Классификация электродвигателей: типы агрегатов, назначение асинхронного и синхронного оборудования

Обновлено: 01.05.2024

Асинхронный электродвигатель - это электрический агрегат с вращающимся ротором. Скорость вращения ротора отличается от скорости, с которой вращается магнитное поле статора. Это - одна из важных особенностей работы агрегата, так как если скорости выровняются, то магнитное поле не будет наводить в роторе ток и действие силы на роторную часть прекратится. Именно поэтому двигатель называется асинхронным (у синхронного показатели скоростного вращения совпадают).

В данной статье мы сфокусируемся на том, что представляет собой схема работы такого двигателя и - самое главное, насколько она эффективна при его эксплуатации.

Устройство и принцип действия

Ток в обмотках статора создает вращающееся магнитное поле. Это поле наводит в роторе ток, который начинает взаимодействовать с магнитным полем таким образом, что ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле.

Относительная разность скоростей вращения ротора и частоты переменного магнитного поля называется скольжением. В установившемся режиме скольжение невелико: 1-8% в зависимости от мощности.

Асинхронный двигатель

Подробнее о принципах работы асинхронного электродвигателя - в частности, на примере агрегата трехфазного тока, вы можете прочесть здесь, на сайте, в одном из наших материалов. Далее же мы разберем, какие бывают разновидности асинхронных электрических машин.

Виды асинхронных двигателей

Можно выделить 3 базовых типа асинхронных электродвигателей:

1-фазный - с короткозамкнутым ротором
3-х фазный - с короткозамкнутым ротором
3-х фазный - с фазным ротором

Схема устройства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

То есть, двигатели классифицируются по количеству фаз (1 и 3) и по типу ротора - с короткозамкнутым и с фазным. При этом число фаз с установленным типом ротора никак не взаимосвязано.

Ещё одна разновидность - асинхронный двигатель с массивным ротором. Ротор сделан целиком из ферромагнитного материала и фактически представляет собой стальной цилиндр, играющий роль как магнитопровода, так и проводника (вместо обмотки). Такой вид двигателя очень прочный и обладает высоким пусковым моментом, однако в роторе могут возникать большие потери энергии, а сам он может сильно нагреваться.

Какой ротор лучше, фазный или короткозамкнутый?

Более-менее постоянная скорость вне зависимости от разных нагрузок
Допустимость кратковременных механических перегрузок
Простая конструкция, легкость пуска и автоматизации
Более высокие cos φ (коэффициент мощности) и КПД, чем у электродвигателей с фазным ротором

Трудности в регулировании скорости вращения
Большой пусковой ток
Низкий мощностной коэффициент при недогрузках

Высокий начальный вращающий момент
Допустимость кратковременных механических перегрузок
Более-менее постоянная скорость при разных перегрузках
Меньший пусковой ток, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором
Возможность использования автоматических пусковых устройств

Большие габариты
Коэффициент мощности и КПД ниже, чем у электродвигателей с короткозамкнутым ротором

Какой двигатель лучше выбрать?

Асинхронный или коллекторный? Синхронный или асинхронный? Сказать однозначно, что определенный тип двигателя лучше, точно нельзя. В пользу асинхронных моделей говорят их следующие преимущества.

Относительно небольшая стоимость
Низкие эксплуатационные затраты
Отсутствие необходимости в преобразователях при включении в сеть (только для нагрузок, не нуждающихся в регулировании скорости)
Отсутствие потребности в дополнительном источнике питания - в отличие от синхронных аналогов

Тем не менее, у асинхроников есть недостатки. А именно:

Малый пусковой момент
Высокий пусковой ток
Отсутствие возможности регулировки скорости при подключении к сети
Ограничение максимальной скорости частотой сети
Высокая зависимость электромагнитного момента от напряжения питающей сети
Низкий мощностной коэффициент - в отличие от синхронных агрегатов

Тем не менее, все перечисленные недостатки можно устранить, если питать асинхронный двигатель от статического частотного преобразователя. Кроме того, если соблюдать правила эксплуатации и не перегружать агрегаты, то они исправно прослужат длительный срок.

Но даже несмотря на то, что синхронные машины обладают довольно конкурентными преимуществами, большинство двигателей сегодня - именно асинхронные. Промышленность, сельское хозяйство, ЖКХ и многие другие отрасли используют именно их за счет высокого КПД. Но коэффициент полезного действия может значительно снижаться за счет таких параметров, как:

Высокий пусковой ток
Слабый пусковой момент
Рассинхрон между механическим моментом на валу привода и механической нагрузкой (это провоцирует высокий рост силы тока и избыточные нагрузки при запуске, а также снижение КПД при пониженной нагрузке)
Невозможность точной регулировки скорости работы прибора

Другими факторами, от которых зависит КПД асинхронного электродвигателя, являются:

степень загрузки двигателя по отношению к номинальной
конструкция и модель
степень износа
отклонение напряжения в сети от номинального.

Как избежать снижения КПД?

Обеспечение стабильного уровня загрузки - не ниже 75%
Увеличение мощностного коэффициента
Регулировать напряжение и частоту подаваемого тока

Для этого используются:

Частотные преобразователи - они плавно изменяют скорость вращения двигателя путем изменения частоты питающего напряжения
Устройства плавного пуска - они ограничивают скорость нарастания пускового тока и его предельное значение, как одни из факторов, из-за которых падает КПД

Итак, асинхронный двигатель имеет довольно широкую область использования и применяется во многих хозяйственных и производственных сферах деятельности. У нас, в компании РУСЭЛТ, представлен широкий выбор электродвигателей данного типа, приобрести который вы можете по ценам, которые ощутимо выгоднее, чем у конкурентов.

Электродвигатели представляют собой универсальные в использовании агрегаты, способные преобразовывать электричество в механическую энергию. Сегодня существуют различные типы и классификации электродвигателей, применяемых в бытовых и промышленных установках. Такая техника может различаться своим принципом работы, питанием от постоянного или переменного тока, мощностью и назначением.

Принцип действия и особенности конструкции

Устройство электродвигателя стандартно, что позволяет существенно упростить эксплуатацию и ремонт техники. Статор и ротор, которые являются основными элементами техники, находятся внутри проточки цилиндрической формы. При подаче напряжения на неподвижную обмотку статора возбуждается магнитное поле, что и приводит в движение ротор и вал электродвигателя.

Постоянное движение ротора поддерживается за счёт перекоммутации обмоток или путем создания в статоре вращающегося магнитного поля. Если первый способ поддержки вращения вала характерен для коллекторных модификаций агрегатов, то образование вращающегося магнитного поля присуще для трехфазных асинхронных моторов.

Корпус электрического двигателя может быть изготовлен из алюминиевого сплава или чугуна. В каждом конкретном случае выбор материала корпуса осуществляется исходя из сферы использования техники и ее необходимых параметров по весу.

Все двигатели изготавливаются с однотипными установочными размерами, что позволяет существенно упростить их монтаж и последующую эксплуатацию.

Сфера использования

Назначение электродвигателя чрезвычайно широко. Такие агрегаты используются для усиления мощности электросигналов, они способны преобразовывать постоянный ток в переменный, могут применяться в различных типах электромашин. Принято различать агрегаты, предназначенные для использования в промышленном оборудовании, машиностроении, на различных грузоподъёмных машинах и спецтехнике. Также большой популярностью пользуются маломощные электрические двигатели, которые с успехом применяются в различных бытовых инструментах и кухонной технике.

Классификация оборудования

На сегодняшний день существуют различные классификации электрических двигателей, которые отличаются по разным критериям и характеристикам. В зависимости от особенностей техники ее принято классифицировать:

По специфике вращающего момента различают магнитоэлектрические и гистерезисные агрегаты.
По виду крепления принято выделять двигатели с горизонтальным и вертикальным расположением вала.
По классу защиты от воздействия внешней среды различают защищенные, закрытые и взрывонепроницаемые.

В модификации гистерезисного типа вращение вала основывается на перемагничивании ротора. Такие двигатели были популярны в прошлом, однако сегодня их конструкция устарела, поэтому они практически не встречаются. Наибольшее распространение получили магнитоэлектрические агрегаты, способные работать от переменного или постоянного тока, а также модели универсального типа, которые одновременно питаются переменным и постоянным током.

Магнитоэлектрические установки

Использование магнитоэлектрических модификаций двигателей, работающих на постоянном токе, позволяет получить отличные динамические и эксплуатационные характеристики. В зависимости от своей конструкции такой тип двигателей делится на две основные категории:

с постоянными магнитами;
с электромагнитами.

В последние годы наибольшей популярностью стали пользоваться модификации с электромагнитами, которые обладают большей мощностью, отличаются экономичностью в работе и позволяют быстро изменять параметры работы оборудования.

В коллекторных электродвигателях используется щеточный узел, обеспечивающий соединение вращающихся и неподвижных частей мотора. Такие агрегаты могут выполняться с независимым возбуждением и применением постоянных магнитов, но есть и такие, что имеют самовозбуждающийся тип со смешанным, последовательным или параллельным соединением. Коллекторные модификации отличаются посредственными показателями надежности. Они требуют грамотного и своевременного обслуживания.

Бесколлекторные вентильные агрегаты имеют замкнутую систему, которая работает по принципу синхронных устройств. Высококачественные бесколлекторные электродвигатели оснащаются датчиком считывания положения ротора, имеют преобразователь координат, на основании данных с которого и осуществляется работа устройства.

Вентильные типы двигателей могут иметь различные размеры и мощность. Такие агрегаты используются в промышленном оборудовании. Также ими оснащаются аккумуляторные инструменты, различные игрушки и мобильные телефоны.

Синхронные электродвигатели

К синхронным электродвигателям переменного тока относятся модификации, у которых ротор вращается синхронно с генерируемым магнитным полем. Особенностью таких агрегатов является их высокая мощность, которая может достигать сотен киловатт. Основной сферой использования синхронного оборудования являются мощные промышленные установки, ветряные генераторы и гидроэлектростанции.

Принято различать несколько модификаций синхронных электродвигателей:

шаговые;
реактивные;
с постоянными магнитами;
реактивно гистерезисные;
вентильные реактивные;
с обмотками возбуждения;
гибридные синхронные.

У шаговых синхронных двигателей с дискретным угловым движением вала положение ротора будет фиксироваться путём подачи напряжения на обмотки контура. Переход в другое положение вала осуществляется за счёт снятия питания с одних обмоток и последующей подачи напряжения на другие обмотки трансформатора.

Также широкое распространение получил вентильный реактивный электродвигатель, у которого обмотка выполнена из полупроводниковых элементов. Вентильные реактивные агрегаты отличаются увеличенной мощностью, при этом они могут полностью управляться электроникой, что позволяет как поддерживать минимальные обороты, так и быстро выходить на полную мощность с максимальной частотой оборотов. К преимуществам синхронных двигателей принято относить:

стабильную скорость вращения;
низкую чувствительность к перепадам напряжения в сети;
возможность использования в качестве генератора мощности;
минимальное потребление электроэнергии.

Однако и недостатки у синхронных устройств всё же имеются. К ним относятся сложности с запуском, трудности с обслуживанием, а также проблемы с регулировкой частоты вращения вала. Основное назначение таких устройств — это мощное промышленное оборудование, где ценится производительность агрегатов и их надежность.

Асинхронные модификации

У асинхронных двигателей переменного тока частота вращения ротора будет отличаться от показателей магнитного поля. Такие агрегаты называют также индукционными, что объясняется принципом генерации магнитного поля, которое возникает за счёт перемещения статора. Асинхронные модификации получили наибольшее распространение, что объясняется простотой их конструкции, надежностью, долговечностью, а также возможностью выполнения как сверхмощных промышленных установок, так и небольших электродвигателей, предназначенных для использования в бытовых инструментах.

В зависимости от типа электротока, с которым работают такие агрегаты, их принято разделять на три категории:

однофазные;
двухфазные;
трехфазные.

Наибольшее распространение сегодня получили однофазные асинхронные двигатели, которые способны работать от бытовой электросети. Особенностью однофазных двигателей является наличие на статоре только одной рабочей обмотки и короткозамкнутого ротора. На обмотку статора подается переменный однофазный ток, приводящий во вращение ротор и вал двигателя. Сам ротор имеет цилиндрический сердечник с залитыми алюминием ячейками и открытыми вентиляционными лопастями. Однофазные двигатели с короткозамкнутым ротором используются в небольших по своей мощности устройствах, водяных насосах и комнатных вентиляторах.

Двухфазные асинхронные двигатели предназначены для использования в однофазной сети с переменным током. Их особенностью является наличие на статоре двух рабочих обмоток, расположенных перпендикулярно друг к другу. Во время работы агрегата на одну обмотку напрямую подаётся переменный ток, а на вторую — через соответствующий фазосдвигающий конденсатор. На выходе образуется крутящееся магнитное поле, которое упрощает запуск электромотора и в последующем поддерживает стабильно высокие обороты.

Трехфазные двигатели могут иметь короткозамкнутый и фазный ротор. Агрегаты оснащены тремя рабочими обмотками, расположенными на статоре параллельно друг другу. При включении двигателя в трехфазную сеть магнитное поле имеет сдвиг в пространстве относительно обмотки на 120 градусов. Наличие короткозамкнутого поля позволяет упростить запуск в работу устройства, при этом в последующем поддерживаются стабильные обороты. Модификации двигателей с фазным ротором отличаются увеличенной мощностью и используются преимущественно в промышленном оборудовании.

Преимуществами асинхронных электромоторов являются их устойчивость к скачкам напряжения и универсальность использования. Благодаря простоте конструкции существенно упрощается их последующее обслуживание, а сама техника чрезвычайно надежна и в процессе эксплуатации не доставляет каких-либо хлопот. В зависимости от своей модификации установки могут работать как от мощного источника электричества в трехфазной сети, так и от бытовой электросети, что позволяет применять их в различной бытовой технике и всевозможных электроприборах.

Электродвигатели представляют собой простейшие и чрезвычайно надёжные устройства, которые широко используются в промышленности и быту. Существующие в настоящее время типы электродвигателей позволяют подобрать агрегат, который будет полностью соответствовать особенностям своей эксплуатации. С помощью таких моторов могут приводиться в движение мощные станки и оборудование, производительные насосы. Без их использования не обходится ни один бытовой электроприбор.

Как разработать двигательную установку? Для проектирования системы любого типа имеет значение кинематическая схема и эксплуатационные условия, указанные в задании. Записав требуемые технические данные, приступают к кинематическому расчету, который является исходным для силового и энергетического расчета, как отдельных механизмов, так и всей системы. Чтобы к установке правильно подобрать электрический двигатель надо понимать из чего можно выбрать. Поэтому ниже рассмотрим какими они бывают.

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:

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.

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.

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.

Электродвигатели и приводы широко применяются в различных сферах. Электромоторы переменного тока являются надёжными, недорогими, обладают хорошими эксплуатационными качествами. Низковольтные приводы переменного тока имеют прекрасную репутацию, а количество установленных и эксплуатируемых приводов исчисляется уже на сотни. Способ управления машинами с помощью привода обладает достоинствами с точки зрения экономии энергии и совершенствования технологических процессов.

Читайте также: