Конструкция электродвигателя: типы, устройство, принцип работы, параметры, производители

Содержание

Конструкция асинхронного электродвигателя — 160 фото, схемы, чертежи и примеры использования

Асинхронные электродвигатели – это один из самых широко применяемых видов двигателей. Их можно встретить везде – в стиральной машинке, вентиляторе, вытяжке и т.п. вещах. Об особенностях конструкции подобных устройств и пойдёт речь в этой статье.

Краткое содержимое статьи:

Понятие асинхронного электрического двигателя

Как видно на фото асинхронного двигателя, подобный агрегат представляет собой электромашину, назначение которой заключается в преобразовании электроэнергии в энергию механического типа. Другими словами, подобное оборудование, потребляя электроток, даёт крутящий момент. Именно он позволяет вращать многие агрегаты.

Название «асинхронный» значит «неодновременный». Если изучить описание асинхронных двигателей, то можно заметить, что в таких устройствах ротор вращается с меньшей частотой, чем электромагнитное поле статора.

Данное отставание или, как его ещё называют, скольжение можно высчитать, используя следующую формулу:

S = (n1— n2)/ n1 — 100%, где

n1 – частота электромагнитного поля статора;

n2 – частота вращения вала.

Конструкционное решение электродвигателя асинхронного типа

Статор, ротор, подшипниковые щиты и подшипники, вентилятор, клеммный короб – все это элементы конструкции асинхронного двигателя.

Статор – это стационарная деталь конструкции, на которой располагается обмотка. Именно она создаёт электромагнитное поле.

Ротором называется подвижная комплектующая прибора. Именно в нём создаётся электромагнитный момент, способствующий движению как самого ротора, так и исполнительного механизма.

Сердечники двух вышеописанных элементов изготавливаются из электротехнической стали толщиной 1/2 мм. Обязательно присутствует изоляция: у статора её роль отводится лаковой плёнке, а у ротора – окалине. Роторную обмотку чаще всего делают из алюминия.

Сегодня производятся два типа асинхронных электромашин – одно- и трёхфазные. Чтьо касается последних, то они делятся на:

Машины, оснащённые короткозамкнутым ротором

Короткозамкнутый вариант ротора – это вал с насаженными на него наборными листами из стали, которые образуют сердечник. Его пазы заполняют сплавом алюминия. Он, застывая, формирует стержни. С краёв всё соединяют кольца из того же материала.

Устройства с фазным ротором

Фазный ротор состоит из вала с сердечником, оборудованным 3-мя обмотками. Часть концов, соединяясь, образуют звезду, а остальные крепятся к токосъёмным кольцам, которые подают электроток.

Наиболее широкая область использования у трёхфазных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы

Принцип работы асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором заключается в следующем: при подаче на статорные обмотки тока возникает магнитный поток, который, вращаясь, способствует возникновению тока и магнитного поля в роторе. Роторное и статорное поле, взаимодействуя друг с другом, приводят ротор двигателя в движение.

У оборудования с фазным ротором принцип действия схожий. Поэтому не будем повторно описывать весь процесс работы устройства.

Положительные и отрицательные стороны электрических двигателей асинхронного типа

К преимуществам асинхронных машин с короткозамкнутым ротором относятся:

  • Простота конструкционного исполнения и, как следствие, быстрота изготовления.
  • Низкая стоимость.
  • Несложная схема включения.
  • Относительное постоянство скорости вращения вала при увеличении напряжения сети.
  • Устойчивость к кратковременным перегрузкам.
  • Возможность подключить к однофазной сети трёхфазный аппарат.
  • Высокая степень надёжности.
  • Универсальность.
  • Значительный КПД.

Минусы:

  • Отсутствие возможности контроля скорости вращения ротора без мощностных потерь.
  • Уменьшение момента при увеличении нагрузки.
  • Недостаточно высокое значение пускового момента.
  • Если недогрузить устройство, то параметр cosφ резко увеличивается.
  • Достаточно высокие значения пускового тока

Теперь разберём достоинства агрегатов с ротором фазного типа:

  • Более высокий показатель вращающегося момента.
  • Возможность функционировать в условиях малой перегрузки.
  • Постоянство частоты, с которой вращается вал.
  • Малое значение пускового тока.
  • Возможность использовать АПУ.

Есть и недостатки:

  • Крупногабаритность.
  • Более низкий уровень КПД и cosφ.
  • Необходимость обслуживать щёточный механизм.

Как выбрать асинхронный двигатель? На что следует обращать внимание? Ответы на эти и многие другие вопросы вам лучше уточнить у опытных мастеров. Они с удовольствием окажут вам посильную помощь в выборе подходящей модели.

Фото асинхронного электродвигателя


Вам понравилась статья? Поделитесь 😉  

Устройство электродвигателей | Устройство и монтаж электрических сетей

Страница 42 из 66

ГЛАВА VIII
МОНТАЖ СИЛОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
§ 29. УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Рис. 129. Статор асинхронного электродвигателя
Электродвигателем называется машина, в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. С помощью электродвигателей приводятся в движение станки и различные механизмы. Наиболее широкое применение в различных отраслях промышленности, строительства и сельского хозяйства получили асинхронные электродвигатели трехфазного переменного тока.

Асинхронный электродвигатель трехфазного переменного тока состоит из неподвижной части, называемой статором, вращающейся части, называемой ротором, и двух подшипниковых щитов с подшипниками, в которых вращается вал ротора.
Статор (рис. 129) состоит из станины 1 и сердечника 2 с обмоткой 3. Станина отливается из чугуна или стали, а сердечник набирается из тонких листов электротехнической стали.
Листы сердечника имеют выштампованные фигурные вырезы, которые в собранном пакете сердечника образуют пазы. В эти пазы укладывается статорная обмотка.
Обмотки наматываются с определенным числом пар полюсов, определяемых скоростью вращения ротора. Наиболее распространены асинхронные двигатели с числом пар полюсов 2, 4, 6 и 8 с синхронной, скоростью вращения ротора соответственно 3000, 1500, 1000 и 750 об/мин. Скорость вращения асинхронного электродвигателя на 3—6% ниже синхронной вследствие того, что ротор несколько отстает от вращающегося магнитного поля статора.
Ротор асинхронного электродвигателя состоит из стального вала и закрепленного на валу сердечника с обмотками.
Роторы бывают короткозамкнутые и с контактными кольцами. Ротор с контактными кольцами имеет фазную обмотку, подобную
обмотке статора, а короткозамкнутые роторы выполняются с обмоткой в виде «беличьего колеса» (рис. 130, а). В двигателях старых конструкций короткозамкнутый ротор представляет собой два медных кольца, расположенные на торцах сердечника и соединенные друг с другом медными стержнями. 

Рис. 130. Конструкции роторов асинхронных электродвигателей:
а — с короткозамкнутой обмоткой «беличье колесо», б — с короткозамкнутой алюминиевой литой обмоткой, в —  с фазной обмоткой изолированным проводом и контактными кольцами; 1 — стержни «беличьего колеса», 2 — короткозамыкающие кольца, 3 —  лопасти вентилятора, 4 —  обмотка, 5 — контактные кольца
В современных электродвигателях мощностью до 100 квт короткозамкнутый ротор (рис. 130, б) выполняется путем заливки пазов сердечника расплавленным алюминием. При заливке ротора алюминием одновременно отливаются на обоих торцах ротора и замыкающие кольца с лопастями. Лопасти служат для обеспечения циркуляции воздуха в работающем электродвигателе и лучшего охлаждения таким образом нагревающихся частей электродвигателя. Пуск электродвигателя с короткозамкнутым ротором производится прямым включением статора на полное напряжение сети без каких-либо пускорегулирующих устройств, вследствие чего это сопровождается возникновением пусковых токов, превосходящих в 5—7 раз номинальные токи.
Ротор с контактными кольцами (рис. 130, в) отличается от короткозамкнутого наличием в пазах сердечника фазной обмотки 4 из изолированных проводников и трех контактных колец 5 из стали или бронзы. Контактные кольца изолированы друг от друга и от стального вала ротора. Такая конструкция ротора позволяет включать последовательно с его обмоткой пусковой реостат (рис. 131) и таким образом обеспечивает плавный без больших пусковых токов запуск электродвигателя в работу. 

Рис. 131. Схема включения в сеть и соединения обмоток асинхронного двигателя с фазным ротором:
а — схема присоединения двигателя к сети, б — схема соединения обмоток, в — соединение концов обмоток на доске зажимов
При подключении электродвигателя напряжением 380/220 в к сети напряжением 220 в обмотки статора соединяют по схеме «треугольник», замыкая перемычками концы С6—С1, С4—С2 и С5—С3, а при подключении к сети напряжение 380 в обмотки соединяют по схеме «звезда», замыкая перемычками концы С6, С4 и С5. Электродвигатели с фазными роторами применяют при необходимости плавного запуска оборудования.
Подшипниковые щиты служат для укрепления в них подшипников, в которых вращается вал ротора, а также для защиты от механических повреждений обмоток ротора и других частей, находящихся внутри статора электродвигателя.
Электродвигатели мощностью до 100 квт с короткозамкнутыми и с фазными роторами выпускают с роликовыми и шариковыми подшипниками.
Один из подшипников двигателя обычно бывает роликовый, а другой — шариковый. Роликовый подшипник устанавливается в том из подшипниковых щитов, через который выведен свободный конец вала, так как на этот конец насаживается шкив или полумуфта и поэтому на подшипник воздействуют большие нагрузки.
Подшипники, устанавливаемые в подшипниковых щитах, конструктивно выполняются закрытыми с двумя крышками (рис. 132, а), открытыми без крышек (рис. 312, б) или с одной внутренней крышкой. Асинхронные электродвигатели изготовляются промышленностью в открытом, защищенном и закрытом исполнениях и во взрывозащищенном исполнении.
Защищенными называют такие, электродвигатели, у которых токоведущие и вращающиеся части защищены от случайного прикосновения и попадания в них посторонних предметов. Имеются электродвигатели, защищенные от попадания в них вертикально падающих капель (каплезащищенные) или от попадания брызг, падающих под углом до 45° (брызгозащищенные).
Для работы в помещениях с проводящей пылью применяют пыленепроницаемые, а во взрывоопасных помещениях — взрывозащищенные электродвигатели. В помещениях с нормальной средой и там, где отсутствует необходимость специальной защиты токоведущих и вращающихся частей электродвигателя от случайного прикосновения к ним, применяют электродвигатели открытого исполнения. Кроме того, существуют электродвигатели специального исполнения по способу крепления, например фланцевые или входящие в конструкцию оборудования, называемые встроенными, и т. д.      
Асинхронные электродвигатели изготовляются промышленностью сериями, т. е. в виде ряда машин одинакового устройства. Трехфазные асинхронные двигатели мощностью 0,6—100 квт общепромышленного применения составляют единую серию. Двигатели с чугунным корпусом защищенного исполнения обозначаются буквой А, двигатели закрытого исполнения — АО, двигатели с алюминиевым корпусом — соответственно буквами АЛ и АОЛ. В обозначении асинхронных электродвигателей имеются и условные цифровые обозначения: так, например, диаметр (габарит) сердечника статора имеет условный номер от 3 до 9, а длина сердечника статора — от 1 до 3. В марке асинхронного двигателя цифры после букв указывают номера габарита сердечника, длину и число пар полюсов (например, маркой АОЛ-52-4 обозначен двигатель закрытого обдуваемого исполнения в алюминиевом корпусе пятого габарита, второй длины, четырехполюсный).
Разрез асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором показан на рис. 133.


Рис. 132. Подшипниковые узлы электродвигателей с шариковыми подшипниками качения:
а — с двумя крышками, б — баз крышек; 1 — вал ротора, 2 — наружная коышка подшипника, 3 — наружное кольцо подшипника. 4 — подшипниковый щит, а — внутренняя крышка подшипника, б — внутреннее кольцо подшипника


Рис. 133. Разрез асинхронного двигателя трехфазного переменного тока с короткозамкнутым ротором:
1 — лапы для крепления двигателя к салазкам или фундаменту, 2 — коробка зажимов, 3 — подшипниковый щит, 4 — подшипник роликовый, 5 — вал, 6 — шпонка, 7 — крышка подшипника, 8 — окно для проверки щупом зазора между сталью статора и ротора, 9 — вентиляционная лопатка, 10 — обмотка статора, 11 — сердечник статора, 12 — подъемное кольцо, 13 — ребро станины, 14 — защитный кожух, 15 — вентилятор, 16 — стальная втулка для посадки вентилятора на вал, 17 —отверстия для засасывания воздуха вентилятором, 18 — подшипник шариковый

У электродвигателей с короткозамкнутым ротором все части двигателя закрыты и в подшипниковых щитах и станинах отсутствуют окна для забора и выброса охлаждающего воздуха. Имеющиеся на замыкающих кольцах ротора вентиляционные лопатки 9 служат для создания циркуляции нагретого воздуха внутри двигателя через его каналы в роторе и в станине и обеспечивают почти равномерный нагрев всех частей двигателя. Выделяемое тепло отводится к стенкам станины, имеющим продольные ребра 13. Наружные поверхности ребер обдуваются холодным воздухом, подаваемым вентилятором 15, отлитым из алюминия. Холодный воздух засасывается вентилятором через отверстия 17, имеющиеся в защитном кожухе 14, выполненном из листовой стали. В подшипниковом щите двигателя сделано окно 8 для проверки щупом зазора между сталью сердечника статора 11 и ротора. При резких изменениях температуры внутри закрытого двигателя может конденсироваться влага. Для стока влаги в нижней части корпуса имеется небольшое отверстие.

Рис. 134. Разрез асинхронного двигателя трехфазного переменного тока с фазным ротором:
1 — держатель обмотки, 2 — диск крепления балансировочных грузов, 3 — обмотка фазного ротора, 4 — станина, 5 — диффузор, 6 — отверстие в вале для вывода концов роторной обмотки к контактным кольцам, 7 — чашка, 8 — замок, 9 —колпак, 10 —  контактное кольцо, 11 — изолирующая втулка для посадки на вал контактных колец, 12 —  изоляционная шайба, 13 — коробка зажимов ротора
Асинхронный электродвигатель с фазным ротором показан на рис. 134. В пазы ротора уложена трехфазная обмотка 3, поддерживаемая обмоткодержателями 1, к которым прикреплены винтами стальные штампованные балансировочные диски 2 с укрепленными на них балансировочными грузами. Лобовые части обмотки 3 ротора и выступающие части его обмоткодержателей 1 во время работы двигателя захватывают и перемещают воздух, выполняя таким образом роль вентиляционных крыльев. Обмотка ротора имеет три выводных конца, которые пропущены через отверстие 6 вала и присоединены к контактным кольцам 10. Контактные кольца изолированы одно от другого изоляционными шайбами 12, а от вала — изолирующей втулкой 11. К кольцам прилегают щетки, укрепленные в щеткодержателях. Щеточный механизм размещен в чашке 7 и с помощью замка 8 закрыт колпаком 9. Диаметр подшипникового гнезда в щите больше внешнего диаметра контактных колец, что позволяет при необходимости снимать подшипниковый щит, не демонтируя контактных колец.
Стальная чашка 7 надета на крышку подшипника и закреплена болтами на подшипниковом щите. В чашке расположен стальной палец, на котором укреплены щеткодержатели, изолированные от стального пальца изоляционной втулки. Выводные концы, отходящие от щеткодержателей, закреплены у выхода из коробки двумя буковыми планками, проваренными в масле.

Устройство и принцип работы электродвигателя переменного тока

Двигатели электрические выпускают синхронные, асинхронные, коллекторные, каждому присущи особенности работы. Минус большой: сеть интернет дает скудные представления о различиях в работе, принципе действия. Можем читать обзоры про синхронные электродвигатели, не понять в итоге главного: нюансов! Почему на ГЭС используются такие генераторы, в быту моторов-зеркал не видно (двигатель переменного тока обратим)?

Электрические двигатели: разновидности

Сразу скажем, не ставили целью довести вниманию читателей исчерпывающую информацию по указанной теме. Невозможно объять необъятное. Будут рассматриваться случаи, опущенные литературой. Информация вроде выложен, систематизировать издателям недосуг. Поможем понять, как функционируют виды электродвигателей. Начнем простым перечислением.

Двигатель коллекторного типа

Коллекторные двигатели

Часто путают с синхронными. Обнаруживаются угольные щетки. Этим сходство ограничивается, частота вращения коллекторных двигателей меняется в широких пределах, каждый может лицезреть на примере стиральной машины. Управление скоростью осуществляется путем коммутации обмоток, подстройкой значения действующего напряжения (изменяется угол отсечки вольтажа промышленной частоты).

Главным отличием устройств является наличие коллектора. Своеобразная секционная конструкция, насаженная на вал. Составлена множеством катушек, равномерно идущих кругом. Коллектор обеспечивает последовательную коммутацию, чтобы поле постепенно двигалось вкруг вала. Цепляясь за статор, ротор начинает движение.

К недостаткам коллекторных двигателей причисляют хрупкость (для промышленности). В быту тип устройств доминирующие. Простым путем осуществляется регулировка скорости (отсечкой части периода синусоиды). Коллекторных двигателей видим другие минусы/плюсы, упоминали ранее, сейчас изучим особенности. Наличие на валу секционированного барабана.

Можно поставить вместо него магнит, вращать поле статора? Да, получим синхронный двигатель (типичный пример – помпы стиральных машин). Можно питать обмотку постоянным током, вращать поле статора? Да, будет синхронный двигатель. Видите, коллектор однозначно дает понять тип устройства.

Асинхронные двигатели

Чаще применяются промышленностью. Получаем простоту конструкции, кучу плюшек. Ударопрочность, вибропрочность: отсутствие угольных щеток. Взамен получается кипа конструкций. Семейство самое многочисленное.

Асинхронный двигатель

Во-первых, ротор. Может быть короткозамкнутым, фазным. Первое означает: на вал насажена конструкция (для уменьшения веса силуминовая), где вставлены прожилки меди. Закорочено периметром двумя кольцами. Получается барабан, иногда называемый беличьей клеткой.

Возникает поле под действием вращающейся ЭДС статора, в отличие от коллекторных запуск асинхронных двигателей постоянным током не производят. Вторичное отличие. Первичное назвали: к ротору не подходят контакты (исключая пусковой реостат), вал увенчан беличьей клеткой, вывод о принадлежности однозначный. Что касается фазных асинхронных машин, питание катушек ротора производится через токосъемные кольца. Вал подхватывается, постепенно набирает обороты.

Синхронные двигатели

Тип устройств, составить понятие о котором, согласно заметкам сети попросту невозможно. Отличие простое: поле настолько сильное, что захватывается без проблем, не проскальзывает, как в случае с асинхронными или (в меньшей степени) коллекторными двигателями. Обеспечивается постоянным магнитом чаще, либо обмотка возбуждения находится на роторе. Статор снабжается переменным напряжением нужной частоты.

Скорость вращения зависит от частоты сети питания. Полюсов только два, поэтому составляет 25 Гц (1500 об/мин). Черта, по которой можно предположить: видим синхронный двигатель – кратное, целое число. Ключевым является совпадение скорости вращения вала и частоты напряжения питания. Многое зависит от количества полюсов. Например, на ГЭС генераторы работают на частоте вала 1-2 Гц, промышленные 50 Гц получаются путем намотки многочисленных катушек статора, соединенных параллельно.

Как работают электрические двигатели

Асинхронные двигатели

Кратенько описали внешние отличия электрических двигателей, теперь пара слов по поводу устройства и функционирования. Асинхронные двигатели при помощи статора создают по оси вращающееся магнитное поле. Барабан беличьей клетки редко изготавливается из ферромагнитных материалов (если вообще имеет место быть). В противном случае нагрев вышел бы значительным. Фактически получается индукционная печь.

Силуминовый барабан вдоль линий магнитного поля содержит медные проводники. Разница в проводимости такова, что не проводится изоляции: ток несут красно-коричневые жилы. Поле, индуцированное статором ЭДС, слабое. Применяются специальные меры, помогающие разогнать вал. Магнитное поле ротора плохо цепляется, асинхронный двигатель стоит столбом. Действенная мера противодействия проблеме ограничивается созданием двойной беличьей клетки: вдоль барабана проходит на некоторой глубине второй ряд медных жил. Объединены торцами единой сетью.

На запуске частота тока, глубина проникновения поля велики. Включаются в работу оба слоя беличьей клетки. По мере разгона разница нивелируется, падает до нуля. Амплитуда поля снижается, рабочим остается внешний слой беличьей клетки. Обратите внимание, догнать поле ротор бессилен, проскальзывает, запаздывает. Поэтому двигатели получили название асинхронных. Англичане делают проще – зовут индукционными.

Если поле вращать со скоростью ротора, ЭДС перестает наводиться. Последует замедление, цикл повторится, начавшись разгоном. Ротор по-прежнему будет отставать от поля. Так работает устройство короткозамкнутого типа. Фазный ротор (спасибо Википедия), содержащий трехфазную обмотку, выполняет несколько функций, согласно назначению устройства:

  • Подпитывается электричеством через кольцо токосъемника. Теперь ротор получает фазу и наводит на статоре ЭДС. Постепенно вал подхватывается полем, дальнейший процесс описан выше.
  • Подпитывается постоянным током. Образуется синхронный двигатель.
  • Снабжается реостатами, дросселями, регулирующими скорость.
  • Реализует управление инвертором (усложненный первый случай).

Принцип действия асинхронных двигателей: используется наведенная ЭДС, скорость вращения неспособна догнать поле (пропадают токи). Иначе тип мотора меняется (синхронный). Для регуляции скорости часто используется амплитуда питающего напряжения. Способ годится двигателям асинхронного типа с короткозамкнутым, фазным ротором. Перечислим методики:

Работа двигателя переменного тока

  • Для машин с короткозамкнутым ротором годятся:
    1. Регулирование частоты напряжения питания.
    2. Изменение числа пар полюсов статора. В результате меняется скорость вращения поля, давая нужный эффект.
  • Для машин с фазным ротором допускается:
    1. Вводить реостат в цепь питания. Растут потери на скольжение, закономерно изменяя скорость.
    2. Применять специальные вентили. Энергия скольжения выпрямляется схемой Ларионова, подается в виде постоянного напряжения вспомогательному электрическому двигателю, нарезающему импульсы через управляемые извне тиристоры. Мощность, которая обычно терялась бы, возвращается. Через вал вспомогательного двигателя, трансформатор, обмотки которого частично включены в сеть питания. Управление скоростью выполняют внедрением дополнительной ЭДС. Делается либо напрямую (через источник питания), либо сдвигом угла включения тиристоров относительно питания. Частота отклоняется от номинала.
    3. Двигатель двойного питания является вариантом реализации регулировки скорости в оборудовании с фазным ротором. Тип чаще применяется для реализации схем генераторов. Ротор уплывает частотой вращения – двигатель все-таки асинхронный. Статор, ротор питаются отдельно. Позволяет для каждой обмотки задавать частоту, закономерно приводит к нужным изменениям скорости.

Асинхронным двигателям годится изменение амплитуды питания. Наибольшим КПД обладают вентильные схемы, самые дорогие.

Двигатель асинхронного типа

Работа синхронных двигателей

Проходились по коллекторным двигателям – рассказывали, как конструировать – поэтому пропускаем сегодня семейство. Бессильны иначе рассказать вещи гораздо интереснее: ведется много споров на форумах. Собираемся рассмотреть не совсем синхронные двигатели – генератор. Наподобие украшающих ГЭС.

Вы никогда не задумывались, как регулируется скорость вращения турбины, когда на лопасть падает поток воды? Створками направляющего аппарата? Нет. Генератор требует подпитки не только постоянным током, но и переменным. Первое подаётся на ротор, а второе – на статор. В результате вал не мог бы даже стронуться с места, но ему помогает вода. А вот энергия торможения потока уже преобразуется в ЭДС рабочих катушек статора, намотанных рядом со вспомогательными.

Фактически имеем на руках устройство электродвигателя переменного тока, среди обмоток большая часть генерирующих, снимается частота 50 Гц. Синхронность обеспечивается питающими напряжениями. Если вода слишком напирает, ток возбуждения растет, срыв оборотов предотвращается. Параллельно увеличивается выходная мощность электростанции. Частота определяет характеристики снимаемого напряжения, касательно номинала 50 Гц не допускаются отклонения более долей процента (0,1%).

Вал вращается со скоростью 1-2 оборота в секунду. Многочисленными генераторными обмотками, соединенными параллельно образует нужную форму синусоиды. Подчеркиваем, частота поддерживается напряжением возбуждения, следовательно, именно к нему и предъявляются повышенные требования. Требуется получить больше мощности электростанции, просто заслонки направляющего аппарата приоткрываются, масса воды начинает падать вниз. Лопасть быстрее не двигается, увеличивается ток возбуждения, закономерно вызывает возникновение более сильных полей.

Принцип действия электродвигателя переменного тока копирует сказанное, отсутствуют генераторные обмотки. Требуется получить больше мощности – увеличьте напряжение возбуждения, амплитуду по цепи питания. Усиливается сцепление полей, исключая проскальзывание. Понятно, большая масса вала неспособна набрать за мгновение 50 Гц (и не набирает), оборудование, изготовленное правильно, за короткий период достигает режима. Скорость зависит от количества полюсов.

Не успели сегодня рассмотреть технические характеристики электродвигателей переменного тока, многократно делали прежде, применительно к различного рода устройствам. Полагаем,  в будущем обзоры могут вновь повернуться к теме бушпритом.

Конструкция электродвигателя — описание — AvtoTachki

Первый из работающих электродвигателей был создан в США в 1837 году благодаря Томасу Дэвенпорту, который снабдил его электромагнитом. Как работает электродвигатель и как он устроен?

Устройство и работа электродвигателя 

Электродвигатель работает путем преобразования электрической энергии в механическую. Проще говоря: электрический ток, который подается на двигатель, приводит его в движение. Электродвигатели можно разделить на электродвигатели постоянного, переменного тока и универсальные.

В конструкцию двигателя входят щетки, коммутаторы, магниты и роторы, то есть рамы. Щетки снабжают двигатель электричеством, коммутаторы меняют свое направление в раме, магниты создают магнитное поле, необходимое для приведения рамы в движение, а ток приводит в движение роторы (рамы).

Работа электродвигателя основана на вращении ротора. Он приводится в движение электропроводящими обмотками, помещенными в магнитное поле. Магнитные поля сталкиваются друг с другом, вызывая перемещение лицевой панели. Дальнейшее вращение тока возможно с помощью коммутаторов. Это связано с быстрой сменой направления тока через рамку. Коммутаторы делают дальнейший поворот рамы в одну сторону — иначе она все равно вернется в исходное положение. После завершения описанный процесс снова запускает свой цикл.

Строительство электродвигателя в автомобиле

Электродвигатель в автомобиле должен иметь высокие значения номинального крутящего момента и номинальной мощности, полученные из единицы объема и массы, а также хороший коэффициент умножения максимального на номинальный крутящий момент. Также важно иметь высокий КПД в самом широком диапазоне частот вращения ротора. Этим требованиям наиболее точно соответствуют синхронные двигатели с постоянными магнитами, предназначенные для работы с двухзонным регулированием скорости.

Конструкция электродвигателя — описание 

Упрощенная конструкция электродвигателя состоит из магнита, рамы, расположенной между полюсами магнитов, коммутатора, используемого для изменения направления тока, и щеток, подающих ток на коммутатор. Через две щетки, скользящие по кольцу, подается ток на раму.

Для магнитопроводов (сердечников) статора и ротора асинхронных двигателей общего назначения широко применяются холоднокатаные низколегированные1 электротехнические стали. Они выпускаются в рулонах (лентах) нужной ширины, что позволило автоматизировать процесс штамповки листов и уменьшить отходы.

Для двигателей серии 4А мощностью до 15—20 кВт применяется холоднокатаная сталь марки 2013 (нелегированная), а для машин большей мощности — сталь марки 2212 (слаболегированная). Для двигателей старых серий (А, А2) применялась горячекатаная сталь марки 1211. Применение холоднокатаных сталей позволило снизить расход стали на 10—15 и массу конструктивных деталей на 5—7%.

Изоляционные материалы применяются для изоляции токоведущих проводов, расположенных в одном пазу (друг от друга) — витковая изоляция, проводов разных фаз между собой — междуфазовая изоляция, проводов от заземленных сердечников — корпусная изоляция.

Толщина изоляции определяется рабочим напряжением двигателя, классом нагревостойкости изоляции, условиями эксплуатации двигателя.

В зависимости от предельно допускаемой температуры изоляционные материалы подразделяются на классы нагревостойкости. В свою очередь класс нагревостойкости изоляции (витковой, междуфазовой, корпусной) и пропиточных составов определяет допустимые превышения температуры для других частей двигателя в соответствии с ГОСТ 183—74.

В соответствии с ГОСТ 8865—70 изоляционные материалы разделены на семь классов нагревостойкости — У, А, Е, В, F, Н, С. Для изоляции асинхронных двигателей общего назначения обычно применяются четыре класса Е, В, F, Н с допустимыми температурами изоляционного материала 120, 130, 155, 180 °С соответственно. Средние допустимые температуры и превышения температуры отдельных частей двигателя приведены в табл. 2. Температура окружающей среды принята равной +40 °С.

Таблица 2.

Обмотки статора и
фазные обмотки ротора

Стержневые
обмотки роторов

Сердечники
статора и ротора

Контактные
кольца

Е
В
F
Н

115/75
120/80
140/100
165/125

120/80
130/90
150/110
175/135

115/75
120/80
140/100
165/125

110/70
120/80
130/90
140/100

Обмоточные провода изготовляются с эмалевой, эмалево-волокнистой или волокнистой изоляцией. Толщина изоляционного слоя у проводов с эмалевой изоляцией в 1,5— 3 раза меньше, чем у проводов с волокнистой изоляцией; эмалевая изоляция, кроме того, лучше проводит тепло и является более влагостойкой. Поэтому в двигателях современных серий применяются в основном провода с эмалевой изоляцией марок ПЭТВ, ПЭТВМ (класс нагревостойкости В) и ПЭТВ, ПЭТ 155 (класс F). Провода ПЭТВМ и ПЭТМ разработаны для механизированной укладки обмоток. В двигателях напряжением 3 кВ и выше кроме указанных проводов применяются также провода со стекловолокни-стой изоляцией марок ПСД и ПСДК. Диаметр изолированного провода при механизированной укладке всыпной обмотки не превышает 1,4—1,6 мм, при ручной укладке — до 1,8 мм.

Пазовая и междуфазовая изоляция. В современных сериях двигателей широкое распространение получили композиционные материалы, представляющие собой сочетание полимерных пленок с различными гибкими электроизоляционными материалами на основе синтетических органических или неорганических волокон, причем указанные компоненты связаны между собой клеящими составами. Пленка принимает на себя основную электрическую и механическую нагрузки, в то время как другие компоненты выполняют функции армирующего материала, обеспечивающего необходимые технологические свойства композиции — жесткость, упругость, повышенную стойкость к механическим воздействиям и др.

Одной из важных функций волокнистых подложек является обеспечение надежной связи между поверхностями пазовой изоляции и прилегающими к ним катушками обмотки и сердечником за счет лучшей смачиваемости волокнистых материалов пропиточными составами по сравнению с пленками.

Композиционные материалы обладают высокими механическими свойствами. Широко используются пленкосинтокартоны марок ПСК-Ф, ПСК-ЛП, состоящие из полиэтилентерефталатной пленки марки ПЭТФ, оклеенной с двух сторон бумагой из фенилонового или лавсанового волокна.

Для прокладок в лобовых частях применяют материалы с повышенным коэффициентом трения, такие, как пленкослюдопласт и пленкослюдокартон.

Пропиточные и покровные составы. В двигателях современных серий широкое распространение нашли пропиточные составы без растворителей, что существенно уменьшило длительность процесса полимеризации, улучшило качество пропитки и теплопроводность изоляции. Для пропитки асинхронных двигателей современных серий применяются составы без растворителей марок КП-34, КП-50, КП-103. ЭКД-14, а также лаки с растворителями марок МЛ-92, ПЭ-933, КО-916К, КО-964Н.

После пропитки и сушки на лобовую часть обмоток наносятся покровные составы для повышения стойкости обмотки к воздействию окружающей среды (пыль, масло, соляной туман, вредные примеси в воздухе и др.). В качестве покровных составов применяют эмали ГФ92-ГС и ЭП91 (с растворителями) и компаунды КП-34, КП-50.

Электродвигатель — описание, классификация, принцип работы

Описание

Электродвигатель — главный элемент электропривода.
Он необходим для работы многих механизмов. С помощью чего это происходит: двигатель преобразовывает электрическую энергию в механическую. Первым эту теорию выдвинул британский физик Майкл Фарадей в своем трактате «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма».
Несмотря на то, что все эл. двигатели выполняют одну задачу, у них разные источники питания, следовательно, для каждой области применения нужна определенная модель.

 

Конструкция

Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: 1 – корпус; 2 – сердечник статора; 3 – сердечник ротора; 4 – обмотка ротора «беличья клетка»; 5 – обмотка статора; 6 – вентиляционные лопатки ротора, 7 – подшипниковый щит; 8 – кожух вентилятора; 9 – вентилятор.

 

Преимущества электродвигателей с короткозамкнутым ротором

Во-первых, у них нет коллектора, что упрощает процесс обслуживания, и требоваться оно будет не так часто.
Во-вторых, подключение сети может идти на прямую. Если дополнительная регулировка оборотов не нужна, то подключение возможно без дополнительных преобразователей. Если трехфазный двигатель требуется подключить в однофазную сеть, то придется подключить фазосдвигающий конденсатор.
В-третьих, цена доступна из-за простой конструкции.

 

Область применения

Электродвигатели используются почти во всех промышленных сферах.
1. В системах отопления, водоснабжения, кондиционирования воздуха, полива, канализации.


2. В системах вентиляции, перекачки и сжижения газа, холодильных установках.


3. Одна из основных сфер — промышленное оборудование. Здесь двигатели применяются в металло-, дерево-, камнеобрабатывающих станках, прокатных станах, в прессах, гильотинах, мельницах, дробилках, текстильном, пищевом и полимерном оборудовании.


4. Еще одна обширная область применения — это специальная техника и транспорт.
Эл. двигателями оснащаются лифты, эскалаторы, конвейеры, подъемники, лебедки. А также автомобили, поезда, велосипеды, мотоциклы, трамваи, электромобили, автобусы, троллейбусы и т.д. Отдельно можно указать, что в настоящее время, идет активное развитие робототехники, где электрические машины тоже используются.

 

 

Виды электродвигателей

1. Коллекторные электродвигатели.
Минимум одна из обмоток должна быть соединена с коллектором.
а) Универсальный эл.
Работает на постоянном и переменном токе. Используется чаще всего в бытовой сфере.
б) Эл. постоянного тока.
В процессе работы электрическая энергия постоянного тока переходит в механическую.
2. Бесколлекторные.
Все приходит в действие за счет электроники. Вместо щеток и коллектора — контроллер и кулер охлаждения системы.
а) Асинхронные.
Название говорит о том, что скорость вращения магнитного поля и ротора различается. Назначение двигателя заключается в превращении эл. энергии переменного тока в механическую.
б) Синхронный двигатель переменного тока.
Частота вращения переменного тока совпадает с частотой вращения ротора.

 

Виды двигателей по назначению

Общепромышленные

Серии: АИР, А, 4А, АМ, 4АМ, 4AMУ, 5А, 5АМ , 5АИ, АД, АДМ.

Крановые 

Серии: MTF, МТН, DMTF(H), DMTKF (H), 4MTKM, 4MTH, 4МТМ, MTKF(H).

 

 

Электродвигатели со встроенным электромагнитным тормозом

Серии: АИР, 5АИ ЕТ, ЕТ1, ЕD1, ED2.

 

 

Взрывозащищенные 

Серии: АИМ, АИМЛ, АИМУ, АИМР, ВА, ВАО, 2В, АВ, АВР, 4ВР.

 

С повышенным скольжением

Серии: АИРС, АС , 5АС , АДМС , 4АС , 4АМС , 5АМС.

 

По евростандарту

Серии: АИC, AIS , IMM , RA , 6A, W22, W20 , MA, MS.

 

Импортного производства

АВВ, WEG, SIEMENS, ABLE, LENZE, BONFIGLIOLI, и др.

 

Конструкция электродвигателей

Тяговый двигатель состоит из следующих основных частей: корпуса (остова), главных и добавочных полюсов, якоря, коллектора щеткодержателей со щетками, подшипниковых щитов. Для охлаждения двигателя предусмотрен вентилятор.

Корпус и укрепленные на нем сердечники <?2 и <?0 (см. рис. 1) полюсов с катушками являются неподвижной частью магнитной системы двигателя. Корпус 16 двигателя является также элементом жесткости и магнитопроводом, так как через него замыкается магнитный поток. Поэтому он отливается из стали с высокой магнитной проницаемостью и толщина его стенок определяется механическим и электромагнитным расчетами. Корпус выполняется цилиндрической или восьмигранной формы, по внутреннему диаметру сделана расточка для крепления главных и добавочных полюсов.

Главные полюсы устанавливают под углом 45° к вертикали. Добавочные полюсы имеют вертикально-горизонтальное расположение. С торцов на корпусе — специальные кольцевые заточки для установки подшипниковых щитов 8 и 24, которые крепятся к нему болтами. Для доступа к коллектору и щеткодержателям в корпусе предусмотрены коллекторные люки, закрываемые съемными крышками 15 с уплотнением из губчатой резины, а с противоположной стороны по окружности расположены вентиляционные окна 23, защищенные по контуру проволочным заграждением или металлическими сетками. Для выводных концов обмотки якоря и полюсов предусмотрены отверстия, армированные резиновыми втулками.

Внутри корпус, за исключением мест под посадку полюсов, покрыт электроэмалью, снаружи — битумным лаком для защиты от коррозии.

Форма корпуса в виде неправильного восьмигранника, близкого к квадрату (двигатели ДК-211 и ЗАЬ-2943гЫ), наиболее целесообразна,. так как она обеспечивает высокое использование занимаемого двигателем пространства. Для изготовления такой формы требуются сложные модели и, кроме того, обработка внутренней поверхности под главные и добавочные полюса состоит из нескольких операций.

Главные и добавочные полюса — важные части двигателя. Главные полюса двигателя предназначены для создания основного магнитного потока, который взаимодействуя с током обмотки якоря, приводит якорь во вращение.

Добавочные полюса предназначены для улучшения коммутации. Коммутацией называется процесс перехода тока секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую, т. е. процесс изменения направления тока в секции якоря.

Ток, проходящий по обмотке якоря, создает собственное магнитное поле, которое взаимодействует с основным магнитным полем двигателя. Воздействие магнитного поля якоря на -основное поле двигателя называется реакцией якоря. Реакция якоря нарушает правильную коммутацию, вызывая искрение под щетками. Воздействие реакции якоря, вызывающее искрение на коллекторе, устраняется с помощью добавочных полюсов, которые размещены между главными полюсами по оси коммутируемых секций, замыкаемых накоротко щетками.

Ширину добавочных полюсов выбирают небольшой, чтобы их магнитное поле действовало только в зоне, где происходит комму тация. Чтобы магнитное поле добавочных полюсов компенсировало э. д. с. реакции якоря при различных нагрузках, обмотку этих полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, в результате чего магнитное поле их изменяется пропорционально нагрузке.

Сердечники 32 (см. рис. 1, б) главных полюсов набирают из штампованных стальных листов Ст2 толщиной 1-1,5 мм, крайние листы толщиной 3-5 мм. Листы спрессовывают и соединяют заклепками. Затем в сердечнике полюса нарезают резьбу для крепления его к корпусу с помощью шпилек. В тяговых двигателях отечественного производства применяют сердечники главных полюсов со стержнем 33 в центре полюса, проходящим вдоль всей его длины.

В этом случае сердечники полюсов крепятся к корпусу болтами из стали 45. Сердечники добавочных полюсов 30 представляют собой механически обработанные стальные отливки (Ст25Л) и к корпусу крепятся болтами.

Катушки тяговых и вспомогательных двигателей выполняются бескаркасными. В зависимости от профиля провода, способа намотки и схемы включения различает следующие виды катушек.

1. Двухслойные катушки, намотанные из шинной меди. Витки катушки изолируют друг от друга асбестовой электроизоляционной бумагой, выступающей за края меди на 0,5-1 мм. Слои катушки отделяют прокладкой, склеенной из миканита и асбестовой бумаги. К крайним виткам катушек твердым припоем припаивают выводные пластины. Наружную изоляцию выполняют тремя слоями шелкослюдяной ленты и двумя слоями стеклоткани, наложенными вполуперекрышу. Обмотку с сердечником запекают по специальной технологии в кремнийорганической смоле, затем покрывают изоляционным серым лаком. Такую конструкцию катушек применяют для главных и добавочных полюсов двигателей последовательного возбуждения.

Рис. 4. Катушка главного полюса двигателя смешанного возбуждения:

1, 3 — обмотка последовательного возбуждения ; 2, 6 — изолирующая рамка; 4 — внешняя изоляция катушки; 5 — прокладка; 7- обмотка параллельного возбуждения; $ — замазка; 9, 10, Л, 12ВЫВОДЫ обмоток

!>)|С. 5. Катушка добавочного полоса:

I — пластина вывода; 2 — обмотка доба-ночного полюса; 3 — замазка; 4-вывод обмотки; 5 — стяжная лента; 6 — основная изоляция; 7 — покровная лента

2. Многовитковые катушки из изолированной круглой меди. В зависимости от класса изоляции в этих катушках применяют провода марки ПЭТ-155 для изоляции классов У или Я; ПСД — для изоляции классов В или Р\ ПБД или ПЭБЛО — для изоляции класса А. Изоляцию катушки выполняют из стеклянной ленты в один слой вполуперекрышу. Катушки такой конструкции используют для параллельных обмоток тяговых двигателей со смешанным возбуждением и для обмоток последовательного возбуждения вспомогательных двигателей.

В двигателях со смешанным возбуждением катушки последовательного и параллельного возбуждения (рис. 4) разделяют изолирующими рамками из миканита и асбестовой бумаги и затем на них накладывают общую наружную изоляцию.

3. Катушки последовательного возбуждения двухслойные из шинной меди с обмоткой подмагничивания из круглого изолированного провода.

4. Катушки из шинной Меди с намоткой на ребро (рис. 5). Такие катушки применяют для добавочных полюсов тяговых двигателей. Изоляцию между витками добавочных полюсов выполняют из асбестовой бумаги.

Все свободные места и неровности, образующиеся при намотке катушек, заполняют электроизоляционной замазкой.

Внешняя изоляция полюсных катушек состоит из трех основных частей: стяжной ленты, основной изоляции и внешней покровной ленты.

У тяговых электродвигателей в качестве стяжной ленты применяют стеклянную ленту, которую наматывают в один слой встык. Основную изоляцию катушки выполняют специальной стекломика-лентой ЛС2ФКД в три слоя вполуперекрышу. Внешней покровной лентой служит обычно киперная лента, пропитанная лаком.

Для вспомогательных электрических машин с изоляцией класса А в качестве стяжной используют тафтяную ленту. Основная изоляция выполняется хлопчатобумажной лакотканью в четыре слоя или микалентой в три слоя вполуперекрышу. Покровной лентой также служит кипсрная лента. После намотки и изолировки катушки полюсов двукратно пропитывают компаундом в автоклаве.

На сердечниках полюсов катушки крепят с помощью стальных пружинных фланцев, предохраняющих изоляцию катушек от повреждения, вызываемого вибрацией их на сердечнике при движении экипажа.

В катушках в процессе их намотки пространство между витками заполняется кремнийорганическими эмалями. Тяговые электродвигатели с кремнийорганической изоляцией имеют большую мощность при той же массе, повышенные частоту вращения якоря, термическую стойкость и лучшие энергетические показатели.

Существенное снижение общего нагрева обмотки достигается применением изоляции типа «Монолит-2». Эпоксидная смола с отвердителем в условиях глубокого вакуума и последующего давления заполняет все пространство внутри катушки и после отвердения обеспечивает значительное улучшение теплопередачи. Применение эпоксидных смол в качестве наполнителей позволило создать моноблоки, состоящие из катушек, соединенных с сердечниками эпоксидными связующими. Такая конструкция исключает вибрацию катушки, устраняет непосредственное соприкосновение катушек и корпуса и тем самым повышает общую надежность тягового двигателя.

Межкатушечные соединения выполняют проводом марки ПС-3000 или шинами, изолированными лентами из хлопчатобумажной лакоткани и тафтяной ленты.

Якорь двигателя состоит из вала 1 (см. рис. 1), стального пакета 21 с обмоткой 20, передней и задней нажимных шайб 14 и 22 и коллектора 13.

Вал якоря изготовлен из катаной углеродистой конструкционной стали марки 45 (вязкой, высокого механического качества) с последующей термообработкой. Диаметр вала изменяется ступенчато по длине. Пакет набирают из отдельных штампованных листов электротехнической стали Э12 или Э13 толщиной 0,5 мм, крайние 4-5 листов для предотвращения распушивания пакета берут толщиной 1-1,5 мм. Готовые листы для уменьшения потерь энергии от вихревых токов, возникающих при пересечении якорем магнитного поля, двукратно покрывают бакелитовым лаком с последующим запеканием. На валу якоря пакет крепят на шпонке и стягивают двумя литыми из стали марки 25Л нажимными шайбами 14 и 22 (см. рис. 1). Пакет, напрессованный на вал и закрепленный нажимными шайбами, представляет собой сердечник якоря. Пакет имеет пазы, предназначенные для укладывания в них обмотки якоря. Вентиляционные отверстия в сердечнике и коллекторе служат для охлаждения якоря воздушным потоком.

Балансируют сердечник с помощью стальных грузов, привариваемых к нажимным шайбам.

Рис, 6. Общий вид одновитковой катушки якорной обмотки тягового двигателя (а) и изоляция пазовой части катушки (б) в местах изгиба лобовых частей (в), в головках (г), на концах катушки (д)

Обмотку якоря для тяговых двигателей трамвая и троллейбуса выполняют из одновитковых катушек (рис. 6, а) или двухвитковых катушек, для вспомогательных двигателей — из многовитковых катушек (рис. 7, а). Применяют простую волновую обмотку.

Катушка якоря (см. рис. 6, а) состоит из активных пазовых частей 2, передних лобовых частей 1 и задних лобовых частей 3. Стороны катушки якоря располагаются в разных слоях пазов: верхнем и нижнем. Переход верхней стороны катушки к нижней осуществляется с помощью головки 4 на задних лобовых частях.

Для катушек якорей тяговых и вспомогательных двигателей используют изолированный провод 6 марки ПСДК или ПСД. Основную изоляцию 5 катушек относительно корпуса (рис. 6, б) выполняют в виде простынки из микабумаги или нагревостойкой стекломикаленты СГЛФК в четыре с половиной оборота. Сверху катушка имеет покровную изоляцию 8, также из стекломикаленты, которую накладывают в один слой встык. В качестве пазовой изоляции 9 служит электрокартон ЭВ или эскапоновая лакоткань ЛСЭ-1. На дно паза укладывают прокладку 10 из асбестовой электроизоляционной бумаги, пропитанной лаком. Такая же прокладка предусматривается между нижним и верхним слоями в пазу. В верхней части паза под клин устанавливают прокладку 7 из листового текстолита.

Места перехода пазовой части в лобовую и головки задних лобовых частей наиболее подвержены механическим повреждениям, поэтому их изолируют дополнительно. Для этой цели в местах изгиба между проводами устанавливают прокладки 11 из нагревостойкой стекломикаленты (рис. 6, <9) и стеклоткани ЛСК (рис. 6, в). Сверху места изгиба катушек изолируют стеклослюдинитовой лентой (Л1СК) 12 в два слоя вполуперекрышу. В случае йриМенения для обмотки провода ПОД головки проводников Дб-полнительно изолируют одним слоем стеклоленты 13 (рис. 6, г) виолуперекрышу. Всю головку катушки сверху изолируют одним слоем покровной стеклоленты 8, а верхнюю часть головки дополнительно изолируют еще одним слоем тафтяной ленты 14. Верхние и нижние стороны катушек на лобовых частях изолируют друг от друга асбестовой бумагой и гибким миканитом.

Обмотка якоря в пазах удерживается клиньями из стеклотекстолита СТЭФ, а лобовые части закрепляют бандажами из бандажной проволоки. Концы катушек якоря припаивают к коллекторным пластинам с помощью серебряно-кадмиевого припоя. После укладки в пазы обмотку якоря пропитывают лаком К-47.

Якорные катушки вспомогательных двигателей выполнены проводами 9 марки ПЭБЛО и ПЭЛБД (рис. 7). Изоляцию 8 катушки выполняют из шелковой лакоткани ЛШС в пять с половиной оборотов или из хлопчатобумажной лакоткани ЛХС в два с половиной оборота. В качестве покровной изоляции 7 применяют стекломика-ленту, намотанную в один слой встык.

Пазы изолируют электрокартоном 6 марки ЭВ. Прокладки 5 между слоями изготовляют также из электрокартона. Лобовые части катушек обмотки якоря изолируют одним слоем покровной ленты 7 вполуперекрышу. Места изгиба катушек вспомогательных двигателей изолируют лентой 10 из лакоткани ЛШС в один слой (см. рис. 7, в) и сверху накладывают один слой покровной ленты 7 вполуперекрышку. (На рис. 7, а позиции: 1 — передняя лобовая часть; 2 — активные пазовые части; 3 — задняя лобовая часть; 4 — головка).

Верхние и нижние стороны катушек на лобовых частях изолируют друг от друга электроизоляционным картоном ЭВ. Подбандажную изоляцию лобовых частей у вспомогательных двигателей выполняют также из электрокартона.

Обмотку якоря в пазах у вспомогательных двигателей закрепляют либо металлическими бандажами, либо клиньями из текстолита.

Рис. 7. Общий вид многовитковой катушки якорной обмотки вспомогательных двигателей (а), изоляция в пазовой части катушки (б) и в местах изгиба лобовых частей (е)

Коллектор двигателя предназначен для распределения тока по обмотке якоря. Он состоит из комплекта коллекторных пластин 13 (см. рис. 1), втулки 11 и нажимного конуса 9. Коллекторные пластины изготовляют из полосовой трапецеидального сечения холоднотянутой коллекторной или кадмиевой меди. Кадмиевая коллекторная медь в сравнении с обычной коллекторной медью обладает вдвое большей износоустойчивостью. Коллекторная пластина имеет рабочую поверхность, петушок и ласточкин хвост. Друг от друга коллекторные пластины изолируют миканитовыми прокладками толщиной 0,8 мм. Ласточкины хвосты коллекторных пластин, собранных в кольцо, зажимают между стальными конусами втулки н нажимного конуса и от них изолируют миканитовыми манжетами и миканитовым цилиндром. Натяг осуществляется гайкой 5. Миканитовые прокладки имеют в своем составе небольшую долю склеивающего лака и обладают малой усадкой. Миканитовые манжеты и цилиндр изготовляют из формовочного миканита толщиной 1 — 1,5 мм.

Посадка коллектора на вал — легкопрессовая, со шпонкой. Петушки коллекторных пластин имеют шлицы, в которые впаивают конец одной секции и начало другой секции обмотки якоря. Для пайки обмотки якоря к петушкам используют припой ПСрЗКД.

В тяговых двигателях ДК-259Г-3 и КД-259Д-3 применяют коллектор с пластмассовым креплением. Комплект коллекторных пластин вместе с армирующим кольцом и стальной втулкой опрес-совывают пластмассой на стеклянной основе типа АГ-4. Армирующее кольцо изготовляют из стали с повышенными механическими свойствами. Коллектор с пластмассовым креплением обладает монолитностью, может выдерживать высокую частоту вращения, но его практически нельзя ремонтировать, поэтому, чтобы увеличить срок его службы, коллекторные пластины изготовляют из кадмиевой меди, обладающей высокой износоустойчивостью.

Щеткодержатели и щетки в значительной степени влияют на надежность работы двигателя на линии. Необходимым условием нормальной работы щеточного аппарата является точное положение щеток на коллекторе, надежный контакт и отсутствие вибрации. Конструкция щеткодержателя должна обеспечивать также практически стабильное нажатие на щетку независимо от степени износа ее по высоте, достаточную механическую прочность, надежную изоляцию от корпуса, доступность осмотра и замены деталей. Рассмотрим конструкцию щеткодержателя тягового двигателя ДК-210А-3 (рис. 8).

Щеткодержатель состоит из двух основных частей: корпуса и кронштейна. Корпус 6 щеткодержателя изготовляется литьем под давлением из латуни марки ЛС-59. Он имеет два гнезда для установки щеток и нажимное устройство, обеспечивающее прижатие щеток к коллектору. Корпус щеткодержателя крепится к стальному кронштейну 10 с помощью гребенки и корончатой гайки 8. Рифленая поверхность соприкосновения корпуса 6 и накладки 9

(гребенка) обеспечивает их надежное соединение и исключает возможность перекоса. Овальное отверстие в корпусе щеткодержателя под шпильку 7 кронштейна дает возможность регулировать положение корпуса по отношению к коллектору. Расстояние от корпуса щеткодержателя до рабочей поверхности коллектора должно составлять 3-4 мм.

Кронштейн щеткодержателя имеет две опрессованные пластмассой шпильки 14 в насаженными на них фарфоровыми изоляторами 11 и крепится к переднему подшипниковому щиту электродвигателя с помощью гаек 13 с пружинными шайбами 12, навинчиваемых на шпильки. В двигателях ДК-259Г-3 кронштейн щеткодержателя представляет собой стальную конструкцию, армированную высокопрочной пластмассой АГ-4.

В каждом щеткодержателе устанавливают две щетки 16. К щеткам ток подводится через нажимные пальцы 4, которые соединяются с корпусом щеткодержателя шунтом 5. Эти же пальцы создают нажатие щеток на коллектор с помощью ленточных спиральных пружин 15. Один конец пружины входит в разрез регулировочной втулки 2, а к другому концу пружины заклепками крепится нажимной палец. Регулировку натяжения пружины осуществляют поворотом втулки 2 на валике 3 с последующим фиксированием втулки шплинтом 1.

В двигателях трамвайных вагонов и троллейбусов используют в основном щетки электрографитированные (ЭГ) и меднографитные (М). Электрографитированные щетки марок ЭГ-2а, ЭГ-14 рекомендуются для плотности тока 10-12 А/см2 и окружной скорости 40-45 м/с, а щетки марки ЭГ-74 -для плотности тока 10- 15 А/см2 и окружной скорости 50 м/с. Удельное нажатие на щетки этих марок для условий вибрации составляет 400-500 г/см2.

Меднографитные щетки сравнительно мягкие. Они рекомендуются для плотности тока 12-15 А/см2. Удельное нажатие на щетки 200 г/см2.

На коммутацию тяговых электродвигателей качество щеток оказывает большое влияние. Современные тяговые двигатели быстроходные и для надежной коммутации требуют применения теток определенного качества. Для тяговых электродвигателей должны применяться щетки марок ЭГ-2а, ЭГ-14 и ЭГ-74. Эти щетки, помимо хорошей электропроводности, обладают необходимой твердостью. Допустимый износ щеток для тяговых двигателей составляет примерно 25 мм.

Мягкие щетки вызывают быстрое загрязнение коллектора и двигателя. Их рекомендуют применять в маломощных двигателях с небольшой частотой вращения.

Корпуса щеткодержателей вспомогательных двигателей крепятся к пальцам, изолированным бакелизированной тканью. Пальцы зажимаются в специальном замке траверсы. Траверсу располагают на заточке подшипникового щита, ее положение устанавливают по наименьшей степени искрения при испытании двигателя и фиксируют винтом.

Подшипниковые узлы включают подшипниковые щиты, подшипниковые крышки (внешнюю и внутреннюю) и подлабиринтовые втулки. В тяговых двигателях применяют радиальные шариковые и роликовые подшипники. Роликовые подшипники при одинаковых монтажных размерах с шариковыми допускают большие нагрузки.

При работе двигателя происходит изменение длины вала якоря вследствие изменения температуры двигателя. Для исключения механических напряжений при этом явлении с одной стороны якоря подшипник должен допускать некоторое перемещение вала в осевом направлении (свободный подшипник).

Схема соединения обмотки якоря и обмоток возбуждения двигателя ДК-210А-3 приведена на рис. 9. Соединения, выполненные со стороны коллектора, обозначены на схеме сплошными линиями, штриховыми линиями обозначены соединения, выполненные со стороны привода.

Катушки полюсов как главных, так и добавочных соединены последовательно, витки наматываются против часовой стрелки. Начала катушек обозначаются буквой А (А, а), концы — буквой Е (Е, е).

Для обеспечения правильного чередования полярности главных полюсов при обходе катушки по окружности соединяют конец первой катушки с концом второй, начало второй соединяют с началом третьей и т. д. Катушки добавочных полюсов с обмоткой якоря соединяют последовательно. Для уменьшения помех радиоприему, создаваемых работающим двигателем, катушки добавочных полюсов следует располагать симметрично по отношению к обмотке якоря, т. е. по две с каждой стороны.

Выводы от обмоток тягового двигателя маркируются следующим образом: ЯП- начало обмотки якоря и добавочных полюсов; Я21 — конец обмотки якоря и добавочных полюсов; СП, С21 — начало и конец последовательной обмотки возбуждения; ШИ, Ш21 — начало и конец параллельной обмотки возбуждения. Выводы обмотки подмагничивания маркируют так же, как у параллельной обмотки возбуждения, т. е. ШИ и Ш21. Щеткодержатель отрицательной полярности расположен против середины главного северного полюса, а щеткодержатель положительной полярности-против середины южного полюса. При этом двигатель вращается против часовой стрелки, если смотреть со стороны коллектора. Одноименные щеткодержатели соединяют проводом. Прочие соединения внутри машины выполняют либо проводом, либо шинами.

Вентилятор предназначен для охлаждения электродвигателя. Существуют два способа охлаждения тяговых двигателей — само-вентиляция и независимая вентиляция (принудительная). Наиболее эффективным способом охлаждения является независимая вентиляция. Объем вентилирующего воздуха при этом остается постоянным независимо от нагрузки и частоты вращения якоря двигателя. Ввиду того что система независимой вентиляции требует дополнительного оборудования — вентилятора с приводным лвигаТелеМ, воздухопроЁОДоВ, ее редко применяют на гороДСКбМ электрическом транспорте.

Рис. 9. Монтажная схема соединения обмоток тягового двигателя ДК-210А-3 (сплошные линии соединения со стороны коллектора; штриховые — со стороны привода)

Наиболее, рациональная система охлаждения двигателей — еамовентиляция. При этой системе вентилятор закрепляют на валу якоря двигателя. Применяют вытяжную аксиальную вентиляцию, при которой вентилятор расположен в месте выхода воздуха из двигателя, В тяговых двигателях трамвая и троллейбуса отечественного производства вентиляторы устанавливают в двигателях со стороны привода (см. рис. 1). При вращении якоря центробежный вентилятор засасывает воздух в двигатель со стороны коллектора через патрубок, защищенный проволочной сеткой, и входные отверстия в переднем подшипниковом щите.

Внутри двигателя воздух проходит двумя параллельными путями: снаружи якоря между катушками главных и добавочных полюсов и по каналам внутри якоря. Нагретый воздух выбрасывается из двигателя через вентиляционные окна, расположенные против лопаток вентилятора. Эти окна защищены снаружи сетками. При таком расположении вентилятора щеткодержатели можно крепить к переднему подшипниковому щиту, облегчается доступ к коллектору и щеткодержателям и хорошо охлаждается коллектор. Вместе с тем при таком расположении вентилятора появляется большая возможность попадания на коллектор грязи и влаги вместе с охлаждающим воздухом, что неблагоприятно отражается на коммутации двигателя. Но все-таки такое расположение вентилятора со стороны привода считается наиболее целесообразным.

Вентиляторы отливают из силумина (сплава алюминия с кремнием) — легкого некорродирующего металла, обладающего хорошими литейными качествами. Для обеспечения надежной посадки на валу вентилятор имеет стальную втулку, к которой крепится заклепками.

На тяговом электродвигателе типа ЗАЬ-2943гИ применяют двухлопастный вентилятор, позволяющий раздельно охлаждать якорь и корпус с полюсами. Вентилятор крепится на валу якоря со стороны коллектора. Всасывающий патрубок расположен на корпусе двигателя со стороны передачи. Колпак патрубка закрыт металлической сеткой и имеет козырек, предохраняющий входное отверстие от попадания воды и грязи. Выходные вентиляционные отверстия расположены в корпусе над лопастями вентилятора и имеют снаружи по контуру предохранительные проволочные заграждения и снизу дополнительно защищены от грязи и влаги кожухом.

Недостатком самовентиляции является снижение количества засасываемого охлаждающего воздуха при увеличении нагрузки, а следовательно, рост потерь, выделяющихся в двигателе, так как при увеличении нагрузки уменьшается частота вращения якоря.

Тяговые двигатели ТЕ-022 выполнены с принудительной вентиляцией, осуществляющейся вентиляторами, приводимыми в действие двигатель-генератором. Постоянное количество охлаждающего воздуха подается вентиляторами по воздухопроводу в тяго-

Ёый двигатель через гофрированный патрубок, установленный на корпусе двигателя со стороны коллектора и снабженный защитной проволочной сеткой. Нагретый воздух выбрасывается из двигателя через вентиляционные отверстия в заднем подшипниковом щите.

Подвеска тяговых двигателей на современном подвижном составе трамвая и троллейбуса осуществляется независимой. При такой подвеске двигатель жестко крепится к основанию кузова на троллейбусах или в к раме тележки на трамвайных вагонах. В свою очередь кузов и рамы тележек закрепляют на осях с помощью рессор.

Вращающий момент отвала якоря на движущую ось передается посредством карданной передачи и шестеренчатого редуктора. Воздействие неровностей пути (рельса) на двигатель практически исключается, а относительное перемещение редуктора и двигателя, обусловленное прогибом рессор, компенсируется карданной передачей,

⇐Характеристики тяговых двигателей | Электрооборудование трамваев и троллейбусов | Вспомогательные электрические машины на напряжение 550 В⇒

Home — Motor Design

Home — Motor Design

Наша команда экспертов по проектированию электродвигателей разрабатывает Motor-CAD: лидирующий на рынке инструмент для быстрого мультифизического моделирования электрических машин во всем рабочем диапазоне крутящего момента и скорости.

О Motor-CAD О нас

О компании Motor Design Ltd

Специалисты в области проектирования электродвигателей

Мы — команда специалистов по проектированию двигателей, базирующаяся в Великобритании.Мы проводим передовые исследования и предоставляем программное обеспечение и поддержку компаниям по всему миру с 1999 года.

Разработчики Motor-CAD

Узнайте о нашем ведущем на рынке инструменте для проектирования электродвигателей Motor-CAD.

Выучить больше
Передовые исследования

Узнайте о наших проектах НИОКР, финансируемых из разных стран, и о недавно опубликованных исследованиях.

Выучить больше
Консультации и поддержка

Узнайте, как мы поддерживаем разработчиков двигателей на каждом этапе процесса проектирования.

Выучить больше

Последнее обсуждение

Чего мы можем достичь с помощью интегрированного инструмента мультифизического проектирования?

В нашем последнем техническом документе мы исследуем, как можно использовать инструмент мультифизического моделирования для быстрого и простого изучения компромиссов при принятии проектных решений.

Просмотреть официальный документ Просмотреть все ресурсы

Что происходит

Предстоящие события

Начни разговор с нами:

Этот веб-сайт использует файлы cookie, чтобы обеспечить вам максимальное удобство работы с ним.Узнать больше

Понятно Программа для проектирования электродвигателей и генераторов

Что такое MotorWizard?

MotorWizard — это программа для проектирования двигателей на основе шаблонов, полностью интегрированная в SOLIDWORKS. Он позволяет пользователям SOLIDWORKS создавать и анализировать различные конструкции электрических машин.
Это делает изучение электрических машин гибким и легким, предоставляя доступ к широкому диапазону настраиваемых размеров и параметров, которые полностью определяют конструкцию электрических машин.Оснащенный встроенными аналитическими и основанными на конечных элементах решателями, процесс проектирования электродвигателя становится легким, точным и быстрым.

Что нового в MotorWizard 2021?

• Улучшены производительность и скорость моделирования.
• В раздел результатов добавлен расчет индуктивности DQ.
• Были изготовлены два шаблона двигателя с постоянными магнитами со встроенными магнитами. добавлен.
• Секция автоподзавода была улучшена и теперь включает больше конфигурации двухслойной обмотки.
• Доработан вариант ручного завода.
• Расчет карты КПД на основе максимального крутящего момента на ампер (MPTA) имеет был улучшен.

Какие типы двигателей поддерживает MotorWizard?

В настоящее время MotorWizard поддерживает только радиальные двигатели с постоянными магнитами.

Сколько шаблонов двигателей доступно для двигателей с постоянными магнитами в MotorWizard?

В MotorWizard доступны следующие шаблоны двигателей с постоянными магнитами:
• Электродвигатель с постоянными магнитами поверхностного монтажа.
• Электродвигатель с постоянным магнитом поверхностного монтажа с сегментированным магнитом.
• Двигатель с постоянным магнитом для хлеба.
• Встроенный двигатель с постоянными магнитами.
• Электродвигатель с постоянными магнитами скрытого типа.
• Спицевый двигатель с постоянными магнитами.
• Конфигурации внешнего и внутреннего ротора.

Какой подход используется для оценки результатов анализа производительности в MotorWizard?

MotorWizard использует метод максимального крутящего момента на ампер (MTPA) для оценки производительности машины на разных скоростях.

Какие виды анализа доступны в MotorWizard?

MotorWizard предоставляет два типа анализа.Большинство результатов основано на чистом анализе методом конечных элементов. Однако MotorWizard использует полуаналитический анализ для получения результатов анализа производительности, таких как карта эффективности и кривая скорости крутящего момента. В полуаналитическом методе используются как FEA, так и аналитические методы. В аналитическом методе используется известная модель машины dq.

Поддерживает ли MotorWizard работу BLDC и PMSM?

MotorWizard обеспечивает анализ машин с возбуждением прямоугольным сигналом, который соответствует работе бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC), и возбуждением синусоидальной волны, которое соответствует работе синхронного двигателя с постоянными магнитами (PMSM).

Какие результаты представлены в разделе анализа производительности MotorWizard?

В разделе анализа производительности доступны следующие результаты:
• Крутящий момент в зависимости от скорости,
• Входная и выходная мощности в зависимости от скорости,
• Напряжение DQ в зависимости от скорости,
• Зависимость тока DQ от скорости,
• Потери в сердечнике в зависимости от скорости,
• Потери меди в зависимости от скорости,
• Карта эффективности и др.

Предлагает ли MotorWizard конфигурацию обмотки?

MotorWizard предлагает возможность автоматического создания различных конфигураций обмоток, таких как однослойные или двухслойные, концентрированные или распределенные, с полным шагом или с коротким шагом.

Могу ли я применить желаемую конфигурацию обмотки в MotorWizard?

Мы уверены, что секция автоподзавода MotorWizard предлагает множество разнообразных конфигураций намотки, которые могут вам пригодиться.Если требуется больше, вы можете применить желаемую конфигурацию намотки, используя таблицу ручной намотки, предоставленную MotorWizard. Однако убедитесь, что желаемая обмотка имеет сбалансированную конфигурацию.

Могу ли я редактировать свойства материала в MotorWizard?

Electric Motor Design — Motor and Gear Engineering, Inc.

Электродвигатели — это устройства, которые используются для преобразования электроэнергии в механическое вращательное движение.Это механическое движение управляемо. Эти двигатели также известны тем, что преобразуют электрическую энергию в движение с линейной силой. Они управляют движением механизмов и машин, работая вместе с программным обеспечением, электроникой привода и обратной связью по положению. Электродвигатели обычно работают в системе движения. Вы планируете разработать свой электродвигатель? Лучше всего доверить эту работу специалистам. Motor & Gear Engineering Inc. — один из ведущих и опытных поставщиков услуг по проектированию электродвигателей в США.

Этапы проектирования электродвигателя

Мы, компания Motor and Gear Engineering, выполняем следующие шаги при проектировании электродвигателя:

  • Первым шагом в разработке электродвигателя является оценка существующей системы. Наши профессиональные инженеры проанализируют вашу существующую систему, что поможет нам понять размеры требуемой конструкции электродвигателя.
  • После первичного анализа проводится системный анализ. Это помогает нам понять как текущие, так и будущие требования HP к производительности.
  • После выполнения основного анализа выполняется надлежащая оценка проблем, связанных с эксплуатацией и техническим обслуживанием.
  • Теперь, когда доступно достаточно данных, нам стало проще определить, какое дополнительное оборудование требуется. Это также помогает нам записывать необходимые изменения или дополнения, такие как тип подшипников, RTD / s или термопары, мощность обогревателя и т. Д.
  • На данный момент готова конструкция электродвигателя. Затем он рассматривается и утверждается.
  • Перед поставкой электродвигателя мы проводим заключительное тестирование, которое помогает нам убедиться, что система работает нормально и должным образом.

Конструкции электродвигателей различных типов

Электродвигатели могут иметь различную конструкцию на основе решений для двигателей с постоянными магнитами (ПМ): Ниже приводится несколько конструкций электродвигателей:

  • Универсальные моторы
  • Щеточные двигатели PM
  • PM Бесщеточный трапециевидный «6-ступенчатый» постоянного тока с эффектами Холла
  • PM Бесщеточный синусоидальный переменный ток с резольвером
  • Асинхронные двигатели (кроме PM)

Лучше оставить конструктивную часть электродвигателя на усмотрение специалиста для получения лучшего конечного продукта.Вы ищете специалиста, который поможет вам разработать электродвигатель? Вы пришли в нужное место. Motor & Gear Engineering Inc. — ведущая компания, которая помогает своим клиентам в проектировании электродвигателей. Точность проектирования в сочетании с нашим огромным опытом сделали нас одним из самых популярных поставщиков услуг в США. В дополнение к этому, мы, как известно, обеспечиваем быстрое обслуживание и короткие сроки выполнения работ, что помогло нам создать базу из нескольких довольных клиентов из различных отраслей.Мы обслуживаем огромное количество клиентов из таких отраслей, как производство цемента и бетона, полиграфия, автомобилестроение, текстиль, продукты питания и напитки и многое другое. Когда вы решите приобрести у нас услуги по проектированию электродвигателей, вы можете быть уверены в их качестве. Это потому, что мы используем фирменные и оригинальные запчасти и никогда не идем на компромисс в отношении качества. Хотите получить дополнительную информацию об услугах по проектированию электродвигателей, предоставляемых нашими специалистами? Ну, мы на расстоянии одного звонка. Пожалуйста, позвоните нам по телефону 770-454-9001 как можно раньше.

Радиальный и осевой и поперечный поток

Как инженер, которому поручено продвигать ваш продукт в будущее, вам, вероятно, придется принять множество решений при выборе конструкции двигателя для вашего проекта переменного тока.

Наиболее распространенные применения электродвигателей делятся на две основные категории — двигатели с осевым потоком и двигатели с радиальным магнитным потоком. Есть еще третья категория — двигатели с поперечным магнитным потоком — но эта конфигурация не так широко распространена (пока).

На протяжении десятилетий двигатели с радиальным магнитным потоком были наиболее распространенным решением.Однако по причинам, которые мы обсудим ниже, машины с осевым потоком становятся стандартом для двигателей переменного тока.

Из-за ограничений традиционных многослойных стальных штабелей мы также рассмотрим, как порошковая металлургия помогает раскрыть потенциально новые области применения для всех трех конструкций.

В чем разница между осевой, радиальной и поперечной конструкцией электродвигателя?

Хотя все три типа могут быть созданы как синхронные двигатели с постоянными магнитами, фундаментальные различия заключаются в ориентации магнитного поля относительно электрических катушек.

Двигатель с радиальным магнитным потоком

Вкратце, характеристики двигателя с постоянными магнитами с радиальным магнитным потоком расположены по бокам. Медные обмотки наматываются на пазы. Поток создается перпендикулярно оси вращения.

Например, традиционные двигатели BLDC с радиальным потоком состоят из ротора, состоящего из постоянных магнитов, расположенных внутри статора. В данном случае:

  • Статор содержит опору, известную как ярмо, которая снабжена «зубьями», содержащими электромагнитные катушки
  • Зубья работают как переменные магнитные полюса
  • Магнитные полюса ротора взаимодействуют с переменным магнитным потоком намотанных зубцов статора, создавая крутящий момент двигателя


Двигатель с осевым потоком:

Конструкция двигателя BLDC с осевым потоком отличается от радиальной машины.

В этом случае магнитный поток создается параллельно оси вращения из-за того, как он намотан. Это дает преимущество упрощения изготовления двигателя.

Хотя этот тип геометрии электродвигателя далеко не нов, он редко использовался в коммерческих приложениях, пока не появились бесщеточные двигатели постоянного тока. Они стали популярнее, когда стали широко доступны более мощные электромагниты, чтобы использовать преимущества осевой геометрии . Теперь магнитно-мягкие композитные материалы (SMC), эксклюзивные для металлического порошка, определяют будущее характеристик двигателей с осевым потоком:

  • Высокая плотность мощности (Подробнее об этом чуть позже)
  • Проще изготавливать двигатели с побегами для более высокого крутящего момента
  • Упрощенная конструкция обмотки сильноточного электродвигателя BLDC
  • Более короткий магнитный путь


Двигатель с поперечным магнитным потоком:

Двигатели с поперечным магнитным потоком (двигатели TFM) используют и другой подход к конструкции обмотки статора двигателя т. Вместо того, чтобы наматывать медную проволоку вокруг зубцов статора или полюса, TFM держит свои катушки вокруг ротора.

(Фото любезно предоставлено Linear Labs)

Эта установка обеспечивает трехмерный поток магнитного потока, где он проходит в осевом направлении через статор, по окружности через ротор и радиально через зазор между ними.

В результате вы можете увеличить крутящий момент на низкой скорости и эффективность в определенных условиях или даже увеличить мощность для определенных энергозатрат и размеров двигателя.Кроме того, отсутствует потребность в охлаждении, что обеспечивает более длительную непрерывную работу.

Чем отличаются эти конструкции электродвигателей по характеристикам?

Хотя радиальная конструкция была стандартом на протяжении десятилетий, осевые двигатели и двигатели TFM обладают определенными характеристиками и преимуществами в производительности. Сегодня они являются предпочтительным выбором для модернизации вашего автомобильного или промышленного оборудования.

Например, подумайте о двигателе для ступицы колеса — что вы хотите, чтобы он делал в первую очередь? Обеспечивает большой крутящий момент. Поскольку осевые и поперечные двигатели могут иметь вращающийся элемент, расположенный на их внешнем диаметре, они создают более высокий крутящий момент, уменьшая при этом занимаемую ими площадь двигателя. Внести эти улучшения сложнее в радиальных двигателях с внутренней конструкцией (где ротор находится внутри статора).

Двигатель с осевым магнитным потоком также имеет более высокую удельную мощность, развивая крутящий момент на 30-40% больше, чем радиальный двигатель аналогичного размера, и имеет лучшее охлаждение.

В двигателе с радиальным магнитным потоком магнитный поток движется от одного зубца к статору, обратно к следующему зубцу, а затем к магнитам.С другой стороны, двигатель с осевым потоком имеет более эффективный путь магнитного потока: от одного магнита через сердечник к другому магниту.

Какое место в разговоре занимает порошковая металлургия?

Каждый инженер согласен с тем, что постоянные магниты увеличивают производительность двигателя. Как мы можем сегодня улучшить производственный процесс, чтобы добиться еще более высоких показателей?

Традиционное ламинирование по-прежнему является наиболее распространенным методом изготовления роторов и статоров. Этот процесс может включать:

  • Штамповка
  • Сборка и стыковка
  • Клепка
  • Сварка
  • Клей
  • Обработка осевых полюсов (в современных конструкциях ламинирования осевым флюсом)

Эти специфические для ламинирования процессы деформируют внутреннюю структуру материала, ослабляя его магнитные свойства.С другой стороны, трехмерная траектория потока и возможности формования порошковой металлургии исключают вторичную механическую обработку и соединение. Этот прорыв привел к широкому использованию ферромагнитных материалов, таких как магнитомягкие композиты.

SMC состоят из частиц порошка железа, покрытых слоем электроизоляции. Поскольку они могут быть изготовлены в сложных формах с помощью порошковой металлургии, SMC позволяют создавать трехмерные магнитные цепи и снижать потери в сердечнике на .

Магнитно-мягкие композитные материалы

теперь могут превосходить листы электротехнической стали на частотах всего 100 Гц.Модули SMC идеально подходят для модернизации вашего высокочастотного приложения (при условии, что это не асинхронный двигатель).

В двигателях SMC превосходные характеристики открывают новые возможности, которые были — и остаются — невозможными при использовании стальных пластин.

SMC: Идеальное решение для проектирования электродвигателей?

В связи с тенденцией к электрификации, наряду с призывами к недорогим высокоэффективным двигателям, растет спрос на более эффективные электромагнитные компоненты. «Эффективность» должна исходить как с точки зрения затрат, так и с точки зрения энергии.

SMC играют решающую роль в переходе к производству более эффективных альтернатив. Основные преимущества использования магнитомягких композитных материалов для производственных процессов и проектирования двигателей включают:

  • Высокая производительность : SMC позволяют двигателям соответствовать требованиям к высокой эффективности электромобилей и многому другому.
  • Компактная конструкция : Производители могут уменьшить размер и вес компонентов, используемых в двигателе.
  • Превосходная экономическая эффективность: Компактная конструкция двигателя приводит к меньшему количеству материалов, упрощенному производственному процессу и минимуму отходов.

Чтобы получить дополнительные ресурсы о том, как разработать более эффективный, компактный электродвигатель с высоким крутящим моментом, посетите наш Центр инженеров.

Разработка новых электродвигателей — Axon Motor Company, LLC

Услуги по проектированию электродвигателей

Axon специализируется на проектировании и производстве электродвигателей и генераторов, в которых плотность мощности и эффективность являются приоритетными. При проектировании и производстве энергоемкого и эффективного электродвигателя или генератора необходимо опираться как на теоретические, так и на практические аспекты.Дизайн должен быть основан не только на результатах аналитических моделей, но он должен быть подкреплен опытом, чтобы в конечном итоге не был разработан математически красивый, но неработоспособный (или непроизводственный) продукт. Чем разнообразнее опыт, полученный в прошлых проектах двигателей (и чем более требовательными были прошлые проекты), тем эффективнее будет обработка конструкции для создания надежного и технологичного устройства.

Ключевые члены команды Axon обладают более чем 80-летним опытом разработки и производства электродвигателей и генераторов для космического, аэрокосмического и наземного применения.Члены команды Axon также обладают обширным опытом проверки новых разработок на соответствие строгим отраслевым стандартам тестирования, таким как MIL-STD-810, MIL-STD-461 и RTCA / DO-160, что гарантирует, что ваш продукт будет работать должным образом в современных сложных условиях. Команда Axon может разработать и квалифицировать решение, отвечающее вашим самым взыскательным требованиям.

Основные категории электродвигателей, поддерживаемые Axon, включают бесщеточные постоянные магниты, индукционные электродвигатели переменного тока и щеточные электродвигатели постоянного тока. Диапазон применения может варьироваться от нескольких сотен ватт до более 200 кВт, при скорости вращения вала от нескольких тысяч до более 35000 об / мин.Возможности Axon варьируются от создания до печати до совместной разработки индивидуальных решений с вашей командой.

Axon также тестирует запатентованный металлургический процесс сторонних производителей, который, как было показано, улучшает тепловые характеристики, снижает собственные вибрации и повышает устойчивость к коррозии. Ранние испытания двигателей переменного тока также показали повышение общего КПД. Axon рада работать с этой технологией!

Обучение проектированию двигателей

Все курсы в настоящее время ОСТАНОВЛЕНЫ; следующая информация будет применяться при повторном запуске:

Зарегистрируйтесь раньше — на большинство курсов действует скидка за раннюю регистрацию.

Наши ЖИВЫЕ, ОНЛАЙН-курсы транслируются в прямом эфире для учебы, с и инструктор, и большой экран с визуальными эффектами, а также полный двусторонний аудиовизуальный контент взаимодействие всех участников

& nbsp • Это НЕ стиль вебинара, только голос, слайды,
& nbsp & nbsp & nbsp и обмен сообщениями в чате;
& nbsp • Полноцветная обучающая подшивка или файлы PDF (начало 2021 г.) с
Вам будет отправлено более 400 страниц.
& nbsp • Так же, как и аудиторные занятия, курс не записывается
& nbsp & nbsp & nbsp для последующего просмотра;
& nbsp • Запись запрещена без письменного разрешения авторских прав
. & nbsp & nbsp & nbsp и авансовый платеж за регистрацию, без исключений

Вся инженерия MOTOR применяется в равной степени к разработке GENERATOR

Даты в настоящее время все подлежат определению — подлежат определению

Практическое понимание концепций технологии электродвигателей от опытных инженеров-технологов для нетехнического персонала.Этот уникальный и высоко оцененный курс обеспечивает прочную основу технических принципов проектирования электродвигателей, конструкция и принципы работы, с акцентом на то, что это значит, почему он там и что важно. Материал курса важен для продаж, обслуживания клиентов и координации бизнеса тех, кто связан с электродвигателями. Целевая аудитория не инженеры или инженеры, не знакомые с электродвигателями, которые обычно работают с предоставлением или использованием электродвигателей.(подробнее …)

Регистрация: ОЖИДАЕТСЯ до дальнейшего уведомления

Даты: TBD: сентябрь 2021 г. или позже
Расположение: LIVE, ONLINE
Предыдущую брошюру EMT можно найти здесь

Конструкция однофазного асинхронного двигателя

.

Принципы и практические концепции, уникальные для конструкции однофазных индукционных машин — Принципы работы и теория, Конфигурация и конструкция катушки, Использование конденсатора, Материалы сердечника, конструкция паза, конструкция стержня ротора, прогнозирование пусковых и ходовых характеристик
…Больше подробностей здесь …
(подробнее …)

Регистрация: В ОЖИДАНИИ до дальнейшего уведомления

Даты: TBD: сентябрь 2021 или позже
Местонахождение: LIVE, ONLINE
См. Брошюру по регистрации однофазных двигателей на 2021 год здесь (позже)

Поверхностный магнит PM, BLDC, IPM, PM-Assisted-Synchronous-Reluctance machines. Включает расширенные концепции в дизайне двигателей с пониманием техники проектирования, новых тенденций, тяговых и приводных систем.«Как сделать» для ультрасовременная, ориентированная на применение конструкция станков с синусоидальными поверхностными модулями PM (SMPM), трапециевидных Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC), двигатели с внутренним постоянным магнитом (IPM) и генераторы с постоянными магнитами. Изучите твердые основы PMAC методы проектирования машин, основанные на академической теории и многолетнем практическом опыте, с учетом производства и затрат. Содержит последние тенденции в разработке двигателей PMAC, в том числе редкоземельные магниты по сравнению с дешевыми ферритовыми магнитами, новые методы анализа, Компьютерное проектирование, быстрое приближение и масштабирование размеров, компромиссы для достижения эффективности, удельная мощность, крутящий момент на ампер, Постоянный диапазон мощности и скорости, дизайн для гибкого производства, низкая стоимость и новые методы производства.(подробнее …)

Регистрация: ОЖИДАЕТСЯ до дальнейшего уведомления

Даты: TBD: сентябрь 2021 г. или позже
Местонахождение: LIVE, ONLINE
Посмотреть брошюру о регистрации в 2021 PMAC можно здесь (В ОЖИДАНИИ)

Практические методы применения электродвигателей, частотно-регулируемых приводов (ЧРП) и силовых трансформаторов. Узнайте, как правильно определять размеры, выбирать, эксплуатировать и обслуживать эти ключевые элементы электрического силового оборудования.
… Больше подробностей здесь скоро …
(подробнее …)

Запись: ОЖИДАЕТСЯ до дальнейшего уведомления

Даты: TBD: сентябрь 2021 года или позже
Местонахождение: LIVE, ONLINE
См. Брошюру по регистрации приложений здесь (позже)

УНИКАЛЬНЫЙ курс — единственный в своем роде, 2-е предложение! Изучите принципы и методы THERMAL DESIGN для принятия решений по аппаратному обеспечению для асинхронных двигателей, двигателей с постоянным постоянным током, реактивных двигателей и двигателей постоянного тока с применением практического опыта, академической теории, материалов характеристики, производственная практика.Материал этого курса — это инженерная практика, которую вы не найдете в книге, а вы не могу получить от обучения работе с программным обеспечением. Содержание включает требования спецификации, этапы проектирования, балансировку стоимости и тепловых характеристик, хорошие практические правила, подходы к анализу и методы тестирования. Материал курса относится к двигателям и генераторам, используемым в промышленности, HVAC, гибридные электроприводы, тяговые и двигательные системы, ветряные турбины, бытовая техника, аэрокосмическая промышленность.(подробнее …)

Даты: TBD: сентябрь 2021 г. или позже
г. Расположение: LIVE, ONLINE

Посмотреть предыдущую брошюру о зачислении в тепловую систему здесь

Практическое понимание используемых сегодня методов и технологий производства двигателей. Метод vs объем, новое разработки, автоматизация и рабочие элементы, плюсы и минусы, эффективность и качество. Этот курс дает основу технические и практические принципы, используемые для изготовления, сборки и сборки компонентов электродвигателей и генераторов. тестирование.Цель этого уникального курса — дать представление о методах и возможностях выбора электрических производство двигателей, с уделением особого внимания влиянию выбора конструкции на стоимость, производительность и надежность. (подробнее …)

Даты: подлежат определению: сентябрь 2021 г. или позже
г. Расположение: LIVE, ONLINE

Посмотреть предыдущую брошюру о регистрации в производстве можно здесь!

Ключевые проблемы конструкции двигателя решаются в ходе шести динамичных занятий по полдня.Научитесь разбираться в проблеме, выбрать методы решения и интерпретировать данные анализа и испытаний. Академическая теория, средства автоматизированного проектирования и практический опыт решения сложных вопросов проектирования двигателей. Структура мастерской предоставит «Как сделать», с упором на быстрые ответы, глубокий анализ, где это оправдано, ожидания и преимущества, точность параметров, различия в производительности. Включены новые методы анализа, новые методы проектирования, а также новейшие концепции и (более…)

Даты: TBD: сентябрь 2021 г. или позже
г. Расположение: LIVE, ONLINE

Посмотреть предыдущую брошюру для регистрации в программе Advanced Design можно здесь

Ключевые принципы и практические концепции проектирования индукционных машин — Основные материалы, конструкция пазов, конструкция стержня ротора, прогнозирование производительности, включая эффективность.Включает в себя практичный, ориентированный на применение дизайн инженерные методы для индукционных машин. Ключевые принципы двигателя используются для понимания и выбора вариантов индукционной Машинный дизайн. Академическая теория и практический опыт трансформируются в практические результаты с расчетом «How-to», учитывая производственные ограничения. Акцент делается на быстрых решениях, различиях в производительности и новые тенденции в асинхронных двигателях. Включены новые методы анализа и новые варианты дизайна для достижения низкая стоимость, высокая эффективность, высокая удельная мощность и максимальный крутящий момент на ампер.(подробнее …)

Даты: TBD: сентябрь 2021 г. или позже
г. Расположение: LIVE, ONLINE

Просмотреть предыдущую брошюру по регистрации асинхронных двигателей здесь

Этот курс обучает ключевым принципам и практическим концепциям, касающимся машин сопротивления, как переключаемых, так и реактивных сопротивлений. и синхронное сопротивление. Топологии просты, но их проектирование затруднено из-за нелинейных эффектов и чувствительность к ключевым параметрам.Это проклятие направлено на понимание конструкции машины в контексте переключаемого сопротивления. и машины с синхронным сопротивлением. Академическая теория сведется к практическим результатам с примерами и расчетами. Практические рекомендации с учетом реальных производственных ограничений, особенно магнитного насыщения. Особое внимание будет быть на конструировании двигателей для конкретного применения, требованиях к приводам, практическом дизайне для недорогого производства и способах достичь таких характеристик, как крутящий момент, удельная мощность, скорость, низкий уровень шума и т. д.(подробнее …)

Даты: подлежат определению: сентябрь 2021 г. или позже Расположение: LIVE, ONLINE

Посмотреть предыдущую брошюру о регистрации по программе Reluctance Enrollment можно здесь

Первое предложение, все еще в стадии разработки — содержание и программа обучения все еще развиваются
Обмотка — это ремесло, которое рождается из опыта и никак иначе.Мы привезем подготовленные статоры, принадлежности и инструменты, готовые к выполнению следующего задания
В этом практическом курсе рассматривается потребность в обучении заводчикам промышленных и тяговых двигателей.
Планируется, что это первое издание будет двухдневным.
Целевая аудитория — это те, кому нужно научиться готовить и заводить трехфазный электродвигатель. Это особенно ценно для новых намотчиков, менеджеров без опыта работы на стенде, отдела продаж автомобилей и клиентов. обслуживающий персонал, поставщики предприятий по производству и ремонту двигателей.
(подробнее …)

Даты: подлежат определению: сентябрь 2021 г. или позже
г. Расположение: LIVE, ONLINE

См. Брошюру для зачисления здесь (позже) Штаты использовали электроэнергию, и эта доля снизилась практически до нуля, когда в 20-е годы доминировал двигатель внутреннего сгорания.Сегодняшние усилия по экономии энергии и сокращению загрязнения дали электромобилю новую жизнь, но его высокая стоимость и ограниченный диапазон поездок в совокупности удерживают показатели продаж на низком уровне.

Большинство попыток решить эти проблемы связаны с улучшением аккумуляторов. Конечно, более совершенные системы хранения электроэнергии — будь то батареи или топливные элементы — должны оставаться частью любой стратегии улучшения электромобилей, но есть много возможностей для улучшения и в другом фундаментальном компоненте транспортного средства: двигателе.Последние четыре года мы работали над новой концепцией тягового электродвигателя, используемого в электромобилях и грузовиках. Наша последняя разработка значительно повышает эффективность по сравнению с традиционными конструкциями — достаточно, чтобы сделать электромобили более практичными и доступными.

В прошлом году мы протестировали наш прототип двигателя в ходе обширных испытаний на лабораторном стенде, и хотя пройдет некоторое время, прежде чем мы сможем поместить машину в автомобиль, у нас есть все основания ожидать, что он будет работать так же хорошо в этих условиях.Таким образом, наш двигатель может расширить диапазон сегодняшних электромобилей, даже если в технологии аккумуляторов не будет дальнейшего прогресса.

Чтобы понять суть проблемы, необходимо сделать краткий обзор основ конструкции электродвигателя . По сравнению с двигателями внутреннего сгорания электродвигатели просты и состоят всего из нескольких важных компонентов. По механическим причинам требуется корпус; его называют статором, потому что он остается на месте. Ротор необходим для вращения вала и создания крутящего момента.Чтобы двигатель работал, статор и ротор должны магнитно взаимодействовать, чтобы преобразовать электрическую энергию в механическую.

В этом магнитном интерфейсе концепции электродвигателей различаются. В щеточных двигателях постоянного тока постоянный ток протекает через щетки, которые скользят по коммутатору. Ток проходит через коммутатор и питает обмотки ротора. Эти обмотки отражаются постоянными магнитами или электромагнитами в статоре. Когда щетки скользят по коммутатору, он периодически меняет направление тока, так что магниты ротора и статора отталкиваются друг от друга снова и снова в такой последовательности, которая заставляет ротор вращаться.Другими словами, вращательное движение вызывается изменяющимся магнитным полем, создаваемым коммутатором, который подключает катушки к источнику питания и циклически меняет ток по мере вращения ротора. Однако этот метод ограничивает крутящий момент и подвержен износу; поэтому он больше не используется для тяговых приводов.

В современных электромобилях вместо этого используется переменный ток, питаемый от инвертора. Здесь динамическое вращающееся магнитное поле создается внутри статора, а не ротора.Эта характеристика облегчает конструктивные ограничения ротора, как правило, более сложного из двух, что, в свою очередь, облегчает общую конструкторскую проблему.

Есть два типа двигателей переменного тока: асинхронные и синхронные. Мы сосредоточимся на синхронных, потому что они обычно работают лучше и эффективнее.

Река протекает сквозь него: при улучшенном охлаждении вода пропускается непосредственно через змеевик (слева), а не через водяную рубашку на внешней стороне корпуса (справа). Изображение: Мартин Доппельбауэр и Патрик Винцер

Синхронные двигатели также бывают двух разновидностей. Наиболее распространенной является синхронная машина с постоянными магнитами (PMSM), в которой используются постоянные магниты, встроенные в ротор. Как отмечалось выше, чтобы заставить ротор вращаться, в статоре создается вращающееся магнитное поле. Это вращающееся поле создается обмотками статора, подключенными к источнику переменного тока. Во время работы полюса постоянных магнитов ротора заблокированы для вращающегося магнитного поля статора, которое заставляет ротор вращаться.

Эта конструкция, которая используется в Chevrolet Volt and Bolt, BMW i3, Nissan Leaf и многих других автомобилях, позволяет достичь максимальной эффективности до 97 процентов. Их постоянные магниты обычно сделаны из редкоземельных элементов; яркими примерами являются очень мощные неодимовые магниты, разработанные в 1982 году компаниями General Motors и Sumitomo.

Явнополюсные синхронные машины (SPSM) используют электромагниты внутри ротора, а не постоянные магниты. Полюса представляют собой катушки в форме труб, которые направлены наружу от ступицы ротора, как спицы в колесе.Эти электромагниты в роторе питаются от источника постоянного тока, который подключен к катушкам через контактные кольца. Контактные кольца — в отличие от коммутатора в машине постоянного тока — не реверсируют ток в катушках ротора. Таким образом, северный и южный полюса ротора статичны, и щетки изнашиваются не так быстро. И, как и в PMSM, движение ротора вызывается вращающимся магнитным полем статора.

Из-за необходимости запитывать электромагниты ротора через контактные кольца, эти двигатели обычно имеют немного более низкий пиковый КПД, в диапазоне от 94 до 96 процентов.Преимущество, которое они имеют перед PMSM, заключается в возможности регулировки поля ротора, что позволяет ротору эффективно развивать крутящий момент на более высоких скоростях по сравнению с PMSM. Таким образом, общие характеристики при использовании в качестве двигателя автомобиля могут быть выше. Единственный производитель, который использует этот тип двигателя в серийных автомобилях, — это Renault в своих моделях Zoe, Fluence и Kangoo.

ЭМ

должны изготавливаться из компонентов, которые не только высокоэффективны, но и легки. Наиболее очевидный подход к улучшению отношения мощности к массе двигателя — уменьшить размер машины.Однако такая машина будет производить меньший крутящий момент для данной скорости вращения. Следовательно, чтобы получить такую ​​же мощность, вам нужно запустить двигатель с более высокими оборотами в минуту. Современные электромобили работают со скоростью около 12 000 об / мин; для следующего поколения готовятся двигатели до 20 000 об / мин; и машины, достигающие 30 000 об / мин, находятся под следствием. Проблема в том, что для более высоких скоростей требуются коробки передач все большей сложности, потому что обороты в минуту настолько велики по сравнению с тем, что необходимо для вращения шин.Эти сложные редукторы несут относительно высокие потери энергии.

A Perfect Storm: В дизайне авторов [вверху] сила Лоренца и смещенная сила индуктивности (серый цвет) суммируются с максимальной суммарной силой [синий], равной 2. В обычном двигателе [внизу] добавляются два силы — сила Лоренца и сила сопротивления [серый] — дает общую силу [синий], которая достигает максимума всего 1,76 при угле полярного колеса 0,94 рад. Разница в этом примере составляет 14 процентов.

Второй подход к улучшению отношения мощности к весу заключается в увеличении силы магнитного поля двигателя, которое увеличивает крутящий момент. В этом заключается смысл добавления железного сердечника к катушке, поскольку, хотя этот шаг увеличивает вес, он увеличивает плотность магнитного потока на два порядка. Поэтому сегодня почти все электрические машины используют железный сердечник в статоре и роторе.

Однако есть недостаток. Когда напряженность поля превышает определенный предел, железо теряет всю свою способность увеличивать поток.На этот предел насыщения может незначительно влиять процесс смешивания и производства чугуна, но наиболее экономичные материалы ограничены примерно 1,5 В / м 2 (Вольт, умноженное на секунду на квадратный метр, или тесла). Только очень дорогие и редкие кобальто-железные вакуумные стальные материалы могут достигать плотности магнитного потока 2 тесла и более.

Наконец, третий стандартный способ увеличения крутящего момента — усилить поле, пропустив через катушки больше тока. Опять же, есть ограничения.Пропустите через провод больше тока, и резистивные потери увеличатся, уменьшая эффективность и создавая тепло, которое может повредить двигатель. Вы можете использовать проволоку из металла, проводящего лучше, чем медь. Действительно, серебряная проволока доступна, но в этом случае она была бы абсурдно дорогой.

В результате единственный практический способ увеличить ток — это контролировать нагрев. Современные системы охлаждения направляют охлаждающую воду непосредственно вдоль обмоток, а не направляют водопровод дальше, на внешнюю сторону статора [см. Иллюстрацию «Через нее течет река»].

Все эти шаги помогают улучшить отношение веса к мощности . В гоночных электромобилях, для которых стоимость не имеет значения, моторы могут весить всего 0,15 килограмма на киловатт выходной мощности, что сопоставимо с лучшими двигателями внутреннего сгорания Формулы-1.

Фактически, мы и наши студенты разработали и построили такие высокопроизводительные электродвигатели для автомобиля, участвовавшего в гонках Formula Student Racing Series три года назад. Мы построили двигатели в нашей лаборатории в Электротехническом институте Технологического института Карлсруэ в Германии.Каждый год команда строила новую машину с улучшенными моторами, коробками передач и силовой электроникой. На каждую машину приходится четыре двигателя, по одному на каждое колесо. Каждый из них имеет диаметр всего 8 сантиметров, длину 12 см и вес 4,1 кг, и каждый производит 30 кВт непрерывной мощности с максимальной мощностью 50 кВт. В 2016 году наша команда выиграла чемпионат мира.

Так что это действительно можно сделать, когда стоимость не имеет значения. Настоящий вопрос заключается в том, могут ли такие технологии повышения производительности использоваться в двигателях массового потребления, которые можно было бы использовать в автомобиле, который вы могли бы купить? Мы построили такой двигатель, поэтому ответ — да.

Мы начали с одной идеи. Электродвигатели работают одинаково хорошо, работают ли они как двигатели или как генераторы, хотя такая симметрия на самом деле не требуется для электромобилей. С автомобилем вам нужен электродвигатель, который лучше работает в режиме двигателя, чем в режиме генерации, который используется только для зарядки аккумуляторов во время рекуперативного торможения.

Чтобы понять идею, рассмотрим в деталях принцип работы двигателя PMSM. В таком двигателе на самом деле есть две силы, которые создают движение.Во-первых, это сила, вызванная постоянными магнитами в роторе. Когда токи проходят через медные катушки статора, они создают магнитное поле. Со временем ток передается от одной катушки к другой, вызывая вращение магнитного поля. Это вращающееся поле статора притягивает постоянные магниты ротора, так что ротор начинает двигаться. Этот принцип зависит от так называемой силы Лоренца, которая действует на заряженную частицу, движущуюся через магнитное поле.

Но современные электродвигатели также получают дополнительную мощность за счет сопротивления — силы, которая притягивает кусок железа к магниту. Таким образом, вращающееся поле статора притягивает как постоянные магниты, так и железо ротора. Сила Лоренца и сопротивление работают рука об руку, и — в зависимости от конструкции двигателя — они примерно одинаково сильны. Обе силы почти равны нулю, когда магнитное поле ротора и статора идеально выровнены. По мере увеличения угла между полями машина развивает механическую мощность.

В синхронной машине поле статора и ротор вращаются в тандеме, без задержки, характерной для асинхронных машин. Поле статора имеет определенный угол по отношению к ротору, угол, который можно свободно изменять от момента к моменту во время работы для достижения максимальной эффективности. Оптимальный угол для создания крутящего момента при заданном токе можно рассчитать заранее. Затем он регулируется — по мере изменения тока — системой силовой электроники, которая подает переменный ток на обмотки статора.

Но вот в чем проблема: когда вы перемещаете поле статора относительно положения ротора, сила Лоренца и сила сопротивления каждый раз увеличиваются и уменьшаются. Сила Лоренца увеличивается в соответствии с синусоидальной функцией, которая достигает своего пика в точке, расположенной под углом 90 градусов от исходной позиции (которая является точкой, в которой выравниваются поля статора и ротора). Однако сила сопротивления повторяется с удвоенной частотой и, следовательно, достигает пика при смещении на 45 градусов [см. Графики «Идеальный шторм»].

Поскольку две силы достигают своих пиков в разных точках, максимальная общая сила двигателя меньше суммы его частей. Скажем, в конкретной конструкции машины, в определенный момент работы двигателя, 54 градуса оказывается оптимальным углом для максимальной общей силы. В этом случае этот пик будет на 14 процентов меньше, чем пики двух сил вместе взятых. Это лучший компромисс, который может предоставить этот дизайн.

Иллюстрация: Джеймс Прово Половина двигателя: На этом поперечном сечении по длине авторской конструкции двигателя показаны все ключевые компоненты.Обратите внимание на постоянные магниты и обмотку электромагнитов, которые вместе формируют поле в роторе так, чтобы оптимально согласовать две силы — силу Лоренца и силу сопротивления.

Если бы мы могли модернизировать этот двигатель так, чтобы две силы достигли пика в одной и той же точке цикла, мощность двигателя увеличилась бы на 14 процентов — без дополнительных затрат. Единственное, что вы потеряете, — это эффективность машины, когда она работает как генератор. И, как мы объясним позже, мы нашли способ восстановить даже эту функцию, чтобы машина могла лучше восстанавливать энергию во время торможения.

Спроектировать двигатель , который идеально выравнивает поле статора с полем ротора, — непростая задача. Проблема, по сути, сводится к объединению PMSM и SPSM в новый гибридный дизайн. В результате получается гибридная синхронная машина со смещенной осью сопротивления. Короче говоря, эта машина использует как провода, так и постоянные магниты для создания магнитного поля внутри ротора.

Другие пытались (а затем отказались) от этой идеи, но они хотели использовать постоянные магниты только для усиления электромагнитного поля.Нашим нововведением было использование магнитов только для точного формирования поля, чтобы оптимально согласовать две силы — силу Лоренца и силу сопротивления.

Наша основная проблема при проектировании заключалась в том, чтобы найти конструкцию ротора, способную формировать поле, но при этом достаточно прочную, чтобы работать на высоких скоростях без разрушения. Самая внутренняя часть нашей конструкции — это пластина ротора, которая несет медную обмотку на железном сердечнике. К плечам полюсов этого сердечника приклеиваем постоянные магниты; дополнительные наконечники на стойках не дают им улететь.Чтобы удерживать все на месте, мы протолкнули прочные, но легкие титановые стержни через электромагнитные полюса ротора с помощью гаек, чтобы закрепить стержни на кольцах из нержавеющей стали на обеих сторонах ротора.

Мы также нашли способ обойти недостаток нашего оригинального двигателя, заключающийся в уменьшении крутящего момента при работе в качестве генератора. Теперь мы можем изменить направление поля в роторе, чтобы генерация, необходимая для рекуперативного торможения, была такой же мощной и эффективной, как и работа двигателя.

A Class Project: в этом гоночном автомобиле Formula Student использовались специальные технологии охлаждения двигателя. Фото: KA-Raceing

Мы достигли этого, изменив направление тока в обмотке ротора, когда машина работает как генератор. Вот почему это работает. Сначала рассмотрим ротор нашей оригинальной конструкции. При движении по периметру ротора обнаруживается определенная последовательность северного (N) и южного (S) полюсов электромагнитного (E) и постоянного магнитного (P) источников: NE, NP, SE, SP. Этот узор повторяется столько раз, сколько пар полюсов. Изменяя направление тока в обмотке ротора, электромагнитные полюса — и только они — изменяют направление, и теперь порядок полюсов становится SE, NP, NE, SP и так далее.

Если вы внимательно посмотрите на эти две прогрессии, вы увидите, что вторая прогрессия похожа на первую, только в обратном направлении. Это означает, что ротор может использоваться либо в режиме двигателя (первая последовательность), либо в режиме генератора (вторая последовательность), при этом ток ротора течет в направлении, противоположном первому. Таким образом, наша машина работает более эффективно, чем обычные двигатели, как в качестве двигателя, так и в качестве генератора. В нашем прототипе изменение тока занимает менее 70 миллисекунд, что достаточно быстро для использования в автомобилях.

В прошлом году мы построили на верстаке опытный образец двигателя и подвергли его тщательным испытаниям. Результаты очевидны: используя ту же силовую электронику, параметры статора и другие конструктивные ограничения, что и у обычного двигателя, машина способна производить почти на 6 процентов больше крутящего момента и достигать на 2 процента более высокой пиковой эффективности. А в ездовом цикле улучшение даже лучше: для этого требуется на 4,4 процента меньше энергии. Это означает, что автомобиль, который проехал бы 100 километров на одной зарядке, может с этим мотором проехать 104.4 км. Дополнительный диапазон обходится дешево, потому что наша конструкция включает в себя всего несколько дополнительных деталей, которые намного дешевле, чем установка дополнительных батарей.

Мы контактируем с несколькими производителями оригинального оборудования, которые находят эту концепцию интересной, однако пройдет некоторое время, прежде чем вы увидите один из этих асимметричных двигателей в серийном автомобиле. Однако когда он действительно появится, он должен в конечном итоге стать новым стандартом, потому что получение всего, что вы можете, из имеющейся у вас энергии, является высшим приоритетом для автопроизводителей — и для общества в целом.

Эта статья опубликована в июльском выпуске журнала за 2017 год как «Мотор для электрокара будущего».

Об авторе

Мартин Доппельбауэр возглавляет кафедру гибридных электромобилей в Институте электротехники Технологического института Карлсруэ в Германии.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *