Электрические двигатели: принцип работы, типы и применение.

Электродвигатели: принцип работы, виды (DC, AC), преобразование энергии. Генераторы и моторы – взаимосвязь. Применение в технике и промышленности.

33 мин чтения

100%

Источник: Electric motor — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Электродвигатель – это электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Большинство электродвигателей работают за счет взаимодействия магнитного поля двигателя и электрического тока в обмотке провода, создавая силу в виде крутящего момента, приложенного к валу двигателя. Электрогенератор механически идентичен электродвигателю, но работает в обратном направлении, преобразуя механическую энергию в электрическую. Электродвигатели могут питаться от источников постоянного тока (DC), таких как батареи или выпрямители, или от источников переменного тока (AC), таких как электросеть, инверторы или электрические генераторы. Электродвигатели могут классифицироваться по различным признакам, таким как тип источника питания, конструкция, область применения и тип выходного движения. Они могут быть с щеточным или бесщеточным ротором, однофазными, двухфазными или трехфазными, с осевым или радиальным магнитным потоком, а также охлаждаться воздухом или жидкостью. Стандартизированные двигатели обеспечивают энергией промышленное оборудование. Самые крупные из них используются для судового движения, компрессии в трубопроводах и насосных накопительных электростанций, с мощностью более 100 мегаватт. Области применения включают промышленные вентиляторы, воздуходувки и насосы, станки, бытовую технику, электроинструменты, транспортные средства и дисководы. Небольшие двигатели можно найти в электрических часах. В некоторых приложениях, таких как регенеративное торможение тяговых двигателей, электродвигатели могут использоваться в обратном режиме в качестве генераторов для восстановления энергии, которая в противном случае была бы потеряна в виде тепла и трения. Электродвигатели создают линейную или вращательную силу (крутящий момент), предназначенную для приведения в движение внешнего механизма. Это делает их типом привода (исполнительного механизма). Как правило, они предназначены для непрерывного вращения или для линейного движения на значительном расстоянии по сравнению с их размерами. Соленоиды также преобразуют электрическую энергию в механическое движение, но только на ограниченном расстоянии.

Ранние двигатели

До появления современных электромагнитных двигателей исследовались экспериментальные двигатели, работающие на основе электростатической силы. Первые электродвигатели были простыми электростатическими устройствами, описанными в экспериментах шотландского монаха Эндрю Гордона и американского экспериментатора Бенджамина Франклина в 1740-х годах. Теоретический принцип, лежащий в их основе, закон Кулона, был открыт, но не опубликован Генри Кавендишем в 1771 году. Этот закон был открыт независимо от Шарля Огюстена де Кулона в 1785 году, который опубликовал его, и теперь он известен его именем. Из-за сложности генерации высоких напряжений, необходимых для их работы, электростатические двигатели никогда не находили практического применения. Изобретение электрохимической батареи Алессандро Вольтой в 1799 году позволило получать устойчивые электрические токи. Ханс Кристиан Эрстед в 1820 году обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле, способное оказывать силу на магнит. Андре-Мари Амперу потребовалось всего несколько недель, чтобы разработать первую формулировку электромагнитного взаимодействия и представить закон силы Ампера, описывающий возникновение механической силы при взаимодействии электрического тока и магнитного поля. Первая демонстрация эффекта с вращательным движением была проведена Майклом Фарадеем 3 сентября 1821 года в подвале Королевского института. Свободно подвешенный провод погружался в ртутную ванну, на которую помещали постоянный магнит (ПМ). При прохождении тока через провод он вращался вокруг магнита, демонстрируя, что ток создает близкое круговое магнитное поле вокруг провода. Фарадей опубликовал результаты своего открытия в "Квартальном журнале науки" и разослал копии своей статьи вместе с карманными моделями своего устройства коллегам по всему миру, чтобы они также могли наблюдать явление электромагнитных вращений. В 1827 году венгерский физик Аньош Йедлик начал экспериментировать с электромагнитными катушками. После того, как Йедлик решил технические проблемы непрерывного вращения с помощью изобретения коллектора, он назвал свои ранние устройства «электромагнитными самовращателями». Хотя они использовались только в учебных целях, в 1828 году Йедлик продемонстрировал первое устройство, содержащее три основных компонента практических двигателей постоянного тока: статор, ротор и коллектор. В устройстве не использовались постоянные магниты, поскольку магнитные поля как неподвижных, так и вращающихся компонентов создавались исключительно токами, протекающими по их обмоткам.

Before modern electromagnetic motors, experimental motors that worked by electrostatic force were investigated. The first electric motors were simple electrostatic devices described in experiments by Scottish monk Andrew Gordon and American experimenter Benjamin Franklin in the 1740s. The theoretical principle behind them, Coulomb's law, was discovered but not published, by Henry Cavendish in 1771. This law was discovered independently by Charles Augustin de Coulomb in 1785, who published it so that it is now known with his name. Due to the difficulty of generating the high voltages they required, electrostatic motors were never used for practical purposes. The invention of the electrochemical battery by Alessandro Volta in 1799 made possible the production of persistent electric currents. Hans Christian Ørsted discovered in 1820 that an electric current creates a magnetic field, which can exert a force on a magnet. It only took a few weeks for André Marie Ampère to develop the first formulation of the electromagnetic interaction and present the Ampère's force law, that described the production of mechanical force by the interaction of an electric current and a magnetic field. The first demonstration of the effect with a rotary motion was given by Michael Faraday on 3 September 1821 in the basement of the Royal Institution. A free hanging wire was dipped into a pool of mercury, on which a permanent magnet (PM) was placed. When a current was passed through the wire, the wire rotated around the magnet, showing that the current gave rise to a close circular magnetic field around the wire. Faraday published the results of his discovery in the Quarterly Journal of Science, and sent copies of his paper along with pocket sized models of his device to colleagues around the world so they could also witness the phenomenon of electromagnetic rotations.]] In 1827, Hungarian physicist Ányos Jedlik started experimenting with electromagnetic coils. After Jedlik solved the technical problems of continuous rotation with the invention of the commutator, he called his early devices "electromagnetic self rotors". Although they were used only for teaching, in 1828 Jedlik demonstrated the first device to contain the three main components of practical DC motors: the stator, rotor and commutator. The device employed no permanent magnets, as the magnetic fields of both the stationary and revolving components were produced solely by the currents flowing through their windings.

Двигатели постоянного тока

Первый коммутаторный электродвигатель постоянного тока, способный приводить в движение машины, был изобретён английским учёным Уильямом Стердженом в 1832 году. Вслед за работой Стерджена американский изобретатель Томас Давенпорт и Эмили Давенпорт построили электродвигатель постоянного тока коммутаторного типа, который он запатентовал в 1837 году. Двигатели вращались со скоростью до 600 оборотов в минуту и приводили в действие станки и печатный пресс. Из-за высокой стоимости питания от первичных батарей двигатели не имели коммерческого успеха и обанкротили Давенпорта. Несколько изобретателей последовали за Стердженом в разработке двигателей постоянного тока, но все столкнулись с теми же проблемами, связанными со стоимостью батарей. Поскольку в то время не было системы распределения электроэнергии, практического коммерческого рынка для этих двигателей не возникло. После многих других, более или менее успешных попыток с относительно слабыми вращающимися и возвратно-поступательными аппаратами, прусский/русский Мориц фон Якоби создал первый настоящий вращающийся электродвигатель в мае 1834 года. Он развил замечательную механическую мощность. Его двигатель установил мировой рекорд, который Якоби улучшил четыре года спустя, в сентябре 1838 года. Второй двигатель был достаточно мощным, чтобы переправить лодку с 14 людьми через широкую реку. В 1839–1840 годах другим разработчикам удалось построить двигатели с аналогичной, а затем и с более высокой производительностью. В 1827–1828 годах Джедлик построил устройство, использующее принципы, аналогичные тем, что применялись в его электромагнитных самовращающихся устройствах, которое было способно выполнять полезную работу. Важным поворотным моментом стало 1864 год, когда Антонио Пачинотти впервые описал кольцевую обмотку (хотя изначально она была разработана для генератора постоянного тока, то есть динамо). Первые коммерчески успешные двигатели постоянного тока появились благодаря разработкам Зенобе Грамма, который в 1871 году переосмыслил конструкцию Пачинотти и внедрил некоторые решения Вернера Сименса. Преимуществом машин постоянного тока стало открытие обратимости электрической машины, о котором объявил Сименс в 1867 году и наблюдал Пачинотти в 1869 году. Ротор барабанного типа был представлен Фридрихом фон Хефнером-Альтенекком из Siemens & Halske в 1872 году для замены кольцевой обмотки Пачинотти, что повысило эффективность машины. Двигатель Сент-Луиса, который долгое время использовался в учебных классах для иллюстрации принципов работы двигателя, неэффективен по той же причине, а также не похож на современные двигатели. Электродвигатели произвели революцию в промышленности. Промышленные процессы больше не ограничивались передачей энергии с помощью приводных валов, ремней, сжатого воздуха или гидравлического давления. Вместо этого каждая машина могла быть оснащена собственным источником питания, обеспечивая простое управление в точке использования и повышая эффективность передачи энергии. Применение электродвигателей в сельском хозяйстве исключило мускульную силу человека и животных из таких задач, как обработка зерна или перекачка воды. Бытовое использование электродвигателей (например, в стиральных машинах, посудомоечных машинах, вентиляторах, кондиционерах и холодильниках, заменяющих ледники) снизило тяжёлый труд в доме и позволило повысить стандарты удобства, комфорта и безопасности. Сегодня электродвигатели потребляют более половины электроэнергии, производимой в США.

The first commutator DC electric motor capable of turning machinery was invented by English scientist William Sturgeon in 1832. Following Sturgeon's work, a commutator type direct current electric motor was built by American inventor Thomas Davenport and Emily Davenport, which he patented in 1837. The motors ran at up to 600 revolutions per minute, and powered machine tools and a printing press. Due to the high cost of primary battery power, the motors were commercially unsuccessful and bankrupted Davenport. Several inventors followed Sturgeon in the development of DC motors, but all encountered the same battery cost issues. As no electricity distribution system was available at the time, no practical commercial market emerged for these motors. After many other more or less successful attempts with relatively weak rotating and reciprocating apparatus Prussian/Russian Moritz von Jacobi created the first real rotating electric motor in May 1834. It developed remarkable mechanical output power. His motor set a world record, which Jacobi improved four years later in September 1838. His second motor was powerful enough to drive a boat with 14 people across a wide river. It was also in 1839/40 that other developers managed to build motors with similar and then higher performance. In 1827–1828, Jedlik built a device using similar principles to those used in his electromagnetic self rotors that was capable of useful work. A major turning point came in 1864, when Antonio Pacinotti first described the ring armature (although initially conceived in a DC generator, i. e. a dynamo). The first commercially successful DC motors followed the developments by Zénobe Gramme who, in 1871, reinvented Pacinotti's design and adopted some solutions by Werner Siemens. A benefit to DC machines came from the discovery of the reversibility of the electric machine, which was announced by Siemens in 1867 and observed by Pacinotti in 1869. The drum rotor was introduced by Friedrich von Hefner Alteneck of Siemens & Halske to replace Pacinotti's ring armature in 1872, thus improving the machine efficiency. The St. Louis motor, long used in classrooms to illustrate motor principles, is inefficient for the same reason, as well as appearing nothing like a modern motor. Electric motors revolutionized industry. Industrial processes were no longer limited by power transmission using line shafts, belts, compressed air or hydraulic pressure. Instead, every machine could be equipped with its own power source, providing easy control at the point of use, and improving power transmission efficiency. Electric motors applied in agriculture eliminated human and animal muscle power from such tasks as handling grain or pumping water. Household uses (like in washing machines, dishwashers, fans, air conditioners and refrigerators (replacing ice boxes) of electric motors reduced heavy labor in the home and made higher standards of convenience, comfort and safety possible. Today, electric motors consume more than half of the electric energy produced in the US.

Моторы переменного тока

В 1824 году французский физик Франсуа Араго сформулировал существование вращающихся магнитных полей, получивших название вращений Араго. Уолтер Бейли в 1879 году продемонстрировал их, вручную включая и выключая переключатели, таким образом создав первый примитивный индукционный двигатель. В 1880-х годах многие изобретатели пытались разработать работоспособные двигатели переменного тока, поскольку преимущества переменного тока в передаче энергии на большие расстояния под высоким напряжением нивелировались невозможностью использования двигателей на переменном токе. Первый бесколлекторный индукционный двигатель переменного тока был изобретен Галилео Феррарисом в 1885 году. В 1886 году Феррарис улучшил свою первую конструкцию, создав более совершенные установки. В 1888 году Королевская академия наук Турина опубликовала исследование Феррариса, подробно описывающее принципы работы двигателя, и пришла к выводу, что "аппарат, основанный на этом принципе, вряд ли будет иметь какое-либо коммерческое значение как двигатель". Николой Теслой была предвидена возможность промышленного развития, он независимо изобрел свой индукционный двигатель в 1887 году и получил патент в мае 1888 года. В том же году Тесла представил свою работу "Новая система двигателей и трансформаторов переменного тока" в AIEE, в которой описал три запатентованных типа двухфазных четырехполюсных двигателей: один с четырехполюсным ротором, формирующим несамозапускающийся двигатель с релюктансом, другой с обмоточным ротором, формирующим самозапускающийся индукционный двигатель, и третий – настоящий синхронный двигатель с отдельным питанием постоянным током обмотки ротора. Однако в одном из патентов, поданных Теслой в 1887 году, также описывался индукционный двигатель с ротором, имеющим замкнутую обмотку. Джордж Вестингхаус, который уже приобрел права у Феррариса (за 1000 долларов США), незамедлительно выкупил патенты Теслы (за 60 000 долларов США плюс 2,50 доллара США за каждую проданную лошадиную силу, выплачиваемые до 1897 года). Индукционный двигатель переменного тока с постоянной скоростью оказался непригодным для трамваев. В 1892 году Вестингхаус создал свой первый практичный индукционный двигатель и разработал линейку полифазных индукционных двигателей частотой 60 Гц в 1893 году, однако эти ранние двигатели Вестингхауса были двухфазными двигателями с обмоточными роторами. Б. Г. Ламме позднее разработал ротор с обмоткой в виде стержней. Михаил Доливо-Добровольский утверждал, что двигатель Теслы был непрактичным из-за двухфазных пульсаций, что побудило его продолжать работу над трехфазными системами. Компания General Electric начала разработку трехфазных индукционных двигателей в 1891 году. С 1980-х годов доля рынка двигателей постоянного тока снизилась в пользу двигателей переменного тока.

In 1824, French physicist François Arago formulated the existence of rotating magnetic fields, termed Arago's rotations, which, by manually turning switches on and off, Walter Baily demonstrated in 1879 as in effect the first primitive induction motor. In the 1880s many inventors were trying to develop workable AC motors because AC's advantages in long distance high voltage transmission were offset by the inability to operate motors on AC. The first alternating current commutatorless induction motor was invented by Galileo Ferraris in 1885. Ferraris was able to improve his first design by producing more advanced setups in 1886. In 1888, the Royal Academy of Science of Turin published Ferraris's research detailing the foundations of motor operation, while concluding at that time that "the apparatus based on that principle could not be of any commercial importance as motor." Possible industrial development was envisioned by Nikola Tesla, who invented independently his induction motor in 1887 and obtained a patent in May 1888. In the same year, Tesla presented his paper A New System of Alternate Current Motors and Transformers to the AIEE that described three patented two phase four stator pole motor types: one with a four pole rotor forming a non self starting reluctance motor, another with a wound rotor forming a self starting induction motor, and the third a true synchronous motor with separately excited DC supply to rotor winding. One of the patents Tesla filed in 1887, however, also described a shorted winding rotor induction motor. George Westinghouse, who had already acquired rights from Ferraris (US$1,000), promptly bought Tesla's patents (US$60,000 plus US$2.50 per sold hp, paid until 1897), The constant speed AC induction motor was found not to be suitable for street cars, Westinghouse achieved its first practical induction motor in 1892 and developed a line of polyphase 60 hertz induction motors in 1893, but these early Westinghouse motors were two phase motors with wound rotors. B. G. Lamme later developed a rotating bar winding rotor. Mikhail Dolivo Dobrovolsky claimed that Tesla's motor was not practical because of two phase pulsations, which prompted him to persist in his three phase work. The General Electric Company began developing three phase induction motors in 1891. Since the 1980s, the market share of DC motors has declined in favor of AC motors.

Компоненты

Электродвигатель имеет две механические части: ротор, который вращается, и статор, который неподвижен. Электрически двигатель состоит из двух частей: магнитов поля и обмотки якоря, одна из которых закреплена на роторе, а другая – на статоре. Вместе они образуют магнитную цепь. Магниты создают магнитное поле, проходящее через обмотку якоря. Этими магнитами могут быть электромагниты или постоянные магниты. Обычно магнит поля располагается на статоре, а обмотка якоря – на роторе, но их расположение может быть изменено.

Ротор

Ротор – это вращающаяся часть, которая передает механическую мощность. Обычно ротор содержит проводники, по которым протекает ток, и на которые магнитное поле статора действует с силой, заставляя вал вращаться. Некоторые роторы оснащены постоянными магнитами. Постоянные магниты обеспечивают высокую эффективность в широком диапазоне рабочих скоростей и мощностей.

Статор

Статор окружает ротор и обычно содержит магниты поля, которые являются либо электромагнитами (обмотки провода вокруг ферромагнитного железного сердечника), либо постоянными магнитами. Они создают магнитное поле, которое проходит через обмотку ротора, оказывая воздействие на обмотки ротора. Сердечник статора состоит из множества тонких металлических листов, изолированных друг от друга, называемых ламинациями. Эти ламинации изготавливаются из электротехнической стали, характеризующейся определенной магнитной проницаемостью, гистерезисом и насыщением. Ламинации снижают потери, возникающие из-за индуцированных циркулирующих токов Фуко, которые возникли бы при использовании цельного сердечника. Сетевые асинхронные двигатели обычно фиксируют провода внутри обмоток, пропитывая их лаком в вакууме. Это предотвращает вибрацию проводов друг относительно друга внутри обмотки, что может привести к повреждению изоляции провода и преждевременному выходу из строя. Двигатели, залитые смолой, применяемые в погружных насосах для глубоких скважин, стиральных машинах и кондиционерах, заключают статор в пластиковую смолу для предотвращения коррозии и/или снижения излучаемого шума.

Пробел

Пробел между статором и ротором обеспечивает возможность его вращения. Ширина этого зазора существенно влияет на электрические характеристики двигателя. Обычно его делают минимально возможным, так как большой зазор снижает эффективность. И наоборот, слишком малые зазоры могут вызывать трение, помимо шума.

Арматура

Арматура состоит из проволочных обмоток на ферромагнитном сердечнике. Электрический ток, проходящий по проволоке, вызывает воздействие на него силы магнитного поля (силы Лоренца), вращая ротор. Обмотки представляют собой катушки из провода, намотанные на ламинированный, мягкий, железный ферромагнитный сердечник таким образом, чтобы при прохождении тока формировались магнитные полюса. Электрические машины бывают с выступающими и невыступающими полюсами. В двигателе с выступающими полюсами ротор и статор имеют выступы, называемые полюсами, которые расположены друг напротив друга. Провод наматывается вокруг каждого полюса под его рабочей поверхностью, которая становится северным или южным полюсом при прохождении тока. В двигателе с невыступающими полюсами (распределенным полем или цилиндрическим ротором) ферромагнитный сердечник представляет собой гладкий цилиндр, а обмотки равномерно распределены в пазах по окружности. Подача переменного тока в обмотки создает полюса в сердечнике, которые непрерывно вращаются. В двигателе с затененным полюсом имеется обмотка вокруг части полюса, которая сдвигает фазу магнитного поля для этого полюса.

Коммутатор

Коммутатор – это вращающийся электрический переключатель, который подает ток в ротор. Он периодически меняет направление тока в обмотках ротора по мере вращения вала. Коммутатор состоит из цилиндра, образованного множеством металлических контактных пластин на коллекторе. Два или более электрических контакта, называемых "щетками", изготовленных из мягкого проводящего материала, такого как углерод, прижимаются к коммутатору. Щетки скользящим образом контактируют с последовательными пластинами коммутатора при вращении ротора, обеспечивая подачу тока в ротор. Обмотки ротора подключены к пластинам коммутатора. Коммутатор меняет направление тока в обмотках ротора с каждым полуоборотом (180°), благодаря чему крутящий момент, приложенный к ротору, всегда направлен в одну сторону. Без этого изменения направление крутящего момента на каждой обмотке ротора менялось бы с каждым полуоборотом, что привело бы к остановке ротора. Двигатели с коллектором в основном заменены бесщеточными двигателями, двигателями с постоянными магнитами и асинхронными двигателями.

Шахт

Вал двигателя выступает за пределы корпуса двигателя, где он передает усилие на нагрузку. Поскольку силы, действующие со стороны нагрузки, прикладываются за пределами крайнего подшипника, такая нагрузка называется консольной.

Мотор постоянного тока с щеточным приводом

Большинство двигателей постоянного тока – это небольшие двигатели с постоянными магнитами (PM). Они оснащены щеточной внутренней механической коммутацией для изменения направления тока в обмотках двигателя в синхронизации с вращением.

Постоянный магнит

Двигатель с постоянными магнитами (PM) не имеет обмотки возбуждения на статоре, а вместо этого использует PM для создания магнитного поля. На больших двигателях компенсационные обмотки, включенные последовательно с обмоткой якоря, могут применяться для улучшения коммутации под нагрузкой. Это поле фиксировано и не может быть изменено для регулирования скорости. Постоянные магниты (статоры) удобны в миниатюрных двигателях для исключения энергопотребления обмоткой возбуждения. Большинство крупных двигателей постоянного тока относятся к типу "динамо", который имеет обмотки статора. Исторически постоянные магниты не могли сохранять высокий магнитный поток после разборки; обмотки возбуждения были более практичным способом получения необходимого потока. Однако большие постоянные магниты дороги, а также опасны и сложны в сборке, что делает предпочтительным использование обмоток возбуждения для больших машин. Для минимизации общего веса и размера миниатюрные PM-двигатели могут использовать высокоэнергетические магниты из неодима; большинство из них – сплав неодима, железа и бора. Благодаря более высокой магнитной индукции, электрические машины с высокоэнергетическими PM по крайней мере не уступают по своим характеристикам оптимально спроектированным синхронным и асинхронным электрическим машинам с одним питанием. Миниатюрные двигатели имеют конструкцию, аналогичную изображенной на иллюстрации, за исключением того, что они имеют как минимум три полюса ротора (для обеспечения запуска независимо от положения ротора), а их внешний корпус представляет собой стальную трубу, которая обеспечивает магнитную связь внешней поверхности изогнутых магнитов поля.

Бесшваблочная постоянная

Некоторые проблемы двигателей постоянного тока с щетками устранены в конструкции BLDC. В этом двигателе механический "вращающийся переключатель", или коммутатор, заменен внешним электронным переключателем, синхронизированным с положением ротора. Двигатели BLDC обычно имеют эффективность 85% и выше, достигая до 96,5%, в то время как двигатели постоянного тока с щетками обычно имеют эффективность 75–80%. Характерная трапециевидная форма противоЭДС (CEMF) двигателя BLDC обусловлена частично равномерным распределением обмоток статора, а частично расположением постоянных магнитов ротора. Также известные как двигатели постоянного тока с электронной коммутацией или двигатели постоянного тока "вывернутого" типа, обмотки статора трапециевидных двигателей BLDC могут быть однофазными, двухфазными или трехфазными и использовать датчики Холла, установленные на обмотках, для определения положения ротора и недорогого управления коммутатором в замкнутом контуре. Двигатели BLDC обычно используются там, где требуется точное регулирование скорости, например, в накопителях на жестких дисках компьютеров или видеомагнитофонах. Шпиндели в приводах CD, CD-ROM (и т.д.) и механизмы в офисной технике, такие как вентиляторы, лазерные принтеры и копировальные аппараты. Они имеют несколько преимуществ перед традиционными двигателями:

Они более эффективны, чем вентиляторы переменного тока с двигателями на затененных полюсах, и работают значительно холоднее, чем их аналоги переменного тока. Эта холодная работа приводит к значительному увеличению срока службы подшипников вентилятора. Без коммутатора срок службы двигателя BLDC может быть значительно больше, чем у двигателя постоянного тока с коммутатором. Коммутация склонна вызывать электрические и радиочастотные помехи; без коммутатора или щеток двигатель BLDC может использоваться в электрочувствительных устройствах, таких как аудиоаппаратура или компьютеры. Те же датчики Холла, которые обеспечивают коммутацию, могут предоставить удобный сигнал тахометра для приложений с управлением в замкнутом контуре (сервоприводом). В вентиляторах сигнал тахометра можно использовать для получения сигнала "Вентилятор исправен", а также для обеспечения обратной связи по скорости вращения. Двигатель может быть синхронизирован с внутренними или внешними часами, обеспечивая точное управление скоростью. Двигатели BLDC не искрят, что делает их более подходящими для использования в средах с летучими химическими веществами и топливом. Искрение также генерирует озон, который может накапливаться в плохо вентилируемых помещениях. Двигатели BLDC обычно используются в небольшом оборудовании, таком как компьютеры, и обычно используются в вентиляторах для отвода тепла. Они производят мало шума, что является преимуществом в оборудовании, чувствительном к вибрациям. Современные двигатели BLDC имеют мощность от долей ватта до многих киловатт. Более крупные двигатели BLDC мощностью до 100 кВт используются в электромобилях. Они также используются в электрических моделях самолетов.

Переключенный двигатель неохотности

Мотор с переключаемым сопротивлением (SRM) не имеет щеток или постоянных магнитов, и в роторе нет электрического тока. Крутящий момент возникает из-за небольшого несоответствия между полюсами ротора и полюсами статора. Ротор стремится выровняться с магнитным полем статора, а обмотки статорного поля последовательно включаются для вращения магнитного поля. Магнитный поток, создаваемый обмотками поля, проходит по пути наименьшего магнитного сопротивления, направляясь через полюса ротора, ближайшие к активированным полюсам статора, тем самым намагничивая эти полюса ротора и создавая крутящий момент. По мере вращения ротора включаются различные обмотки, поддерживая его вращение. SRM применяются в некоторых бытовых приборах и транспортных средствах.

Универсальный двигатель переменного тока/постоянного тока

Коммутируемый, электрически возбужденный двигатель с последовательным или параллельным возбуждением называют универсальным, поскольку его можно спроектировать для работы как от переменного, так и от постоянного тока. Универсальный двигатель хорошо работает от переменного тока, потому что ток как в обмотке возбуждения, так и в обмотке якоря (и, следовательно, результирующие магнитные поля) синхронно меняют полярность, и, таким образом, результирующая механическая сила действует в постоянном направлении вращения. При работе на нормальных частотах электросети универсальные двигатели часто используются в приложениях мощностью менее одного киловатта. Универсальные двигатели послужили основой для традиционного тягового двигателя в электрических железных дорогах. В этом применении использование переменного тока на двигателе, предназначенном для работы от постоянного тока, приводило бы к потерям эффективности из-за нагрева, вызванного вихревыми токами в его магнитных компонентах, особенно в полюсных наконечниках обмотки возбуждения, для которых в постоянноточных двигателях использовалось цельное (неламинированное) железо. В настоящее время они редко используются. Преимуществом является возможность использования переменного тока в двигателях, которые специально характеризуются высоким пусковым моментом и компактной конструкцией при высоких рабочих скоростях. Однако обслуживание таких двигателей более трудоемкое, а срок службы сокращается. Такие двигатели применяются в устройствах, которые не используются интенсивно и предъявляют высокие требования к пусковому моменту. Несколько отводов на обмотке возбуждения обеспечивают (неточное) ступенчатое регулирование скорости. Бытовые блендеры, рекламирующие множество скоростей, обычно сочетают в себе обмотку возбуждения с несколькими отводами и диод, который можно включить последовательно с двигателем (что приводит к работе двигателя на полуволновом выпрямленном переменном токе). Универсальные двигатели также хорошо поддаются электронному регулированию скорости и поэтому являются предпочтительным выбором для таких устройств, как бытовые стиральные машины. Двигатель может вращать барабан (как вперед, так и назад) путем переключения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря. В то время как асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (SCIM) не могут вращать вал быстрее, чем позволяет частота электросети, универсальные двигатели могут работать на гораздо более высоких скоростях. Это делает их полезными для таких приборов, как блендеры, пылесосы и фены, где важны высокая скорость и малый вес. Они также часто используются в портативных электроинструментах, таких как дрели, шлифовальные машины, дисковые и лобзиковые пилы, где характеристики двигателя оптимальны. Многие двигатели пылесосов и триммеров для сорняков превышают 10 000 об/мин, а миниатюрные шлифовальные машины могут превышать 30 000 об/мин.

A commutated, electrically excited, series or parallel wound motor is referred to as a universal motor because it can be designed to operate on either AC or DC power. A universal motor can operate well on AC because the current in both the field and the armature coils (and hence the resultant magnetic fields) synchronously reverse polarity, and hence the resulting mechanical force occurs in a constant direction of rotation. Operating at normal power line frequencies, universal motors are often used in sub kilowatt applications. Universal motors formed the basis of the traditional railway traction motor in electric railways. In this application, using AC power on a motor designed to run on DC would experience efficiency losses due to eddy current heating of their magnetic components, particularly the motor field pole pieces that, for DC, would have used solid (un laminated) iron. They are now rarely used. An advantage is that AC power may be used on motors that specifically have high starting torque and compact design if high running speeds are used. By contrast, maintenance is higher and lifetimes are shortened. Such motors are used in devices that are not heavily used, and have high starting torque demands. Multiple taps on the field coil provide (imprecise) stepped speed control. Household blenders that advertise many speeds typically combine a field coil with several taps and a diode that can be inserted in series with the motor (causing the motor to run on half wave rectified AC). Universal motors also lend themselves to electronic speed control and, as such, are a choice for devices such as domestic washing machines. The motor can agitate the drum (both forwards and in reverse) by switching the field winding with respect to the armature. Whereas SCIMs cannot turn a shaft faster than allowed by the power line frequency, universal motors can run at much higher speeds. This makes them useful for appliances such as blenders, vacuum cleaners, and hair dryers where high speed and light weight are desirable. They are also commonly used in portable power tools, such as drills, sanders, circular and jig saws, where the motor's characteristics work well. Many vacuum cleaner and weed trimmer motors exceed 10,000 rpm, while miniature grinders may exceed 30,000 rpm.

Машины с внешним коммутированием переменного тока

Индукционные и синхронные двигатели переменного тока оптимизированы для работы от однофазного или многофазного синусоидального или квазисинусоидального напряжения, подаваемого, например, от сети переменного тока для применений с фиксированной скоростью или от контроллеров частотно-регулируемого привода (VFD) для применений с переменной скоростью.

Индукционный двигатель

Индукционный двигатель – это асинхронный двигатель переменного тока, в котором мощность передается ротору посредством электромагнитной индукции, аналогично принципу работы трансформатора. Индукционный двигатель можно рассматривать как вращающийся трансформатор, где статор (неподвижная часть) выполняет роль первичной обмотки, а ротор (вращающаяся часть) – вторичной. Полифазные индукционные двигатели широко применяются в промышленности.

Клетка и ротор накрутки

Индукционные двигатели могут быть разделены на двигатели с короткозамкнутым ротором (SCIM) и двигатели с фазным ротором (WRIM). SCIM имеют массивную обмотку, состоящую из цельных стержней, обычно алюминиевых или медных, электрически соединенных кольцами на концах ротора. Стержни и кольца в целом напоминают вращающуюся клетку для животных. Токи, наводимые в этой обмотке, создают магнитное поле ротора. Форма стержней ротора определяет характеристики момента и скорости. При низких скоростях ток, наведенный в короткозамкнутом роторе, близок к частоте сети и стремится оставаться в наружной части ротора. По мере ускорения двигателя частота скольжения уменьшается, и больший ток достигает внутренней части. Придавая стержням форму, изменяющую сопротивление участков обмотки во внутренней и наружной частях ротора, можно эффективно ввести переменное сопротивление в цепь ротора. Однако в большинстве таких двигателей используются стержни одинакового сечения. В WRIM обмотка ротора состоит из множества витков изолированной проволоки и соединена со скользящими кольцами на валу двигателя. Во внешнюю цепь ротора можно подключить внешний резистор или другое управляющее устройство. Резисторы позволяют регулировать скорость двигателя, хотя и сопровождаются значительными потерями мощности. Преобразователь может питаться от цепи ротора и возвращать мощность частоты скольжения, которая в противном случае была бы потеряна, обратно в энергосистему через инвертор или отдельный генератор-двигатель. WRIM в основном используются для запуска нагрузок с высоким моментом инерции или нагрузок, требующих высокого пускового момента во всем диапазоне скоростей. Правильно подобрав резисторы, используемые во вторичной цепи сопротивления или пускателе с фазным ротором, можно добиться максимального момента при относительно низком пусковом токе от нулевой скорости до номинальной. Скорость двигателя можно изменять, поскольку характеристика момента двигателя эффективно модифицируется величиной сопротивления, подключенного к цепи ротора. Увеличение сопротивления снижает скорость, соответствующую максимальному моменту. Если сопротивление увеличивается за пределы точки, где максимальный момент достигается при нулевой скорости, момент еще больше уменьшается. При работе с нагрузкой, у которой момент увеличивается с ростом скорости, двигатель работает на скорости, при которой момент, развиваемый двигателем, равен моменту нагрузки. Уменьшение нагрузки приводит к увеличению скорости двигателя, а увеличение нагрузки – к ее снижению, пока моменты нагрузки и двигателя снова не уравновесятся. При таком режиме работы потери на скольжение рассеиваются во вторичных резисторах и могут быть значительными. Регулирование скорости и общий КПД невысоки.

Induction motors may be divided into Squirrel Cage Induction Motors (SCIM) and Wound Rotor Induction Motors (WRIM). SCIMs have a heavy winding made up of solid bars, usually aluminum or copper, electrically connected by rings at the ends of the rotor. The bars and rings as a whole are much like an animal's rotating exercise cage. Currents induced into this winding provide the rotor magnetic field. The shape of the rotor bars determines the speed torque characteristics. At low speeds, the current induced in the squirrel cage is nearly at line frequency and tends to stay in the outer parts of the cage. As the motor accelerates, the slip frequency becomes lower, and more current reaches the interior. By shaping the bars to change the resistance of the winding portions in the interior and outer parts of the cage, a variable resistance is effectively inserted in the rotor circuit. However, most such motors employ uniform bars. In a WRIM, the rotor winding is made of many turns of insulated wire and is connected to slip rings on the motor shaft. An external resistor or other control device can be connected in the rotor circuit. Resistors allow control of the motor speed, although dissipating significant power. A converter can be fed from the rotor circuit and return the slip frequency power that would otherwise be wasted into the power system through an inverter or separate motor generator. WRIMs are used primarily to start a high inertia load or a load that requires high starting torque across the full speed range. By correctly selecting the resistors used in the secondary resistance or slip ring starter, the motor is able to produce maximum torque at a relatively low supply current from zero speed to full speed. Motor speed can be changed because the motor's torque curve is effectively modified by the amount of resistance connected to the rotor circuit. Increasing resistance lowers the speed of maximum torque. If the resistance is increased beyond the point where the maximum torque occurs at zero speed, the torque is further reduced. When used with a load that has a torque curve that increases with speed, the motor operates at the speed where the torque developed by the motor is equal to the load torque. Reducing the load causes the motor to speed up, while increasing the load causes the motor to slow down until the load and motor torque are again equal. Operated in this manner, the slip losses are dissipated in the secondary resistors and can be significant. The speed regulation and net efficiency is poor.

Мотор крутящего момента

Двигатель крутящего момента может работать неограниченно долго в состоянии блокировки ротора, то есть когда ротор зафиксирован и не может вращаться, без каких-либо повреждений. В этом режиме двигатель создает постоянный крутящий момент на нагрузку. Типичным применением являются двигатели подачи и намотки ленты в магнитофоне. В этом применении, работая от низкого напряжения, характеристики этих двигателей обеспечивают постоянное небольшое натяжение ленты, независимо от того, перемещает ли прижимной ролик ленту мимо магнитной головки. При питании от более высокого напряжения (обеспечивающего больший крутящий момент), двигатели крутящего момента могут осуществлять быструю перемотку вперед и назад без необходимости использования дополнительных механических элементов, таких как шестерни или сцепления. В мире компьютерных игр двигатели крутящего момента используются в рулевых колесах с обратной связью. Другим распространенным применением является управление дроссельной заслонкой двигателя внутреннего сгорания с помощью электронного регулятора. Двигатель работает против возвратной пружины, перемещая дроссельную заслонку в соответствии с выходным сигналом регулятора. Последний контролирует скорость двигателя, подсчитывая электрические импульсы от системы зажигания или от магнитного датчика и, в зависимости от скорости, вносит небольшие корректировки в величину тока. Если скорость двигателя падает относительно заданной, ток увеличивается, создавая больший крутящий момент, преодолевая сопротивление возвратной пружины и открывая дроссельную заслонку. Если двигатель работает слишком быстро, регулятор уменьшает ток, позволяя возвратной пружине вернуться в исходное положение и прикрыть дроссельную заслонку.

Синхронный двигатель

Синхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока. Он включает в себя ротор, вращающийся с катушками, проходящими мимо магнитов с той же частотой, что и переменный ток, и создающий магнитное поле для его приведения в движение. При типичных рабочих условиях он имеет нулевое скольжение. В отличие от него, индукционные двигатели должны проскальзывать для создания крутящего момента. Один тип синхронного двигателя похож на индукционный двигатель, за исключением того, что ротор возбуждается постоянным током. Контактные кольца и щетки проводят ток к ротору. Полюса ротора соединены друг с другом и движутся с одинаковой скоростью. Другой тип, предназначенный для небольшого крутящего момента нагрузки, имеет плоские участки, обработанные на обычном роторе типа "беличья клетка", для создания отдельных полюсов. Еще один тип, используемый компанией Hammond в часах до Второй мировой войны и в старых органах Hammond, не имеет обмоток ротора и отдельных полюсов. Он не является самозапускающимся. Часы требуют ручного запуска с помощью небольшой ручки на задней панели, в то время как старые органы Hammond имели вспомогательный пусковой двигатель, соединенный пружинным, вручную управляемым переключателем. Гистерезисные синхронные двигатели обычно являются (по сути) двухфазными двигателями с фазосдвигающим конденсатором для одной фазы. Они запускаются как индукционные двигатели, но когда скорость скольжения достаточно снижается, ротор (гладкий цилиндр) временно намагничивается. Его распределенные полюса заставляют его работать как синхронный двигатель с постоянными магнитами. Материал ротора, подобно материалу обычного гвоздя, остается намагниченным, но может быть размагничен без особых усилий. После запуска полюса ротора остаются на месте; они не смещаются. Синхронные таймерные двигатели малой мощности (например, для традиционных электрических часов) могут иметь многополюсные внешние роторы с постоянными магнитами и использовать обмотки короткого замыкания для обеспечения пускового крутящего момента. Часовые двигатели Telechron имеют обмотки короткого замыкания для обеспечения пускового крутящего момента и двухспицевой кольцевой ротор, который работает как двухполюсный ротор с отдельными полюсами.

Электрическая машина с двойным питанием

Двухпитаемые электродвигатели имеют два независимых многофазных комплекта обмоток, которые вносят вклад в активную (т.е. рабочую) мощность процесса преобразования энергии, при этом по крайней мере один из комплектов обмоток управляется электронным способом для работы с переменной скоростью. Два независимых многофазных комплекта обмоток (т.е. двойная обмотка якоря) являются максимальным количеством, которое может быть реализовано в одном корпусе без повторения топологии. Двухпитаемые электродвигатели имеют эффективный диапазон постоянного крутящего момента, который в два раза превышает синхронную скорость при заданной частоте возбуждения. Это в два раза больше диапазона постоянного крутящего момента, чем у однопитаемых электрических машин, имеющих только один активный комплект обмоток. Двухпитаемый двигатель позволяет использовать меньший электронный преобразователь, но стоимость обмотки ротора и контактных колец может нивелировать экономию на силовой электронике. Возникают трудности при управлении скоростью вблизи синхронной скорости в приложениях, требующих ограничения скорости.

Двигатель без железа или без ядра

Двигатель постоянного тока без сердечника или без железа – это специализированный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами. Эта конструкция обычно известна как «мотор-блин» из-за своего плоского профиля. Арматура (первоначально изготавливавшаяся на печатной плате) состоит из штампованных медных листов, которые ламинируются вместе с использованием современных композиционных материалов для формирования тонкого, жесткого диска. Арматура не имеет отдельного кольцевого коллектора. Щетки перемещаются непосредственно по поверхности арматуры, что делает всю конструкцию компактной. Альтернативная конструкция предполагает использование медного провода, уложенного плоским образом, с центральным обычным коллектором в форме цветка и лепестков. Обмотки обычно стабилизируются системами электроизоляционной заливки эпоксидной смолой. Это залитые эпоксидные смолы со средней смешанной вязкостью и длительным временем гелеобразования. Они характеризуются низкой усадкой и низким тепловыделением и, как правило, сертифицированы по стандарту UL 1446 в качестве компаунда для заливки с изоляцией при 180 °C (356 °F), класс H. Уникальным преимуществом бесжелезных двигателей постоянного тока является отсутствие рыскания (колебаний крутящего момента, вызванных изменяющимся притяжением между железом и магнитами). Паразитные вихревые токи не могут образовываться в роторе, поскольку он полностью бесжелезный, хотя роторы с железным сердечником ламинированы. Это может значительно повысить эффективность, но контроллеры скорости должны использовать более высокую частоту переключения (> 40 кГц) или постоянный ток из-за снижения электромагнитной индукции. Эти двигатели были изобретены для привода катушек магнитных ленточных накопителей, где критически важны минимальное время выхода на рабочую скорость и минимальное расстояние остановки. «Моторы-блины» широко используются в высокопроизводительных сервоуправляемых системах, робототехнике, промышленной автоматизации и медицинском оборудовании. Благодаря разнообразию доступных конструкций, эта технология применяется в областях от высокотемпературного военного оборудования до недорогих насосов и простых сервоприводов. Другой подход (Magnax) заключается в использовании одного статора, зажатого между двумя роторами. Одна из таких конструкций обеспечивает пиковую мощность 15 кВт/кг, а номинальную мощность – около 7,5 кВт/кг. Этот аксиальный двигатель без сердечника обеспечивает более короткий магнитный путь, удерживая магниты дальше от оси. Конструкция обеспечивает отсутствие выходящих за пределы обмоток; 100% обмоток являются активными. Это усиливается использованием медного провода прямоугольного сечения. Двигатели могут быть установлены один над другим для параллельной работы. Нестабильность минимизируется за счет обеспечения того, чтобы два роторных диска оказывали равные и противоположные силы на статорный диск. Роторы соединены непосредственно друг с другом через кольцо вала, что компенсирует магнитные силы.

The coreless or ironless DC motor is a specialized permanent magnet DC motor. This design is commonly known as the pancake motor because of its flat profile. The armature (originally formed on a printed circuit board) is made from punched copper sheets that are laminated together using advanced composites to form a thin, rigid disc. The armature does not have a separate ring commutator. The brushes move directly on the armature surface making the whole design compact. An alternative design is to use wound copper wire laid flat with a central conventional commutator, in a flower and petal shape. The windings are typically stabilized with electrical epoxy potting systems. These are filled epoxies that have moderate, mixed viscosity and a long gel time. They are highlighted by low shrinkage and low exotherm, and are typically UL 1446 recognized as a potting compound insulated with 180 °C (356 °F), Class H rating. The unique advantage of ironless DC motors is the absence of cogging (torque variations caused by changing attraction between the iron and the magnets). Parasitic eddy currents cannot form in the rotor as it is totally ironless, although iron rotors are laminated. This can greatly improve efficiency, but variable speed controllers must use a higher switching rate (>40 kHz) or DC because of decreased electromagnetic induction. These motors were invented to drive the capstan(s) of magnetic tape drives, where minimal time to reach operating speed and minimal stopping distance were critical. Pancake motors are widely used in high performance servo controlled systems, robotic systems, industrial automation and medical devices. Due to the variety of constructions now available, the technology is used in applications from high temperature military to low cost pump and basic servos. Another approach (Magnax) is to use a single stator sandwiched between two rotors. One such design has produced peak power of 15 kW/kg, sustained power around 7.5 kW/kg. This yokeless axial flux motor offers a shorter flux path, keeping the magnets further from the axis. The design allows zero winding overhang; 100 percent of the windings are active. This is enhanced with the use of rectangular crosssection copper wire. The motors can be stacked to work in parallel. Instabilities are minimized by ensuring that the two rotor discs put equal and opposing forces onto the stator disc. The rotors are connected directly to one another via a shaft ring, cancelling out the magnetic forces.

Сервомотор

Сервомотор – это двигатель, используемый в системе обратной связи для управления положением или скоростью. Сервомоторы применяются в таких областях, как станки с числовым программным управлением, плоттеры и другие технологические системы. Двигатели, предназначенные для использования в сервоприводах, должны обладать предсказуемыми характеристиками по скорости, крутящему моменту и мощности. Важна зависимость скорости от крутящего момента, которая для сервомотора имеет высокое соотношение. Значимыми динамическими характеристиками являются индуктивность обмотки и момент инерции ротора, поскольку эти факторы ограничивают производительность. В больших, мощных, но медленно реагирующих сервоприводах могут использоваться обычные двигатели переменного или постоянного тока с системами управления и обратной связью по положению или скорости. С повышением требований к динамическому отклику применяются более специализированные конструкции двигателей, такие как безъякорные двигатели. Превосходная удельная мощность и характеристики ускорения двигателей переменного тока обычно делают предпочтительными синхронные двигатели с постоянными магнитами, BLDC, индукционные двигатели и двигатели с переменно-реактивным ротором (SRM).

Шаговый двигатель

Степерные двигатели обычно используются для обеспечения точных вращений. Внутренний ротор, содержащий постоянные магниты или магнитно-мягкий ротор с выступающими полюсами, управляется набором электронно переключаемых внешних магнитов. Шаговый двигатель также можно рассматривать как нечто среднее между электродвигателем постоянного тока и роторным соленоидом. По мере последовательной подачи энергии на каждую катушку, ротор выравнивается с магнитным полем, создаваемым включенной обмоткой. В отличие от синхронного двигателя, шаговый двигатель не вращается непрерывно; вместо этого он перемещается дискретными шагами – начиная и останавливаясь, – переходя из одного положения в другое по мере последовательного включения и выключения полевых обмоток. В зависимости от последовательности, ротор может вращаться вперед или назад, а также в любой момент времени изменять направление, останавливаться, ускоряться или замедляться. Простые драйверы шаговых двигателей полностью включают или полностью отключают полевые обмотки, заставляя ротор "фиксироваться" в ограниченном количестве положений. Драйверы микрошагового управления могут пропорционально регулировать мощность, подаваемую на полевые обмотки, позволяя ротору занимать промежуточные положения между фиксированными точками и вращаться плавно. Компьютерно-управляемые шаговые двигатели являются одной из наиболее универсальных систем позиционирования, особенно в составе цифровой сервоуправляемой системы. Шаговые двигатели могут легко вращаться на определенный угол дискретными шагами, поэтому они использовались для позиционирования головок чтения/записи в ранних дисководах, где предлагаемая ими точность и скорость позволяли правильно позиционировать головку. С увеличением плотности записи ограничения по точности и скорости сделали их устаревшими для жестких дисков – недостаточная точность сделала их непригодными для использования, а недостаточная скорость – неконкурентоспособными – поэтому в новых жестких дисках используются системы привода головок на базе голосовой катушки. (Термин "голосовая катушка" в данном контексте является историческим; он относится к структуре конусообразного динамика.) Степерные двигатели часто используются в компьютерных принтерах, оптических сканерах и цифровых копировальных аппаратах для перемещения активного элемента, печатной головки (в струйных принтерах) и плиты или подающих роликов. Так называемые кварцевые аналоговые наручные часы содержат самые маленькие распространенные шаговые двигатели; они имеют одну катушку, потребляют мало энергии и имеют ротор с постоянным магнитом. Тот же тип двигателя приводит в действие кварцевые часы, работающие от батареи. Некоторые из этих часов, например, хронографы, содержат более одного шагового двигателя. По конструкции близкие к трехфазным синхронным двигателям переменного тока, шаговые двигатели и SRM классифицируются как двигатели с переменным магнитным сопротивлением.

Stepper motors are typically used to provide precise rotations. An internal rotor containing permanent magnets or a magnetically soft rotor with salient poles is controlled by a set of electronically switched external magnets. A stepper motor may also be thought of as a cross between a DC electric motor and a rotary solenoid. As each coil is energized in turn, the rotor aligns itself with the magnetic field produced by the energized field winding. Unlike a synchronous motor, the stepper motor may not rotate continuously; instead, it moves in steps—starting and then stopping—advancing from one position to the next as field windings are energized and de energized in sequence. Depending on the sequence, the rotor may turn forwards or backwards, and it may change direction, stop, speed up or slow down at any time. Simple stepper motor drivers entirely energize or entirely de energize the field windings, leading the rotor to "cog" to a limited number of positions. Microstepping drivers can proportionally control the power to the field windings, allowing the rotors to position between cog points and rotate smoothly. Computer controlled stepper motors are one of the most versatile positioning systems, particularly as part of a digital servo controlled system. Stepper motors can be rotated to a specific angle in discrete steps with ease, and hence stepper motors are used for read/write head positioning in early disk drives, where the precision and speed they offered could correctly position the read/write head. As drive density increased, precision and speed limitations made them obsolete for hard drives—the precision limitation made them unusable, and the speed limitation made them uncompetitive—thus newer hard disk drives use voice coil based head actuator systems. (The term "voice coil" in this connection is historic; it refers to the structure in a cone type loudspeaker.) Stepper motors are often used in computer printers, optical scanners, and digital photocopiers to move the active element, the print head carriage (inkjet printers), and the platen or feed rollers. So called quartz analog wristwatches contain the smallest commonplace stepping motors; they have one coil, draw little power, and have a permanent magnet rotor. The same kind of motor drives battery powered quartz clocks. Some of these watches, such as chronographs, contain more than one stepper motor. Closely related in design to three phase AC synchronous motors, stepper motors and SRMs are classified as variable reluctance motor type.

Линейный

Линейный двигатель — это, по сути, любой электродвигатель, который был "развёрнут" таким образом, чтобы вместо создания крутящего момента (вращения) он создавал прямолинейную силу вдоль своей длины. Линейные двигатели чаще всего представляют собой индукционные или шаговые двигатели. Линейные двигатели широко используются в американских горках, где быстрое движение вагонетки без двигателя контролируется рельсом. Они также применяются в поездах на магнитной подушке, где поезд "парит" над землей. В меньшем масштабе, в 1978 году плоттеры HP 7225A использовали два линейных шаговых двигателя для перемещения пера по осям X и Y.

Электростатические

Электростатический двигатель основан на притяжении и отталкивании электрического заряда. Как правило, электростатические двигатели являются дуалами традиционных двигателей с обмотками. Обычно они требуют высоковольтного источника питания, хотя в малогабаритных двигателях используются более низкие напряжения. Традиционные электродвигатели, напротив, используют магнитное притяжение и отталкивание и требуют высокого тока при низком напряжении. Первые электростатические двигатели были разработаны Бенджамином Франклином и Эндрю Гордоном в 1750-х годах. Электростатические двигатели часто применяются в микроэлектромеханических системах (МЭМС), где их рабочее напряжение не превышает 100 вольт, а создание движущихся заряженных пластин значительно проще, чем изготовление обмоток и железных сердечников. Молекулярные механизмы, обеспечивающие функционирование живых клеток, часто основаны на линейных и вращательных электростатических двигателях.

Пьезоэлектрические

Пьезоэлектрический двигатель, или пьезомотор, – это тип электродвигателя, основанный на изменении формы пьезоэлектрического материала при приложении электрического поля. Пьезоэлектрические двигатели используют обратный пьезоэлектрический эффект, посредством которого материал генерирует акустические или ультразвуковые колебания для создания линейного или вращательного движения. В одном из механизмов, удлинение в одной плоскости используется для последовательных растяжений и фиксации положения, подобно тому, как перемещается гусеница.

Электрический привод

Электрическая двигательная установка космического аппарата использует технологию электродвигателей для перемещения в космическом пространстве. Большинство систем основаны на электрическом ускорении рабочего тела до высокой скорости, а некоторые – на принципах электродинамических тросов для создания тяги в магнитосфере.

Задние ЭМП

Движение обмоток якоря двигателя постоянного тока или универсального двигателя в магнитном поле индуцирует в них напряжение. Это напряжение стремится противодействовать напряжению питания двигателя и поэтому называется "противо-ЭДС". Напряжение пропорционально скорости вращения двигателя. Противо-ЭДС двигателя, плюс падение напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки и щетках, должно равняться напряжению на щетках. Это обеспечивает основной механизм регулирования скорости в двигателях постоянного тока. Если механическая нагрузка увеличивается, двигатель замедляется; в результате противо-ЭДС снижается, и из источника питания потребляется больший ток. Этот увеличенный ток обеспечивает дополнительный крутящий момент для компенсации нагрузки. В машинах переменного тока иногда полезно рассматривать источник противо-ЭДС внутри машины; это особенно важно для точного регулирования скорости асинхронных двигателей на частотных преобразователях (VFD). Эффективность также зависит от нагрузки. Максимальная эффективность обычно достигается при 75% от номинальной нагрузки. Например, двигатель мощностью 10 л.с. наиболее эффективен при работе с нагрузкой, требующей 7,5 л.с. Эффективность также зависит от размера двигателя; более крупные двигатели, как правило, более эффективны. Некоторые двигатели не могут работать непрерывно более определенного периода времени (например, более часа за цикл).

крутящий момент

Электромагнитные двигатели получают крутящий момент от векторного произведения взаимодействующих полей. Для расчета крутящего момента необходимо знание полей в воздушном зазоре. Как только эти поля определены, крутящий момент представляет собой интеграл от всех векторов силы, умноженных на радиус вектора. Ток, протекающий в обмотке, создает эти поля. Для двигателя, использующего магнитный материал, поле не пропорционально току. График, отображающий зависимость между током и крутящим моментом, может помочь в выборе двигателя. Максимальный крутящий момент двигателя зависит от максимального тока, без учета тепловых ограничений. При оптимальной конструкции, в пределах заданного ограничения насыщения сердечника и для заданного активного тока (т.е. тока крутящего момента), напряжения, числа пар полюсов, частоты возбуждения (т.е. синхронной скорости) и плотности магнитного потока в воздушном зазоре, все типы электродвигателей/генераторов демонстрируют практически одинаковый максимальный непрерывный крутящий момент на валу (т.е. рабочий крутящий момент) в пределах заданной площади воздушного зазора с пазами обмотки и глубиной задней части сердечника, что определяет физический размер электромагнитного сердечника. В некоторых приложениях требуются кратковременные всплески крутящего момента, превышающие максимальный, например, для ускорения электромобиля с места. Способность к кратковременным всплескам крутящего момента, всегда ограниченная насыщением магнитного сердечника или безопасным повышением рабочей температуры и напряжения, существенно различается для разных типов двигателей/генераторов. Электрические машины без топологии трансформаторной цепи, такие как двигатели с явнополюсным ротором (WRSM) или синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM), не могут обеспечивать всплески крутящего момента без насыщения магнитного сердечника. В этом случае дополнительный ток не может увеличить крутящий момент. Более того, сборка постоянных магнитов в PMSM может быть необратимо повреждена. Электрические машины с трансформаторной топологией, такие как асинхронные двигатели, асинхронные двигатели с двойным питанием и асинхронные или синхронные двигатели с двойным питанием ротора (WRDF), допускают всплески крутящего момента, поскольку ЭДС, индуцированные активным током с обеих сторон трансформатора, компенсируют друг друга и, следовательно, не вносят вклад в плотность магнитного потока в сердечнике трансформатора, предотвращая насыщение сердечника. Электрические машины, основанные на индуктивных или асинхронных принципах, закорачивают один порт трансформаторной цепи, и в результате реактивное сопротивление трансформаторной цепи становится доминирующим с увеличением скольжения, что ограничивает величину активного (т.е. реального) тока. Возможны всплески крутящего момента в два-три раза выше максимального расчетного крутящего момента. Синхронная машина с двойным питанием ротора и бесщеточным возбуждением (BWRSDF) является единственной электрической машиной с действительно двойной топологией трансформаторной цепи (т.е. оба порта возбуждаются независимо, без закорачивания порта). Известно, что топология трансформаторной цепи с двумя портами нестабильна и требует многофазной контактной системы для передачи ограниченной мощности на обмотку ротора. Если бы существовали точные средства для мгновенного управления углом крутящего момента и скольжением для синхронной работы во время эксплуатации, одновременно обеспечивая бесщеточное питание обмотки ротора, активный ток BWRSDF был бы независим от реактивного сопротивления трансформаторной цепи, и всплески крутящего момента, значительно превышающие максимальный рабочий крутящий момент и намного превосходящие практические возможности любого другого типа электрической машины, стали бы возможными. Рассчитаны всплески крутящего момента, превышающие в восемь раз рабочий крутящий момент.

Electromagnetic motors derive torque from the vector product of the interacting fields. Calculating torque requires knowledge of the fields in the air gap. Once these have been established, the torque is the integral of all the force vectors multiplied by the vector's radius. The current flowing in the winding produces the fields. For a motor using a magnetic material the field is not proportional to the current. A figure relating the current to the torque can inform motor selection. The maximum torque for a motor depends on the maximum current, absent thermal considerations. When optimally designed within a given core saturation constraint and for a given active current (i. e., torque current), voltage, pole pair number, excitation frequency (i. e., synchronous speed), and air gap flux density, all categories of electric motors/generators exhibit virtually the same maximum continuous shaft torque (i. e., operating torque) within a given air gap area with winding slots and back iron depth, which determines the physical size of electromagnetic core. Some applications require bursts of torque beyond the maximum, such as bursts to accelerate an electric vehicle from standstill. Always limited by magnetic core saturation or safe operating temperature rise and voltage, the capacity for torque bursts beyond the maximum differs significantly across motor/generator types. Electric machines without a transformer circuit topology, such as that of WRSMs or PMSMs, cannot provide torque bursts without saturating the magnetic core. At that point, additional current cannot increase torque. Furthermore, the permanent magnet assembly of PMSMs can be irreparably damaged. Electric machines with a transformer circuit topology, such as induction machines, induction doubly fed electric machines, and induction or synchronous wound rotor doubly fed (WRDF) machines, permit torque bursts because the EMF induced active current on either side of the transformer oppose each other and thus contribute nothing to the transformer coupled magnetic core flux density, avoiding core saturation. Electric machines that rely on induction or asynchronous principles short circuit one port of the transformer circuit and as a result, the reactive impedance of the transformer circuit becomes dominant as slip increases, which limits the magnitude of active (i. e., real) current. Torque bursts two to three times higher than the maximum design torque are realizable. The brushless wound rotor synchronous doubly fed (BWRSDF) machine is the only electric machine with a truly dual ported transformer circuit topology (i. e., both ports independently excited with no short circuited port). The dual ported transformer circuit topology is known to be unstable and requires a multiphase slip ring brush assembly to propagate limited power to the rotor winding set. If a precision means were available to instantaneously control torque angle and slip for synchronous operation during operation while simultaneously providing brushless power to the rotor winding set, the active current of the BWRSDF machine would be independent of the reactive impedance of the transformer circuit and bursts of torque significantly higher than the maximum operating torque and far beyond the practical capability of any other type of electric machine would be realizable. Torque bursts greater than eight times operating torque have been calculated.

Плотность непрерывной мощности

Плотность непрерывной мощности определяется произведением плотности непрерывного крутящего момента и диапазона постоянной скорости при постоянном крутящем моменте. Электродвигатели могут достигать плотности до 20 кВт/кг, то есть 20 киловатт выходной мощности на килограмм.