Электродвигатели

Электрический двигатель, сокращенно электродвигатель - электрическая машина, с помощью которой электрическая энергия преобразуется в механическую, для приведения в движение различных механизмов. Электродвигатель является основным элементом электропривода.

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является - электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор - неподвижная часть, ротор - вращающаяся часть.

Стандартная конструкция вращающегося электродвигателя
Стандартная конструкция вращающегося электродвигателя

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Принцип работы электродвигателя

Принцип работы двигателя
1. Согласно закону Ампера на проводник с током I в магнитном поле будет действовать сила F.
2. Если проводник с током I согнуть в рамку и поместить в магнитное поле, то две стороны рамки, находящиеся под прямым углом к магнитному полю, будут испытывать противоположно направленные силы F
Принцип работы электродвигателя
Принцип действия электродвигателя
3. Силы, действующие на рамку, создают крутящий момент или момент силы, вращающий ее.
4. Производимые электродвигатели имеют несколько витков на якоре, чтобы обеспечить больший постоянный момент.
Принцип работы двигателя
5. Магнитное поле может создаваться как магнитами, так и электромагнитами. Электромагнит обычно представляет из себя провод намотанный на сердечник. Таким образом, по закону электромагнитной индукции ток протекающий в рамки будет индуцировать ток в обмотки электромагнита, который в свою очередь будет создавать магнитное поле.

Классификация электродвигателей

Вращающийся электродвигатель
Само коммутируемый Внешне коммутируемый
С механической коммутацией (коллекторный) С электронной коммутацией1 (вентильный2, 3) Асинхронный электродвигатель Синхронный электродвигатель
Переменного тока Постоянного тока Переменного тока4 Переменного тока
  • БДПТ
    (Бесколлекторный двигатель + ЭП |+ ДПР)
  • ВРД
    (Реактивный двигатель с ротором с явновыраженными полюсами и сосредоточенной обмоткой статора + ЭП |+ ДПР)
Простая электроника Выпрямители,
транзисторы		 Более сложная
электроника		 Сложная электроника (ЧП)
Примечание:
  1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, - датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
  2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
  3. Вентильный электродвигатель постоянного тока - электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
  4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
  5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.
Аббревиатура:

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина - вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Универсальный электродвигатель

Может работать на переменном и постоянном токе. Широко используется в ручном электроинструменте и в некоторых бытовых приборах (в пылесосах, стиральных машинах и др.). В США и Европе использовался как тяговый электродвигатель. Получил большое распространение благодаря небольшим размерам, относительно низкой цены и легкости управления.
Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Электрическая машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую. Преимуществами электродвигателя постоянного тока являются: высокий пусковой момент, быстродействие, возможность плавного управления частотой вращения, простота устройства и управления. Недостатком двигателя является необходимость обслуживания коллекторно-щеточных узлов и ограниченный срок службы из-за износа коллектора.

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина - вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

Асинхронный электродвигатель

Асинхронный электродвигатель

Наиболее распространенный электродвигатель в промышленности. Достоинствами электродвигателя являются: простота конструкции, надежность, низкая себестоимость, высокий срок службы, высокий пусковой момент и перегрузочная способность. Недостатком асинхронного электродвигателя является сложность регулирования частоты вращения.
Cинхронный электродвигатель

Cинхронный электродвигатель

Синхронные двигатели обычно используются в задачах, где требуется точное управление скоростью вращения, либо где требуется максимальное значение таких параметров как мощность/объем, КПД и др.

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Серводвигатель

Серводвигатели не являются отдельным классом двигателей. В качестве серводвигателя могут использоваться электродвигатели постоянного и переменного тока с датчиком положения ротора. Серводвигатель используется в составе сервомеханизма для точного управления угловым положением, скоростью и ускорением исполнительного механизма. Для работы серводвигатель требует относительно сложную систему управления, которая обычно разрабатывается специально для сервопривода.

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) - векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

  • где M – вращающий момент, Нм,
  • F – сила, Н,
  • r – радиус-вектор, м
Справка: Номинальный вращающий момент Мном, Нм, определяют по формуле

,

  • где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
  • nном - номинальная частота вращения, мин-1 [4]

Начальный пусковой момент - момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя - это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность - физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

  • где P – мощность, Вт,
  • A – работа, Дж,
  • t - время, с

Работа - скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

,

  • где s – расстояние, м

Для вращательного движения

,

  • где – угол, рад,

,

  • где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение - значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя - характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

  • где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
  • P1 - подведенная мощность (электрическая), Вт,
  • P2 - полезная мощность (механическая), Вт
    При этом потери в электродвигатели обусловлены:
  • электрическими потерями - в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
  • магнитными потерями - потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
  • механическими потерями - потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
  • дополнительными потерями - потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

IEC 60034-31

Частота вращения

  • где n - частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции - скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

  • где J – момент инерции, кг∙м2,
  • m - масса, кг
Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)

1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

  • где – угловое ускорение, с-2 [2]

,

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) - напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени - это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

  • где – постоянная времени, с

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

  • Сравнение механических характеристик электродвигателей разных типов
    Сравнение механических характеристик электродвигателей разных типов при ограниченном токе статора
  • Зависимость мощности от скорости вращения вала для двигателей разных типов
    Зависимость мощности от скорости вращения вала для двигателей разных типов при ограниченном токе статора
Параметр
АДКР
СДПМП
СДПМВ
СРД-ПМ
СДОВ
Постоянство мощности во всем диапазоне скоростей
Момент к току статора
Эффективность (КПД) во всем рабочем диапазоне
Вес
Примечание:
Оранжевый цвет - низкий показатель, желтый цвет - средний показатель, светло-желтый цвет - высокий показатель.
Аббревиатура:

В соответствии с выше приведенными показателями гибридный синхронный электродвигатель, а именно синхронный реактивный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами, является наиболее подходящим для применения в качестве тягового электродвигателя в автомобилестроении (выбор проводился для концепта автомобилей BMW i3 & BMW i8). Использование реактивного момента обеспечивает высокую мощность в верхнем диапазоне скоростей. Более того такой двигатель обеспечивает очень высокую эффективность (КПД) в широком рабочем диапазоне [7].

Области применения электродвигателей

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии [6].

    Электродвигатели используются повсеместно, основные области применения:
  • промышленность: насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, движущая сила для других машин и др.
  • строительство: насосы, вентиляторы, конвейеры, лифты, системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха и др.
  • потребительские устройства: холодильники, кондиционеры, персональные компьютеры и ноутбуки (жесткие диски, вентиляторы), пылесосы, стиральные машинки, миксеры и др.
ЭД1 Функции Области применения
Вращающиеся электродвигатели Насосы Системы водоснабжения и водоотведения
Системы перекачки охлажденной или нагретой воды, системы отопления, ОВК2, системы полива
Системы канализации
Перекачка нефтепродуктов
Вентиляторы Приточно-вытяжная вентиляция, ОВК2, вентиляторы
Компрессоры Системы вентиляции, холодильные и морозильные установки, ОВК2
Накопление и распределение сжатого воздуха, пневматические системы
Системы сжижения газа, системы перекачки природного газа
Вращение, смешивание, движение Прокатный стан, станки: обработка металла, камня, пластика
Прессовое оборудование: обработка алюминия, пластиков
Обработка текстиля: ткачество, стирка, сушка
Смешивание, взбалтывание: еда, краски, пластики
Транспорт Пассажирские лифты, эскалаторы, конвейеры
Грузовые лифты, подъемные краны, подъемники, конвейеры, лебедки
Транспортные средства: поезда, трамваи, троллейбусы, автомобили, электромобили, автобусы, мотоциклы, велосипеды, зубчатая железная дорога, канатная дорога
Угловые перемещения
(шаговые двигатели, серводвигатели)		 Вентили (открыть/закрыть)
Серво (установка положения)
Линейные электродвигатели Открыть/закрыть Вентили
Сортировка Производство
Хватать и перемещать Роботы
Примечание:
  1. ЭД - электродвигатель
  2. ОВК - системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха

Производители электродвигателей

Российские производители электродвигателей

Регион Производитель Асинхронный двигатель Синхронный двигатель УД КДПТ
АДКР АДФР СДОВ СДПМ, серво СРД, СГД Шаговый КДПТ ОВ КДПТ ПМ
Краснодарский край Армавирский электротехнический завод
Свердловская область Баранчинский электромеханический завод
Владимир Владимирский электромоторный завод
Санкт-Петербург ВНИТИ ЭМ
Москва ЗВИ
Московский электромеханический завод имени Владимира Ильича
Пермь ИОЛЛА
Республика Марий Эл Красногорский завод "Электродвигатель"
Воронеж МЭЛ
Новочеркасск Новочеркасский электровозостроительный завод
Санкт-Петербург НПО "Электрические машины"
Томская область НПО Сибэлектромотор
Новосибирск НПО Элсиб
Удмуртская республика Сарапульский электрогенераторный завод
Киров Электромашиностроительный завод Лепсе
Санкт-Петербург Ленинградский электромашиностроительный завод
Псков Псковский электромашиностроительный завод
Ярославль Ярославский электромашиностроительный завод
Аббревиатура:

Производители электродвигателей ближнего зарубежья

Страна Производитель Асинхронный двигатель Синхронный двигатель УД КДПТ
АДКР АДФР СДОВ СДПМ, серво СРД, СГД Шаговый КДПТ ОВ КДПТ ПМ
Беларусь Могилевский завод "Электродвигатель"
Беларусь Полесьеэлектромаш
Украина Харьковский электротехнический завод "Укрэлектромаш"
Молдова Электромаш
Украина Электромашина
Украина Электромотор
Украина Электротяжмаш

Производители электродвигателей дальнего зарубежья

Страна Производитель Асинхронный двигатель Синхронный двигатель УД КДПТ
АДКР АДФР СДОВ СДПМ, серво СРД, СГД Шаговый КДПТ ОВ КДПТ ПМ
Швейцария ABB Limited
США Allied Motion Technologies Inc.
США Ametek Inc.
США Anaheim automation
США Arc System Inc.
Германия Baumueller
Словения Domel
США Emerson Electric Corporation
США General Electric
США Johnson Electric Holdings Limited
Германия Liebherr
Швейцария Maxon motor
Япония Nidec Corporation
Германия Nord
США Regal Beloit Corporation
Германия Rexroth Bosch Group
Германия Siemens AG
Бразилия WEG