Электродвигатель

Электродвигатель - Электрический двигатель
Электродвигатель Электрический двигатель

Электрический двигатель

Электродвигатель или электрический двигатель, любой из классов устройств, которые преобразуют электрическую энергию в механическую энергию, обычно с использованием электромагнитных явлений.

Электрический двигатель - Электродвигатель

Электрический двигатель — Электродвигатель

Большинство электродвигателей развивают свой механический крутящий момент за счет взаимодействия проводников, несущих ток в направлении под прямым углом к магнитному полю. Различные типы электродвигателей различаются способами, в которых расположены проводники и поле, а также в управлении, которое может осуществляться через механический выходной крутящий момент, скорость и положение. Большинство основных видов описаны ниже.

Асинхронный электродвигатель

Асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели

Простейший тип асинхронного двигателя показан в поперечном сечении на рисунке. Трехфазный набор обмоток статора вставляется в щели в статорном железе. Эти обмотки могут быть подключены либо в конфигурации с красителем, как правило, без внешнего подключения к нейтральной точке или в конфигурации треугольника. Ротор состоит из цилиндрического железного сердечника с проводниками, размещенными в пазах вокруг поверхности. В наиболее обычной форме эти проводники ротора соединены вместе на каждом конце ротора проводящим торцевым кольцом.

Основа работы асинхронного двигателя может быть разработана, если сначала предположить, что обмотки статора подключены к трехфазному электропитанию и что набор трех синусоидальных токов в форме, показанной на рисунке, течет в обмотках статора. На этом рисунке показано влияние этих токов при создании магнитного поля через воздушный зазор машины в течение шести мгновений в цикле. Для простоты показана только центральная проводящая петля для каждой фазовой обмотки. В момент времени t1 на рисунке ток в фазе a является максимальным положительным, тогда как в фазах b и c половина этого значения отрицательна. Результатом является магнитное поле с примерно синусоидальным распределением вокруг воздушного зазора с максимальным внешним значением вверху и максимальным внутренним значением на дне. В момент времени t2 на рисунке (т. Е. На одну шестую часть цикла позже) ток на фазе c является максимальным отрицательным, а в обеих фазах b и фазе a — положительное значение половины. Результат, как показано для t2 на рисунке, снова является синусоидально распределенным магнитным полем, но поворачивается на 60 ° против часовой стрелки. Рассмотрение распределения тока для t3, t4, t5 и t6 показывает, что с течением времени магнитное поле продолжает вращаться. Поле завершает один оборот за один цикл токов статора. Таким образом, комбинированный эффект трех равных синусоидальных токов, равномерно смещенных во времени и протекающих в трех обмотках статора, равномерно смещенных в угловом положении, состоит в создании вращающегося магнитного поля с постоянной величиной и механической угловой скоростью, которая зависит от частоты электропитание.

Вращательное движение магнитного поля по отношению к проводникам ротора вызывает индуцирование напряжения в каждом, пропорциональное величине и скорости поля относительно проводников. Поскольку проводники ротора коротко замыкаются вместе на каждом конце, эффект будет заключаться в том, чтобы течения течь в этих проводниках. В простейшем режиме работы эти токи будут примерно равны индуцированному напряжению, деленному на сопротивление проводника. На этом рисунке показана картина токов ротора на момент t1 рисунка. Токи, повидимому, приблизительно синусоидально распределены вокруг периферии ротора и расположены таким образом, чтобы обеспечить вращающий момент против часовой стрелки на роторе (то есть крутящий момент в том же направлении, что и вращение поля). Этот крутящий момент действует для ускорения ротора и вращения механической нагрузки. По мере увеличения скорости вращения ротора его скорость относительно скорости вращающегося поля уменьшается. Таким образом, индуцированное напряжение уменьшается, что приводит к пропорциональному уменьшению тока проводника ротора и крутящего момента. Скорость вращения ротора достигает устойчивого значения, когда крутящий момент, создаваемый токами ротора, равен крутящему моменту, требуемому на этой скорости, нагрузкой без избыточного крутящего момента для ускорения объединенной инерции нагрузки и двигателя.

Механическая выходная мощность должна быть обеспечена электрической входной мощностью. Исходные токи статора, показанные на рисунке, просто достаточны для создания вращающегося магнитного поля. Чтобы поддерживать это вращающееся поле при наличии токов ротора на рисунке, необходимо, чтобы обмотки статора имели дополнительную составляющую синусоидального тока такой величины и фазы, чтобы отменить действие магнитного поля, которое в противном случае было бы произведено по токам ротора на рисунке. Общий ток статора в каждой фазовой обмотке является суммой синусоидальной составляющей для создания магнитного поля и другой синусоиды, ведущей на первую четверть цикла или 90 ° для обеспечения требуемой электрической мощности. Вторая или силовая составляющая тока находится в фазе с напряжением, приложенным к статору, а первая или намагничивающая составляющая отстает приложенным напряжением на четверть цикла или на 90 °. При номинальной нагрузке этот намагничивающий компонент обычно находится в диапазоне от 0,4 до 0,6 от величины энергетической составляющей.

Трехфазный асинхронный двигатель

Трехфазный асинхронный двигатель

Большинство трехфазных асинхронных двигателей работают со своими обмотками статора, подключенными непосредственно к трехфазному электропитанию постоянного напряжения и постоянной частоты. Типичные напряжения питания варьируются от 230 вольт от линии к линии для двигателей с относительно малой мощностью (например, от 0,5 до 50 киловатт) до около 15 киловольт от линии к линии для мощных двигателей до 10 мегаватт.

За исключением небольшого падения напряжения в сопротивлении обмотки статора, напряжение питания согласовывается с временной скоростью изменения магнитного потока в статоре машины. Таким образом, при постоянном постоянном напряжении постоянного напряжения величина вращающегося магнитного поля поддерживается постоянной, а крутящий момент примерно пропорционален энергетической составляющей тока питания.

При индукционном двигателе, показанном на приведенных выше рисунках, магнитное поле вращается на один оборот для каждого цикла частоты подачи. Для подачи в 60 герц скорость поля составляет 60 оборотов в секунду или 3600 в минуту. Скорость вращения ротора меньше скорости поля на величину, достаточную для того, чтобы вызвать требуемое напряжение в проводниках ротора для создания тока ротора, необходимого для крутящего момента нагрузки. При полной нагрузке скорость обычно на 0,5-5% ниже, чем скорость поля (часто называемая синхронной скоростью), причем более высокий процент применяется к более мелким двигателям. Это различие в скорости часто называют скольжением.

Другие синхронные скорости могут быть получены при постоянной частоте питания путем создания машины с большим количеством пар магнитных полюсов, в отличие от двухполюсной конструкции фигуры. Возможные значения скорости магнитного поля в оборотах в минуту составляют 120 f / p, где f — частота в герцах (циклы в секунду), а p — количество полюсов (это должно быть четное число). Данная железная рама может быть намотана для любого из нескольких возможных пар полюсов, используя катушки, которые охватывают угол приблизительно (360 / p) °. Крутящий момент, доступный из рамы машины, останется неизменным, поскольку он пропорционален продукту магнитного поля и допустимому току катушки. Таким образом, номинальная мощность рамы, являющаяся продуктом крутящего момента и скорости, будет примерно обратно пропорциональна числу пар полюсов. Наиболее распространенными синхронными скоростями для 60-герц-двигателей являются 1800 и 1200 оборотов в минуту.

Строительство асинхронных двигателей

Рама статора состоит из слоев кремниевой стали, обычно с толщиной около 0,5 мм. Ламинирование необходимо, так как напряжение индуцируется вдоль осевой длины стали, а также в проводниках статора. Слои изолированы друг от друга обычно лаковым слоем. Это разрушает проводящий путь в стали и ограничивает потери (известные как потери на вихревые токи) в стали.

Катушки статора обычно изготовлены из меди; для небольших двигателей используются круглые проводники с несколькими витками на катушку, а для больших машин используются прямоугольные стержни с меньшим числом оборотов. Катушки электрически изолированы. Общепринятой практикой является вывод только трех выводов к клеммному блоку, связан ли обмотка в уайе или в дельте.

Магнитная часть ротора также изготовлена из стальных ламинатов, в основном для облегчения прорезания проводов проводника желаемой формы и размера. В большинстве асинхронных электродвигателей обмотка ротора имеет тип белок-клетка, где сплошные проводники в пазах закорочены вместе на каждом конце железа ротора с помощью торцевых колец. В таких машинах нет необходимости изолировать проводники от железа. Для двигателей мощностью до 300 киловатт белая клетка часто состоит из алюминиевого литья, включающего проводники, концевые кольца и охлаждающий вентилятор. Для больших двигателей белая клетка изготовлена из медных, алюминиевых или латунных стержней, сваренных или паяных до торцевых колец аналогичного материала. В любом случае ротор очень прочный, а также экономичен для производства в отличие от роторов, требующих электроизолированных обмоток.

Слоты ротора не обязательно должны быть прямоугольными. Форма пазов может быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить множество характеристик крутящего момента.

Начальные характеристики

При работе от постоянного питания трехфазный асинхронный двигатель представляет собой, по существу, привод с постоянной скоростью, при этом скорость уменьшается только на 1-5% при увеличении крутящего момента нагрузки от нуля до номинального значения. В большинстве установок асинхронные двигатели могут запускаться и приводиться в движение до скорости, подключая клеммы статора непосредственно к электросети. Это устанавливает вращающееся поле в машине. При нулевой скорости скорость этого поля относительно скорости ротора высока. Если ток ротора ограничивался только сопротивлением роторных стержней, то токи ротора были бы чрезвычайно высокими. Однако пусковой ток ограничен дополнительными путями для магнитного поля вокруг статора и роторных проводников, известных как пути утечки потока. Обычно пусковой ток, таким образом, ограничивается примерно от четырех до семи раз номинальным током при запуске при полном напряжении. Крутящий момент при старте обычно находится в диапазоне от 1,75 до 2,5-кратного номинального значения.

Если ток статора при запуске больше, чем это допустимо для системы электропитания, двигатель может быть запущен с пониженным напряжением от 70 до 80 процентов с помощью понижающего трансформатора. В качестве альтернативы обмотки статора могут быть соединены в звезду для запуска и могут быть переключены на дельта, когда скорость приближается к номинальному значению. Такие меры существенно уменьшают начальный крутящий момент. Снижение пускового напряжения до 75% приводит к снижению тока электропитания до 56%, а также приводит к 56% пускового момента, который будет иметь полное напряжение.

Другие пускатели двигателя вставляют сопротивление или индуктивность последовательно с каждой фазой статора в течение начального периода. Для нагрузки с очень высокой инерцией высокие токи ротора во время пуска могут вызвать перегрев ротора. В таком приводе для запуска может быть предусмотрена переменная частота и напряжение питания от электронного преобразователя.

Защита

Тепловая мощность, создаваемая потерями мощности в проводниках и железных частях машины, а также теплоту трения, должна быть удалена системой охлаждения, чтобы ограничить температуру двигателя. Основная цель устройства защиты — предотвратить повреждение наиболее уязвимой части двигателя, изоляцию на обмотках статора. Для двигателей с малой мощностью частое устройство, чувствительное к температуре, часто устанавливается внутри двигателя и используется для отключения электропитания, если температура достигает своего предельного безопасного значения. При использовании более крупных двигателей чувствительные к температуре детекторы могут быть вставлены в одно или несколько мест в обмотках статора.

Асинхронные двигатели с винтовым ротором

Некоторые специальные асинхронные двигатели сконструированы с изолированными катушками в роторе, аналогичными катушкам статора. Обмотки ротора обычно имеют трехфазный тип с тремя соединениями, выполненными с изолированными проводящими кольцами (известными как кольца скольжения), установленными на внутренней части вала ротора. Углеродные щетки обеспечивают внешние электрические соединения.

Мотор раневого ротора с тремя резисторами, соединенными с его кольцами скольжения, может обеспечить высокий пусковой момент без чрезмерного пускового тока. Изменяя сопротивление, может быть предусмотрена степень контроля скорости для некоторых типов механической нагрузки. Эффективность таких приводов, однако, низкая, если только скорость не достаточно близка к синхронному значению из-за высоких потерь сопротивления резисторов ротора. В качестве альтернативы, электронная система выпрямителя-инвертора может быть подключена к кольцам скольжения ротора для извлечения энергии и подачи ее обратно в систему электроснабжения. Эта схема, обычно называемая системой восстановления скольжения, обеспечивает контроль скорости с приемлемой эффективностью.

Однофазные асинхронные двигатели

Для разработки вращающегося поля в индукционной машине требуется набор токов, смещенных по фазе (как показано на рисунке), протекающих в комплекте обмоток статора, которые смещены вокруг периферии статора. Хотя это просто, когда имеется трехфазное питание, большинство коммерческих и отечественных поставок имеют только одну фазу, обычно с напряжением 120 или 240 вольт. Существует несколько способов создания необходимого вращающегося поля из этого однофазного питания.

Асинхронный двигатель конденсатора

Этот двигатель похож на трехфазный двигатель, за исключением того, что он имеет только две обмотки (a-a ‘и b-b’) на своем статоре, смещенные на 90 ° друг от друга. Обмотка a-a напрямую связана с однофазным питанием. Для запуска обмотка b-b ‘(обычно называемая вспомогательной обмоткой) подключается через конденсатор (устройство, которое хранит электрический заряд) к тому же источнику питания. Эффект конденсатора заключается в том, чтобы ток, входящий в обмотку b-b, приводил ток в a-a ‘примерно на 90 °, или на четверть цикла, при этом ротор находился в состоянии покоя. Таким образом, обеспечивается вращающееся поле и пусковой момент.

Когда скорость двигателя приближается к его номинальному значению, больше нет необходимости возбуждать вспомогательную обмотку для поддержания вращающегося поля. Токи, возникающие в полосах с короткозамкнутым ротором ротора при прохождении обмотки a-a, сохраняются с незначительным изменением, когда они вращаются мимо обмотки b-b. Ротор может продолжать генерировать вращающееся поле только с обмоткой a-a. Обмотка b-b ‘обычно отключается центробежным переключателем, который открывается, когда скорость составляет около 80 процентов от номинального значения.

Номинальные мощности для этих асинхронных электродвигателей с конденсатором обычно ограничены примерно двумя киловаттами для питания 120 вольт и 10 киловатт для питания 230 вольт из-за ограничений на падение напряжения в линиях питания, которые в противном случае возникали при запуске. Типичные значения синхронной скорости при подаче 60 герц составляют 1800 или 1200 оборотов в минуту для четырех- и шестиполюсных двигателей соответственно. Двигатели с более низкой скоростью могут быть сконструированы с большим количеством полюсов, но менее распространены.

Эффективность двигателя может быть несколько увеличена, а линейный ток уменьшился за счет использования двух конденсаторов, из которых один из них выведен из цепи (с помощью центробежного переключателя), когда приближается номинальная скорость. Оставшийся конденсатор продолжает обеспечивать ведущий ток к фазе b-b ‘, приближающий двухфазное питание. Эта схема известна как запуск конденсатора, конденсаторный двигатель.

Асинхронные двигатели конденсаторов широко используются для сверхпрочных применений, требующих высокого пускового момента. Примерами являются холодильные компрессоры, насосы и конвейеры.

Электродвигатели с разделительной фазой

Альтернативным средством обеспечения вращающегося поля для запуска является использование двух обмоток статора, как на рисунке, где вспомогательная обмотка b-b ‘состоит из большего числа витков меньших проводников, так что ее сопротивление намного больше, чем сопротивление намотки a-a’. Эффект этого заключается в том, что ток на фазе b-b ‘приводит к тому, что a-a’, но только примерно на 20-30 градусов в состоянии покоя. В то время как поле в значительной степени пульсирует, оно содержит достаточный вращающийся компонент, обеспечивающий пусковой крутящий момент в 1,5-2,0 раза номинальное значение. Чтобы предотвратить перегрев, вспомогательная обмотка отключается центробежным выключателем, когда скорость достигает 75-80 процентов от номинального значения.
Эти двухфазные двигатели являются недорогими для производства и устанавливаются во многих бытовых приборах. Если требуется более чем одна постоянная скорость, как в бытовых устройствах для стирки, двигатель может быть намотан на две альтернативные пары полюсов, один для низкой скорости, а другой для высокой скорости.

Электродвигатели с затененным полюсом

Двигатель с заштрихованным полюсом снабжен главной обмоткой, подключенной к однофазному электропитанию. Кроме того, он имеет постоянно короткозамкнутую обмотку, расположенную впереди основной обмотки в направлении вращения. Эта вторая обмотка известна как затеняющая катушка и состоит из одного или нескольких коротких поворотов. Катушка затенения задерживает установление магнитного потока в области, в которой она окружает, и, таким образом, создает небольшую составляющую вращающегося поля в состоянии покоя.

Начальный крутящий момент мал, обычно от 30 до 50 процентов от номинального момента. В результате двигатель подходит только для механических нагрузок, таких как вентиляторы, для которых крутящий момент низкий при низкой скорости и увеличивается со скоростью.

Электродвигатели с затененным полюсом неэффективны из-за потерь в короткозамкнутой обмотке. В результате они используются только при малой мощности, где эффективность менее важна, чем первоначальная стоимость. Типичная эффективность составляет до 30% в более крупных единицах и менее 5% в очень маленьких. Они используются в основном для вентиляторов и других небольших бытовых приборов.

Серводвигатели

Серводвигатели

Серводвигатели

Серводвигатель представляет собой небольшой асинхронный двигатель с двумя обмотками статора, смещенными на 90 ° относительно друг друга вокруг его периферии. Ротор обычно имеет тип белок-клетка, но выполнен с относительно высоким сопротивлением. Цель двигателя — обеспечить контролируемый крутящий момент в любом направлении работы. Для этого одна обмотка подключается к однофазному источнику с постоянной частотой. Другая обмотка снабжена управляемым напряжением той же частоты, смещенной на 90 ° по фазе. Это напряжение обычно обеспечивается электронным усилителем с входным сигналом низкой мощности. Крутящий момент двигателя приблизительно пропорционален напряжению на этой второй обмотке и, следовательно, входному сигналу. Направление крутящего момента можно изменить путем изменения входного сигнала от 90 ° до 90 °.

На некоторых серводвигателях ротор состоит из алюминиевой чашки, установленной в воздушном зазоре между статором и неподвижным железным сердечником. Этот ротор имеет низкую инерцию и способен к большому ускорению. Сервомоторы изготавливаются только в малой мощности из-за их высоких потерь и низкой эффективности. Они используются в системах управления позицией.

Линейные асинхронные двигатели

Линейный асинхронный двигатель обеспечивает линейную силу и движение, а не вращательный крутящий момент. Форма и функционирование линейного асинхронного двигателя можно визуализировать, как показано на рисунке, сделав радиальный разрез во вращающейся индукционной машине и сглаживая ее. Результатом является плоский «статор» или верхняя секция железных пластин, несущих трехфазную мультипольную обмотку с проводниками, перпендикулярными направлению движения. «Ротор» или нижняя секция могут состоять из железных ламинирования и обмотки с короткозамкнутым ротором, но более обычно состоит из непрерывного медного или алюминиевого листа, расположенного над твердой или ламинированной железной основой.

Одно применение линейных двигателей — в транспортных средствах быстрого транспорта для общественного транспорта. «Статор» переносится на нижней стороне транспортного средства, а «ротор» расположен между рельсами на дорожке. Преимущество этого типа движителя заключается в том, что высокое ускорение и торможение могут быть получены независимо от адгезии стальных колес к стальным рельсам в присутствии дождя, льда или крутого склона.

Электрическая мощность подается на такой автомобиль с быстрым транзитом через скользящие соединения с подзаряженным железнодорожным или воздушным проводом. Для обеспечения контроля скорости и торможения электронный силовой преобразователь на борту автомобиля производит трехфазный выход желаемого напряжения и частоты.

В альтернативном варианте для движителя транспортного средства медные и железные листы рисунка могут быть размещены на нижней стороне транспортного средства, а секции статора могут быть установлены с интервалами вдоль дорожки. Это имеет то преимущество, что никакая электрическая мощность не требуется для самого автомобиля.

Линейные асинхронные двигатели также используются для привода конвейеров, раздвижных дверей, текстильных челноков и станков. Их преимущество заключается в том, что физический контакт не требуется, и поэтому износ и техническое обслуживание сведены к минимуму. В другом варианте линейные двигатели используются в качестве электромагнитных насосов, где ротор состоит из проводящей жидкости, такой как жидкий металл (например, ртутный или натриево-калийный сплав).

Эффективность линейных двигателей несколько меньше, чем у вращающихся двигателей из-за конечных эффектов. Его «ротор» должен быть намагничен, поскольку он попадает под «статор». Это снижает эффективность первого или двух полюсных пролетов. Входной ток также относительно высок, поскольку воздушный зазор обычно больше, чем во вращающихся машинах, и требуется больше тока для создания магнитного поля через него.

Асинхронные двигатели для контроля скорости и положения

На питании с постоянной частотой асинхронный двигатель является, по существу, почти постоянным приводом скорости. Однако асинхронные двигатели могут использоваться для обеспечения точной регулировки скорости и положения в любом направлении вращения с использованием трехфазного питания с регулируемым напряжением, управляемой частотой. Это производится с помощью электронного инвертора. Используя полупроводниковые переключатели, источник питания преобразуется в набор из трех синусоидальных входов управляемого напряжения и частоты на обмотки статора. Затем скорость двигателя приближается к синхронному значению 120 f / p оборотов в минуту для управляемой частоты f циклов в секунду. Сторнирование последовательности фаз от abc до acb меняет направление крутящего момента. Для точного управления скоростью или положением скорость вала можно контролировать с помощью тахометра или датчика положения и сравнить с сигналом, представляющим желаемое значение. Разница затем используется для управления частотой инвертора. Как правило, напряжение изменяется непосредственно с частотой, чтобы поддерживать постоянную магнитуду.

Синхронные двигатели

Синхронные двигатели

Синхронные двигатели

Синхронный двигатель — это двигатель, в котором ротор обычно вращается с той же скоростью, что и вращающееся поле в машине. Статор аналогичен статору индукционной машины, состоящей из цилиндрической железной рамы с обмотками, обычно трехфазной, расположенной в пазах вокруг внутренней периферии. Разница заключается в роторе, который обычно содержит изолированную обмотку, соединенную через кольца скольжения или другие средства с источником постоянного тока (см. Рисунок).

Принцип работы синхронного двигателя можно понять, рассматривая обмотки статора, которые должны быть подключены к трехфазному источнику переменного тока. Эффект тока статора заключается в установлении магнитного поля, вращающегося со скоростью 120 f / p оборотов в минуту для частоты f герц и p полюсов. Постоянный ток в обмотке поля p-полюса на роторе также создает магнитное поле, вращающееся со скоростью вращения ротора. Если скорость вращения ротора равна величине поля статора и нет крутящего момента нагрузки, эти два магнитных поля будут стремиться совмещаться друг с другом. При приложении механической нагрузки ротор скользит назад на несколько градусов относительно вращающегося поля статора, проявляя крутящий момент и продолжая натягиваться этим вращающимся полем. Угол между полями увеличивается с увеличением крутящего момента нагрузки. Максимальный доступный крутящий момент достигается, когда угол, на котором поле ротора отстает от поля статора, составляет 90 °. Применение большего крутящего момента нагрузки остановит двигатель.

Одним из преимуществ синхронного двигателя является то, что магнитное поле машины может создаваться постоянным током в обмотке возбуждения, так что обмотки статора должны обеспечивать только силовую составляющую тока в фазе с приложенным напряжением статора, т. Е. двигатель может работать при единичном коэффициенте мощности. Это условие минимизирует потери и нагрев в обмотках статора.

Коэффициент мощности электрического входа статора можно напрямую контролировать путем регулировки тока поля. Если ток возбуждения превышает значение, необходимое для обеспечения магнитного поля, то ток статора изменяется на компонент, чтобы компенсировать эту сверхмагнетизм. Результатом будет суммарный ток статора, который приводит в действие напряжение статора в фазе, тем самым обеспечивая реактивные вольт-амперы энергосистемы, необходимые для намагничивания других устройств, подключенных к системе, таких как трансформаторы и асинхронные двигатели. Работа большого синхронного двигателя при таком ведущем коэффициенте мощности может быть эффективным способом повышения общего коэффициента мощности электрических нагрузок на заводе-изготовителе, чтобы избежать дополнительных расходов на электропитание, которые в противном случае могут быть заряжены для нагрузок с низким коэффициентом мощности.

Трехфазные синхронные двигатели находят свое основное применение в промышленных ситуациях, где существует большая, достаточно устойчивая механическая нагрузка, обычно превышающая 300 киловатт, и где способность работать при ведущем коэффициенте мощности имеет значение. Ниже этого уровня мощности синхронные машины, как правило, дороже, чем индукционные машины.

Ток поля может подаваться от выпрямителя с внешним управлением через кольца скольжения, или в более крупных двигателях он может быть снабжен выпрямителем на валу с вращающимся трансформатором или генератором.

Синхронный двигатель с только полевой обмоткой, несущей постоянный ток, не будет самозапускаться. При любой скорости, отличной от синхронной скорости, ее ротор будет испытывать колебательный крутящий момент нулевого среднего значения, поскольку вращающееся магнитное поле многократно пропускает более медленный движущийся ротор. Как правило, короткозамкнутая обмотка, аналогичная катушке индукционной машины, добавляется к ротору для обеспечения пускового момента. Двигатель запускается с полным или уменьшенным напряжением статора и доводится до примерно 95% синхронной скорости, как правило, с обмоткой возбуждения короткого замыкания, чтобы защитить его от чрезмерного наведенного напряжения. Затем применяется ток поля, и ротор синхронизируется с вращающимся полем.

Эта дополнительная намотка ротора обычно называется обмоткой демпфера из-за ее дополнительного свойства затухания любых колебаний, которые могут быть вызваны резкими изменениями нагрузки на роторе при синхронности. Корректировка изменений нагрузки связана с изменением угла, в котором поле ротора отстает от поля статора и, следовательно, связано с краткосрочными изменениями мгновенной скорости. Эти причины вызывают токи, возникающие в обмотках демпфера, создавая крутящий момент, который выступает против изменения скорости.

Защита синхронных двигателей аналогична работе с крупными асинхронными двигателями. Температура может быть обнаружена как в обмотке статора, так и в полевой обмотке и используется для отключения электропитания. Во время пуска в обмотке ротора-заслонки происходит значительный нагрев, и часто устанавливается таймер для предотвращения повторных запусков в течение ограниченного интервала времени.

Двигатели постоянного магнита

Магнитное поле для синхронной машины может быть обеспечено с помощью постоянных магнитов из неодимово-борон-железа, самария-кобальта или феррита на роторе. В некоторых двигателях эти магниты монтируются с клеем на поверхности сердечника ротора таким образом, что магнитное поле направлено радиально через воздушный зазор. В других конструкциях магниты вставляются в поверхность сердечника ротора или вставлены в пазы непосредственно под поверхностью. Другая форма двигателя с постоянными магнитами имеет направленные по окружности магниты, размещенные в радиальных щелях, которые обеспечивают магнитный поток к железным полюсам, которые, в свою очередь, создают радиальное поле в воздушном зазоре.

Основное применение для двигателей с постоянными магнитами находится в приводах с переменной скоростью, где статор подается от источника переменного и переменного напряжения с переменным и переменным напряжением. Такие приводы способны точно регулировать скорость и положение. Из-за отсутствия потерь мощности в роторе по сравнению с приводами с индукционным двигателем они также очень эффективны.

Двигатели с постоянным магнитом могут быть сконструированы для работы на синхронной скорости от источника постоянного напряжения и частоты. Магниты встроены в железо ротора, а обмотка заслонки помещается в пазы на поверхности ротора, чтобы обеспечить возможность запуска. Однако такой двигатель не имеет средств контроля коэффициента мощности статора.

Гистерезисные двигатели

Отличительной особенностью синхронных двигателей является то, что скорость однозначно связана с частотой подачи. В результате несколько специальных типов синхронных двигателей нашли широкое применение в таких устройствах, как часы, магнитофоны и фонографы. Одним из наиболее широко используемых является гистерезисный двигатель, в котором ротор состоит из кольца из полупостоянного материала магнита, такого как высокоуглеродистая сталь. На полной скорости двигатель работает как синхронная машина с постоянными магнитами. Если скорость снижается путем выталкивания ротора из-за синхронности, поле статора приводит к циклическому намагничиванию материала ротора вокруг его гистерезисной петли, что приводит к возникновению поля ротора, которое отстает от поля статора на несколько градусов и продолжает создавать крутящий момент. Эти двигатели обеспечивают хороший пусковой момент с очень низкой пульсацией и очень тихий. Их эффективность низкая, а приложения ограничены малыми номиналами мощности.

Двигатели сопротивления

Двигатели с сопротивлением работают по принципу, что установлены силы, которые имеют тенденцию приводить к тому, что железные полюса, несущие магнитный поток, выравниваются с каждым из них. На рисунке показана поперечная сечение одной формы двигателя с сопротивлением. Ротор состоит из четырех железных полюсов без электрических обмоток. Статор имеет шесть полюсов, каждый с токопроводящей катушкой. В условии, представленном на рисунке, ток только что был пропущен через катушки a и a ‘, создавая крутящий момент на роторе, совмещающий два его полюса с током статора a-a. Теперь ток отключается в катушках a и a и включается в катушки b и b. Это приводит к крутящему моменту против часовой стрелки на роторе, совмещающем два полюса ротора с полюсами статора b и b ‘. Затем этот процесс повторяется с катушками статора c и c ‘, а затем с катушками a и a’. Крутящий момент зависит от величины токов катушки, но не зависит от его полярности. Направление вращения можно изменить, изменив порядок включения катушек. Двигатели с сопротивлением могут иметь другие конфигурации полюсов, такие как восемь полюсов статора и шесть полюсов ротора.

Токи в катушках статора обычно контролируются полупроводниковыми переключателями, соединяющими катушки с источником постоянного напряжения. Сигнал от датчика положения, установленного на валу двигателя, используется для активации переключателей в соответствующие моменты времени. Часто используется магнитный датчик на основе эффекта Холла. (Эффект Холла включает в себя развитие поперечного электрического поля в полупроводниковом материале, когда он переносит ток и помещается в магнитное поле, перпендикулярное току.) Общая система известна как самосинхронный двигатель. Он может работать в широком и контролируемом диапазоне скоростей.

В другой конфигурации двигателя с сопротивлением статор выполнен аналогично тому, как это делают асинхронный двигатель, и поставляется из трехфазного регулируемого источника питания. Ротор состоит из продольных пластин железа, разделенных немагнитными спейсерами. Флюс от статора встречается с гораздо меньшим сопротивлением вдоль пластин, чем между ними.

Электродвигатели с сопротивлением могут быть сконструированы для работы с постоянной скоростью от постоянного источника питания. Ротор имеет выступающие полюса без обмоток. Статор цилиндрический и содержит трехфазную обмотку, подобную той, которая используется в индукционной машине. На поверхности ротора установлена обмотка демпфера, так что машина может запускаться как асинхронный двигатель. После того как ротор синхронизируется с вращающимся полем статора, он работает как синхронный двигатель с постоянной скоростью.

Однофазные синхронные двигатели

Вращающееся поле может быть создано синхронными двигателями из однофазного источника с использованием того же метода, что и для однофазных асинхронных двигателей. При обмотке основного статора, подключенной непосредственно к источнику питания, вспомогательная обмотка может быть подключена через конденсатор. Альтернативно, может использоваться вспомогательная обмотка с более высоким сопротивлением, как на рисунке. Для малых тактовых двигателей конструкция с заштрихованным полюсом статора широко используется в сочетании с ротором гистерезисного типа (см. Выше). Эффективность этих двигателей очень низкая, обычно менее 2 процентов, но и низкая.

Электродвигатели постоянного тока постоянного тока

Элементарная форма двигателя постоянного тока (DC) показана на рисунке 6 статьи об электрогенераторе. Стационарное магнитное поле создается поперек ротора полюсами на статоре. Эти полюса могут быть окружены катушками поля, несущими постоянный ток, или они могут содержать постоянные магниты. Ротор или арматура состоит из железного сердечника с катушкой, размещенной в пазах. Концы катушки соединены с стержнями коммутатора коммутатора, установленного на валу ротора. Стационарные графитовые щетки приводят к внешним клеммам.

Предположим, что источник постоянного тока подключен к клеммам якоря так, что ток входит в положительную клемму. Этот ток взаимодействует с магнитным потоком, создавая крутящий момент против часовой стрелки, что, в свою очередь, ускоряет ротор. Когда ротор повернулся примерно на 120 °, соединение от источника питания к катушке якоря будет заменено коммутатором. Новое направление тока в катушке якоря таково, что он продолжает выдавать момент против часовой стрелки, когда катушка находится под полюсом. Напряжение, пропорциональное скорости, генерируется в катушке якоря. В то время как это напряжение катушки чередуется, действие коммутатора вызывает однонаправленное напряжение на клеммах двигателя с показанной полярностью. Электрический вход будет продуктом этого напряжения на клемме и входного тока. Механическая выходная мощность будет продуктом крутящего момента и скорости вращения ротора.

В практическом двигателе постоянного тока обмотка якоря состоит из нескольких катушек в пазах, каждая из которых охватывает 1 / p периферии ротора для p-полюсов. В малогабаритных двигателях количество катушек может быть как шесть, а в больших моторах может достигать 300. Все катушки соединены последовательно, и каждое соединение соединено с коммутационной панелью. Все катушки под полюсами способствуют производству крутящего момента.

Типичный небольшой двигатель постоянного тока, например, используемый в автомобильных вентиляторах, содержит два полюса из ферритового материала с постоянными магнитами. Когда требуется более высокий крутящий момент, как, например, в стартерном двигателе автомобиля, могут использоваться более сильные магниты, такие как неодимовый железо-бор. Когда клеммы этого двигателя подключены к постоянному источнику постоянного напряжения, например, к батарее, начальный ток будет ограничен только сопротивлением обмотки якоря и щетками. Крутящий момент, создаваемый взаимодействием этого тока с полем, ускоряет ротор. Напряжение генерируется в обмотке пропорционально скорости. Это напряжение соответствует сопротивлению источника, что уменьшает ток и крутящий момент. Без механической нагрузки генерируемое напряжение поднимется до значения, почти равного напряжению источника, что позволит обеспечить достаточный ток для обеспечения момента трения. Применение крутящего момента нагрузки замедляет ротор, уменьшает генерируемое напряжение, увеличивает ток и создает крутящий момент в соответствии с крутящим моментом нагрузки.

При более крупных двигателях сопротивление обмотки якоря слишком низкое, чтобы ограничить ток при запуске до значения, которое может переключаться коммутатором. Эти двигатели обычно запускаются с сопротивлением, соединенным последовательно с источником якоря. Это сопротивление обычно уменьшается поэтапно по мере увеличения скорости.

Электродвигатели с постоянным магнитом не предусматривают регулирования скорости при подключении к источнику постоянного напряжения. Если требуется регулировка скорости, поле постоянного магнита может быть заменено железными полюсами полевыми катушками. Эти катушки могут быть снабжены током из того же источника, что и для арматуры или из отдельного источника питания. Для регулировки тока поля можно использовать резистор переменной серии. При максимальном полевом токе и, следовательно, максимальном магнитном потоке генерируемое напряжение будет равно напряжению питания при минимальном значении скорости холостого хода. Если ток поля уменьшается, двигателю необходимо будет быстрее вращаться через уменьшенный поток, чтобы получить такое же напряжение, и скорость без нагрузки будет увеличена. При заданном номинальном токе якоря доступный крутящий момент будет уменьшен из-за уменьшенного потока. Тем не менее, двигатель сможет обеспечить такую же механическую мощность с более высокой скоростью и меньшим крутящим моментом.

Коммутационные двигатели с регулируемым полевым током известны как шунтирующие двигатели или отдельно возбужденные двигатели. Как правило, доступный диапазон скоростей составляет менее 2 к 1, но специальные двигатели могут обеспечивать диапазон скоростей от 10 до 1.

Другим видом электродвигателя коммутатора является серийный двигатель, в котором катушки поля с относительно небольшим числом оборотов имеют тот же ток, что и арматура. При высоком значении тока поток высок, делая крутящий момент высоким и скорость низкая. По мере уменьшения тока крутящий момент уменьшается и скорость увеличивается. В прошлом такие двигатели широко использовались в электрических транспортных средствах, таких как метропоезда и автопогрузчики.

Большие двигатели постоянного тока обычно имеют четыре или более полюсов, чтобы уменьшить толщину требуемого железа в статорном ярме и уменьшить длину концевых соединений на катушках якоря. Эти двигатели могут также иметь дополнительные небольшие полюса или интерполы, размещенные между основными полюсами и имеющие катушки, несущие ток питания. Эти полюса размещены так, чтобы генерировать небольшое напряжение в каждой катушке якоря, поскольку оно замыкается коммутатором. Это способствует быстрому переключению тока в катушке и предотвращает искрение коммутатора.

Электродвигатели постоянного тока широко используются в сталелитейных заводах, бумажных фабриках, роботах и станках, где требуется точное управление скоростью или отменой скорости, или и то, и другое. Поле подается от отдельного источника напряжения, обычно с постоянным током поля или от постоянных магнитов. Арматура подается от источника контролируемого напряжения. Затем скорость приблизительно пропорциональна напряжению источника. Сторнирование напряжения питания якоря с регулируемой скоростью изменяет направление вращения двигателя.

Электродвигатели с переменным током

Специально разработанный серийно-коммутаторный двигатель может работать от однофазного переменного напряжения. Когда ток питания изменяется, как магнитное поле, так и ток якоря обращаются вспять. Таким образом, крутящий момент остается в одном направлении. Эти двигатели часто называют универсальными двигателями, потому что они могут использоваться либо с источником постоянного напряжения, либо с источником переменного напряжения 60 герц. Они широко применяются в таких небольших бытовых приборах, как смесители, переносные инструменты и пылесосы.