоростью вращения;
• отсутствие магнитов, щеток и коллектора.

Переменного тока

Электродвигатель переменного тока может быть синхронным или асинхронным. Главное отличие — в скорости вращения ротора. Разберем подробнее каждый тип.

Синхронный

Ротор синхронного двигателя вращается с частотой вращения магнитного поля статора, то есть синхронно, что обуславливает его название. Они широко применяются в промышленном производстве (приводы насосов, компрессоров, генераторов), сфере жилищно-коммунального хозяйства, в металлургии, авиации и в морском транспорте.

Асинхронный

Возможность питания от трехфазной сети позволяет широко использовать асинхронные двигатели на различных видах промышленных производств.

Роторы в таких двигателях бывают короткозамкнутые или фазные: первый вид полностью вылит из металла, а второй представляет собой клетку из стержней с заливкой алюминием. Ротор помещается внутрь статора — зазор должен составлять около двух миллиметров, но не больше. Далее идет подача напряжения, формируется магнитное поле, которое оказывает воздействие на ротор, и он начинает вращаться. В этом механизме не задействованы коллектор и щетки, поэтому двигатель называют бесщеточным, бесколлекторным.

Асинхронный с разными роторами

Такой тип двигателя имеет характерную особенность: статор и ротор при включении создают вращающиеся с разной частотой магнитные поля (частота вращения поля ротора всегда будет меньше частоты вращения статора). Магнитный поток, образованный обмотками статора, создает электродвижущую силу в проводниках ротора, при этом взаимодействии возникает электромагнитная сила, которая приводит во вращение вал двигателя.

Однофазные модели

Однофазные модели асинхронных электродвигателей имеют в статоре две обмотки: фазную и вспомогательную (стартовую), которая необходима для начального набора мощности, чтобы началось полноценное вращение.

Трехфазные

Асинхронные трехфазные электродвигатели применяются в механизмах, в которых не требуется регулировать частоту вращения. На сегодня это самый популярный вид двигателей: эксперты говорят о том, что 9 из 10 двигателей во всем мире — это двигатели такого типа. Такое распространение трехфазные асинхронные двигатели получили благодаря простой конструкции, возможности использования напряжения сети в 380 В без дополнительных устройств, простоте эксплуатации и приемлемой цене.

Взрывозащищенные

Нельзя не упомянуть особый вид асинхронных двигателей — трехфазные взрывозащищенные электродвигатели. Они имеют надежную защиту и способны выдерживать взрывные удары, которые могут сопровождать работу на химическом, нефтедобывающем, перерабатывающем или газовом производстве.

Сфера применения асинхронных двигателей

Сфера использования таких электродвигателей многообразна. Благодаря их преимуществам: отсутствию коллектора и щеток, редкому и несложному обслуживанию, долговечности эксплуатации, простому механизму и его приемлемой цене, возможности подключения напрямую к сети, — асинхронные двигатели применяются и на производстве, и в быту.

Промышленные процессы — основное предназначение асинхронных двигателей, области, где не требуются высокие скорости и быстрое их изменение, а нужна надежность, стабильность и долговечность. Важной областью применения асинхронных двигателей является приведение в действие оборудования на промышленном производстве.

Самая большая скорость, которую может обеспечить такой двигатель, — 3 тысячи оборотов в минуту. Чтобы ее уменьшить, нужно понижать напряжение, но делать это осторожно — при сильном уменьшении возможен перегрев двигателя и выход его из строя. Однако эта проблема решается благодаря применению частотных преобразователей: напряжение подается или через них, или путем встраивания этого блока в механизм (так получаются инверторные двигатели). В таких случаях изменение скорости происходит в максимально возможных пределах даже по сравнению с двигателями постоянного тока, также можно регулировать момент плавного пуска и выключения.

Как выбрать электродвигатель

Мы рассмотрели очень кратко виды и характеристики электродвигателей и можем сделать вывод: нельзя однозначно сказать, какой из видов электродвигателей лучше, а какой — хуже. В каждом конкретном случае все зависит от требований заказчика, то есть от задач, которые ставятся перед механизмом:

• если вы выбираете двигатель для насоса, то лучшим вариантом станет асинхронный двигатель без частотного регулирования;
• для электродрелей, стиральных машин и миксеров обычно выбирают коллекторные двигатели — если брать более бесшумные и долговечные, то они будут стоить намного дороже;
• для электрического транспорта (троллейбусов, трамваев, пригородных электричек, электровозов) используются электродвигатели с постоянным током;
• в промышленном производстве используются двигатели переменного тока, например, на химическом производстве, в металлургии и при добычи полезных ископаемых требуются взрывозащищенные трехфазные двигатели.

🞢