Двигатель переменного тока - AC motor

Промышленный двигатель переменного тока с электрической клеммной коробкой вверху и выходным вращающимся валом слева. Такие двигатели широко используются в насосах, воздуходувках, конвейерах и другом промышленном оборудовании.

An Двигатель переменного тока является электрический двигатель управляемый переменный ток (AC). Двигатель переменного тока обычно состоит из двух основных частей: внешней статор имея катушки, питаемые переменным током, чтобы произвести вращающееся магнитное поле, а внутри ротор прикрепленный к выходному валу, создающий второе вращающееся магнитное поле. Магнитное поле ротора может создаваться постоянными магнитами, реактивным сопротивлением или электрическими обмотками постоянного или переменного тока.

Реже, AC линейные двигатели работают по тем же принципам, что и вращающиеся двигатели, но их неподвижные и движущиеся части расположены по прямой линии, производя линейное движение вместо вращения.

Принцип работы

Двумя основными типами двигателей переменного тока являются асинхронные двигатели и синхронные двигатели. В Индукционный двигатель (или асинхронный двигатель) всегда полагается на небольшую разницу в скорости между вращающимся магнитным полем статора и скоростью вала ротора, называемую скольжением до побудить ток ротора в обмотке переменного тока ротора. В результате асинхронный двигатель не может создавать крутящий момент, близкий к синхронной скорости, когда индукция (или скольжение) не имеет значения или перестает существовать. Напротив, синхронный двигатель не полагается на индукцию скольжения для работы и использует либо постоянные магниты, выступающие полюса (с выступающими магнитными полюсами), либо обмотку ротора с независимым возбуждением. Синхронный двигатель вырабатывает свой номинальный крутящий момент с точно синхронной скоростью. В бесщеточная система синхронного двигателя с двойным питанием с фазным ротором Имеет обмотку ротора с независимым возбуждением, которая не основана на принципах скольжения-индукции тока. Бесщеточный двигатель с двойным питанием и ротором представляет собой синхронный двигатель которые могут работать точно на частоте питания или сверх кратной частоты питания.

Другие типы двигателей включают вихревой ток двигатели и машины переменного и постоянного тока с механической коммутацией, скорость которых зависит от напряжения и соединения обмоток.

История

Первый в мире двигатель переменного тока итальянского физика Галилео Феррариса

Рисунок из патента США 381968, иллюстрирующий принцип работы двигателя переменного тока Теслы.

Переменный ток технология была основана Майкл Фарадей 'песок Джозеф Генри открытие 1830–1831 гг. магнитное поле может вызвать электрический ток в схема. Это открытие обычно приписывают Фарадею, поскольку он первым опубликовал свои открытия.^[1]

В 1832 году французский производитель инструментов Ипполит Пиксий генерировал грубую форму переменного тока, когда спроектировал и построил первый генератор. Он состоял из вращающегося подковообразного магнита, проходящего через две катушки с намотанной проволокой.^[2]

Благодаря преимуществам AC на дальних расстояниях высокое напряжение трансмиссии, в конце 19 века в Соединенных Штатах и ​​Европе было много изобретателей, которые пытались разработать работоспособные двигатели переменного тока.^[3] Первым, кто придумал вращающееся магнитное поле, был Уолтер Бейли, который продемонстрировал работоспособную демонстрацию своего устройства с батарейным питанием. многофазный двигатель с помощью коммутатор 28 июня 1879 г. - Лондонскому Физическому обществу.^[4] Описание аппарата, почти идентичного Бейли, французскому инженеру-электрику. Марсель Депре опубликовал статью в 1880 году, в которой идентифицировал принцип вращающегося магнитного поля и принцип двухфазной системы переменного тока для его создания.^[5] Практически не продемонстрированная конструкция была несовершенной, поскольку один из двух токов «создавался самой машиной».^[4] В 1886 г. английский инженер Элиу Томсон построил двигатель переменного тока, расширив принцип индукционного отталкивания и его ваттметр.^[6] В 1887 году американский изобретатель Чарльз Шенк Брэдли первым запатентовал двухфазную четырехпроводную силовую передачу переменного тока.

«Безкоммутаторный» переменный ток асинхронные двигатели кажется, были независимо изобретены Галилео Феррарис и Никола Тесла. Феррарис продемонстрировал работающую модель своего однофазного асинхронного двигателя в 1885 году, а Тесла построил свой рабочий двухфазный асинхронный двигатель в 1887 году и продемонстрировал его в Американском институте инженеров-электриков в 1888 году.^[7][8][9] (хотя Тесла утверждал, что он задумал вращающееся магнитное поле в 1882 году).^[10] В 1888 году Феррарис опубликовал свое исследование в Королевской академии наук в Турине, где подробно изложил основы работы двигателя;^[11] В том же году Тесла получил патент США на собственный двигатель.^[12] Работая на основе экспериментов Феррариса, Михаил Доливо-Добровольский представила первый трехфазный асинхронный двигатель в 1890 году, гораздо более функциональная конструкция, которая стала прототипом, используемым в Европе и США.^[13][14][15] Он также изобрел первый трехфазный генератор и трансформатор и соединил их в первую полную трехфазную систему переменного тока в 1891 году.^[16] Над дизайном трехфазного двигателя также работал швейцарский инженер. Чарльз Юджин Ланселот Браун,^[13] и другие трехфазные системы переменного тока были разработаны немецким техником Фридрихом Августом Хазельвандером и шведским инженером. Йонас Венстрём.^[17]

Индукционный двигатель

Соскальзывать

Если бы ротор двигателя с короткозамкнутым ротором работал с истинной синхронной скоростью, магнитный поток в роторе в любом заданном месте ротора не изменился бы, и ток в короткозамкнутом роторе не создавался. По этой причине обычные двигатели с короткозамкнутым ротором работают на несколько десятков Об / мин медленнее синхронной скорости. Поскольку вращающееся поле (или эквивалентное пульсирующее поле) эффективно вращается быстрее, чем ротор, можно сказать, что соскальзывать мимо поверхности ротора. Разница между синхронной скоростью и фактической скоростью называется соскальзывать, а загрузка двигателя увеличивает скольжение, поскольку двигатель немного замедляется. Даже без нагрузки внутренние механические потери предотвращают нулевое скольжение.

Скорость двигателя переменного тока определяется в первую очередь частотой источника переменного тока и количеством полюсов в обмотке статора в соответствии с соотношением:

${displaystyle N_ {s} = 120F / p}$

куда

N_s = Синхронная скорость, в оборотах в минуту

F = Частота сети переменного тока

п = Число полюсов на фазную обмотку

Фактическая частота вращения асинхронного двигателя будет меньше этой рассчитанной синхронной скорости на величину, известную как соскальзывать, который увеличивается с создаваемым крутящим моментом. Без нагрузки скорость будет очень близка к синхронной. При нагрузке стандартные двигатели имеют скольжение 2–3%, специальные двигатели могут иметь скольжение до 7%, а класс двигателей известен как моментные двигатели рассчитаны на работу при 100% проскальзывании (0 об / мин / полный останов).

Скольжение двигателя переменного тока рассчитывается по формуле:

${displaystyle S = (N_ {s} -N_ {r}) / N_ {s}}$

куда

N_р = Скорость вращения в оборотах в минуту.

S = Нормализованное скольжение, от 0 до 1.

Например, типичный четырехполюсный двигатель, работающий на частоте 60 Гц, может иметь номинальное значение на паспортной табличке 1725 об / мин при полной нагрузке, в то время как его расчетная скорость составляет 1800 об / мин. Скорость в этом типе двигателя традиционно изменялась за счет дополнительных комплектов катушки или полюса в двигателе, которые можно включать и выключать для изменения скорости вращения магнитного поля. Однако развитие силовая электроника означают, что частота источника питания теперь также может быть изменена, чтобы обеспечить более плавное управление скоростью двигателя.

Этот тип ротора является основным оборудованием для индукционные регуляторы, что является исключением использования вращающееся магнитное поле как чисто электрическое (не электромеханическое) приложение.

Ротор с многофазной клеткой

Наиболее распространенные двигатели переменного тока используют ротор с короткозамкнутым ротором, который можно найти практически во всех бытовых и легких промышленных двигателях переменного тока. Беличья клетка относится к вращающаяся клетка для упражнений для домашних животных. Двигатель получил свое название от формы «обмоток» его ротора - кольца на обоих концах ротора с перемычками, соединяющими кольца по длине ротора. Обычно это литой алюминий или медь, залитые между железными пластинами ротора, и обычно видны только концевые кольца. Подавляющее большинство токов ротора будет проходить через стержни, а не через ламинаты с более высоким сопротивлением и обычно покрытые лаком. Очень низкие напряжения при очень высоких токах типичны для шин и концевых колец; В высокоэффективных двигателях часто используется литая медь для уменьшения сопротивления ротора.

В работе двигатель с короткозамкнутым ротором можно рассматривать как трансформатор с вращающейся вторичной обмоткой. Когда ротор не вращается синхронно с магнитным полем, индуцируются большие токи ротора; большие токи ротора намагничивают ротор и взаимодействуют с магнитными полями статора, чтобы привести ротор почти в синхронизацию с полем статора. Двигатель с короткозамкнутым ротором без нагрузки при номинальной скорости холостого хода будет потреблять электроэнергию только для поддержания скорости ротора с учетом потерь на трение и сопротивление. По мере увеличения механической нагрузки увеличивается и электрическая нагрузка - электрическая нагрузка по своей природе связана с механической нагрузкой. Это похоже на трансформатор, где электрическая нагрузка первичной обмотки связана с электрической нагрузкой вторичной обмотки.

Вот почему электродвигатель воздуходувки с короткозамкнутым ротором может привести к потускнению домашнего освещения при запуске, но не приглушает свет при запуске, когда его ремень вентилятора (и, следовательно, механическая нагрузка) снят. Кроме того, остановившийся двигатель с короткозамкнутым ротором (перегруженный или с заклинившим валом) будет потреблять ток, ограниченный только сопротивлением цепи, при попытке запуска. Если что-то еще не ограничивает ток (или не отключает его полностью), вероятным результатом является перегрев и разрушение изоляции обмотки.

Практически каждый стиральная машина, посудомойка, автономный поклонник, магнитофон и др. использует какой-либо вариант двигателя с короткозамкнутым ротором.^{[нужна цитата ]}

Ротор с многофазной обмоткой

Альтернативная конструкция, называемая ротором с обмоткой, используется, когда переменная скорость необходимо. В этом случае ротор имеет такое же количество полюсов, что и статор, а обмотки выполнены из проволоки, соединенной с контактными кольцами на валу. Угольные щетки соединяют контактные кольца с контроллером, например, с переменным резистором, который позволяет изменять скорость скольжения двигателя. В некоторых мощных приводах с фазным ротором с регулируемой частотой вращения энергия частоты скольжения улавливается, выпрямляется и возвращается в источник питания через инвертор. При двунаправленном регулировании мощности намотанный ротор становится активным участником процесса преобразования энергии, при этом обмотка ротора с двойной подачей конфигурация, показывающая удвоенную удельную мощность.

По сравнению с роторами с короткозамкнутым ротором, двигатели с фазным ротором дороги и требуют технического обслуживания контактных колец и щеток, но они были стандартной формой для управления переменной скоростью до появления компактных силовых электронных устройств. Транзисторные инверторы с частотно-регулируемый привод теперь могут использоваться для управления скоростью, и двигатели с фазным ротором становятся все реже.

Используются несколько способов запуска многофазного двигателя. Там, где допустимы большой пусковой ток и высокий пусковой момент, двигатель можно запустить через линию, подав полное линейное напряжение на клеммы (прямое подключение, прямой ток). Если необходимо ограничить пусковой пусковой ток (если мощность двигателя велика по сравнению с мощностью короткого замыкания источника питания), двигатель запускается при пониженном напряжении с использованием либо последовательных катушек индуктивности, либо автотрансформатор, тиристоры, или другие устройства. Иногда используется метод пуска со звезды на треугольник (YΔ), при котором катушки двигателя сначала соединяются звездой для ускорения нагрузки, а затем переключаются на конфигурацию треугольником, когда нагрузка достигает скорости. Этот метод более распространен в Европе, чем в Северной Америке. Транзисторные приводы могут напрямую изменять подаваемое напряжение в зависимости от пусковых характеристик двигателя и нагрузки.

Этот тип двигателя становится все более распространенным в тяговых приложениях, таких как локомотивы, где он известен как асинхронный. тяговый двигатель^{[нужна цитата ]}.

Двухфазный серводвигатель

Типичный двухфазный серводвигатель переменного тока имеет ротор с короткозамкнутым ротором и поле, состоящее из двух обмоток:

1. главная обмотка постоянного напряжения (переменного тока).
2. обмотка управляющего напряжения (переменного тока) в квадратуре (т. е. с фазовым сдвигом на 90 градусов) с основной обмоткой так, чтобы создавать вращающееся магнитное поле. Фаза реверса заставляет двигатель реверсировать.

Сервоусилитель переменного тока, линейный усилитель мощности, питает обмотку управления. Электрическое сопротивление ротора намеренно повышено, так что кривая скорость – крутящий момент является достаточно линейной. Двухфазные серводвигатели по своей сути являются высокоскоростными устройствами с низким крутящим моментом, которые в значительной степени приспособлены для управления нагрузкой.

Однофазный асинхронный двигатель

Однофазные двигатели не имеют уникального вращающегося магнитного поля, как многофазные двигатели. Поле чередуется (меняет полярность) между парами полюсов и может рассматриваться как два поля, вращающихся в противоположных направлениях. Им требуется вторичное магнитное поле, которое заставляет ротор двигаться в определенном направлении. После запуска переменное поле статора вращается относительно ротора. Обычно используются несколько методов:

Электродвигатель с расщепленными полюсами

Обычный однофазный двигатель - это электродвигатель с расщепленными полюсами и используется в устройствах, требующих низкого запуска крутящий момент, Такие как электрические вентиляторы, небольшие насосы или мелкую бытовую технику. В этом двигателе небольшие одновитковые медные «затеняющие катушки» создают движущееся магнитное поле. Часть каждого полюса окружена медной катушкой или лентой; наведенный ток в перемычке препятствует изменению потока через катушку. Это вызывает задержку во времени потока, проходящего через затеняющую катушку, так что максимальная напряженность поля перемещается выше через поверхность полюса в каждом цикле. Это создает вращающееся магнитное поле низкого уровня, которое достаточно велико, чтобы вращать как ротор, так и прикрепленную к нему нагрузку. Когда ротор набирает скорость, крутящий момент достигает своего полного уровня, поскольку основное магнитное поле вращается относительно вращающегося ротора.

А реверсивный двигатель с расщепленными полюсами была изготовлена ​​Barber-Colman несколько десятилетий назад. У него была одна катушка возбуждения и два основных полюса, каждый из которых был разделен на половину, чтобы создать две пары полюсов. На каждом из этих четырех «полуполюсей» была катушка, а катушки диагонально противоположных полуполюсников были подключены к паре выводов. Один вывод каждой пары был общим, поэтому всего требовалось всего три вывода.

Двигатель не запускался с открытыми клеммами; подключение общего к другому заставляло двигатель работать в одну сторону, а подключение общего к другому заставляло его работать в другую сторону. Эти двигатели использовались в промышленных и научных устройствах.

Необычный, регулируемая скоростьДвигатель с расщепленными полюсами с низким крутящим моментом можно было найти в контроллерах светофора и рекламного освещения. грани полюсов были параллельны и относительно близки друг к другу, с диском по центру между ними, что-то вроде диска в ватт-час. электрический счетчик. Каждая поверхность полюса была разделена, и на одной ее части была затеняющая катушка; катушки затенения находились на обращенных друг к другу частях.

Подача переменного тока на катушку создавала поле, которое увеличивалось в промежутке между полюсами. Плоскость сердечника статора была приблизительно касательной к воображаемой окружности на диске, поэтому бегущее магнитное поле тащило диск и заставляло его вращаться.

Статор был установлен на шарнире, чтобы его можно было установить для достижения желаемой скорости, а затем зафиксировать в нужном положении. Размещение полюсов ближе к центру диска заставляло его двигаться быстрее, а к краю - медленнее.^{[нужна цитата ]}

Двухфазный двигатель

Другой распространенный однофазный двигатель переменного тока - это двухфазный асинхронный двигатель,^[18] обычно используется в основные приборы Такие как Кондиционеры и сушилки для одежды. По сравнению с двигателями с экранированными полюсами эти двигатели обеспечивают гораздо больший пусковой крутящий момент.

Двигатель с расщепленной фазой имеет вторичную пусковая обмотка то есть под углом 90 электрических градусов к основной обмотке, всегда центрируется непосредственно между полюсами основной обмотки и соединяется с основной обмоткой посредством набора электрических контактов. Катушки этой обмотки намотаны с меньшим количеством витков меньшего провода, чем основная обмотка, поэтому она имеет более низкую индуктивность и более высокое сопротивление. Положение обмотки создает небольшой фазовый сдвиг между потоком основной обмотки и потоком пусковой обмотки, вызывая вращение ротора. Когда скорость двигателя достаточна для преодоления инерции нагрузки, контакты размыкаются автоматически центробежным переключателем или электрическим реле. Направление вращения определяется соединением между основной обмоткой и цепью запуска. В приложениях, где двигателю требуется фиксированное вращение, один конец пусковой цепи постоянно подключен к главной обмотке, а контакты обеспечивают соединение на другом конце.

Конденсаторный пуск двигателя

Схема конденсаторного пускового двигателя.

Конденсаторный пусковой двигатель - это асинхронный двигатель с расщепленной фазой с пусковым конденсатор вставлены последовательно с пусковой обмоткой, создавая LC-цепь который обеспечивает больший фазовый сдвиг (и, следовательно, гораздо больший пусковой момент), чем двигатели с расщепленной фазой и с экранированными полюсами.

Пуск двигателя сопротивления

Двигатель с резистивным пуском - это асинхронный двигатель с расщепленной фазой, в котором стартер включен последовательно с пусковой обмоткой, создавая реактивное сопротивление. Этот дополнительный стартер обеспечивает поддержку в пусковом и начальном направлении вращения. Пусковая обмотка сделана в основном из тонкой проволоки с меньшим количеством витков, что делает ее более резистивной и менее индуктивной. Основная обмотка сделана из более толстого провода с большим количеством витков, что делает ее менее резистивной и более индуктивной.

Двигатель с постоянным разделением конденсаторов

Другой вариант - двигатель с постоянным разделением конденсаторов (или PSC).^[19] Также известный как двигатель с конденсаторным приводом, этот тип двигателя использует неполяризованный конденсатор с высоким номинальным напряжением для создания электрического фазового сдвига между рабочей и пусковой обмотками. Двигатели PSC являются доминирующим типом двигателей с расщепленной фазой в Европе и большей части мира, но в Северной Америке они наиболее часто используются в приложениях с переменным крутящим моментом (например, нагнетатели, вентиляторы и насосы) и в других случаях, когда требуются регулируемые скорости. .

Конденсатор с относительно низкой емкостью и относительно высоким номинальным напряжением подключается последовательно с пусковой обмоткой и остается в цепи в течение всего рабочего цикла.^[19] Как и в других двигателях с расщепленной фазой, основная обмотка используется с пусковой обмоткой меньшего размера, а вращение изменяется путем реверсирования соединения между основной обмоткой и пусковой цепью или переключением полярности основной обмотки, когда пусковая обмотка всегда подключена к конденсатор. Однако есть существенные различия; Использование центробежного переключателя, чувствительного к скорости, требует, чтобы другие двигатели с расщепленной фазой работали на полной скорости или очень близко к ней. Двигатели PSC могут работать в широком диапазоне скоростей, намного ниже, чем электрическая скорость двигателя. Кроме того, для таких применений, как автоматические открыватели дверей, которые требуют частого реверсирования вращения двигателя, использование механизма требует, чтобы двигатель замедлился до почти полной остановки, прежде чем контакт с пусковой обмоткой будет восстановлен. «Постоянное» соединение с конденсатором в двигателе PSC означает, что изменение вращения происходит мгновенно.

Трехфазные двигатели можно преобразовать в двигатели PSC, сделав две общие обмотки и подключив третью через конденсатор, который будет действовать как пусковая обмотка. Однако номинальная мощность должна быть как минимум на 50% больше, чем у сопоставимого однофазного двигателя из-за неиспользуемой обмотки.^[20]

Синхронный двигатель

Трехфазная система с вращающимися магнитными полями.

Многофазный синхронный двигатель

Если соединения с катушками ротора трехфазного двигателя сняты на контактных кольцах и пропустить отдельный ток возбуждения для создания непрерывного магнитного поля (или если ротор состоит из постоянного магнита), результат называется синхронный двигатель потому что ротор будет вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым многофазным источником питания. Другая система синхронного двигателя - это бесщеточная система синхронного двигателя с двойным питанием с фазным ротором с набором многофазных обмоток переменного тока с независимым возбуждением ротора, в котором может наблюдаться индукция скольжения за пределами синхронных скоростей, но, как и во всех синхронных двигателях, для создания крутящего момента не используется индукция скольжения.

Синхронный двигатель также может использоваться как генератор.

Современные синхронные двигатели часто работают от твердотельных электродвигателей. частотно-регулируемые приводы. Это значительно упрощает проблему запуска массивного ротора большого синхронного двигателя. Они также могут запускаться как асинхронные двигатели с использованием обмотки с короткозамкнутым ротором, которая имеет общий ротор: как только двигатель достигает синхронной скорости, в обмотке с короткозамкнутым ротором не индуцируется ток, поэтому он мало влияет на синхронную работу двигателя. помимо стабилизации скорости двигателя при изменении нагрузки.

Синхронные двигатели иногда используются как тяговые двигатели; то TGV может быть самым известным примером такого использования.

Огромное количество трехфазных синхронных двигателей теперь устанавливают на электромобили. У них есть неодим или другой редкоземельный постоянный магнит.

Одним из применений этого типа двигателя является его использование в схеме коррекции коэффициента мощности. Их называют синхронные конденсаторы. Это использует особенность машины, при которой она потребляет энергию в фактор силы когда его ротор чрезмерно возбужден. Таким образом, источник питания воспринимает его как конденсатор и, таким образом, может использоваться для корректировки коэффициента мощности с запаздыванием, который обычно передается источнику электроэнергии индуктивными нагрузками. Возбуждение регулируется до достижения коэффициента мощности, близкого к единице (часто автоматически). Машины, используемые для этой цели, легко идентифицировать, поскольку у них нет валов. Синхронные двигатели ценятся в любом случае, потому что их фактор силы намного лучше, чем у асинхронных двигателей, что делает их предпочтительными для приложений с очень большой мощностью.

Некоторые из самых больших двигателей переменного тока гидроаккумулирующая энергия генераторы, которые работают как синхронные двигатели для перекачки воды в резервуар на более высоком уровне, чтобы впоследствии использовать для выработки электроэнергии с помощью того же оборудования. Шесть генераторов мощностью 500 МВт установлены в Насосная станция хранения округа Бат в Вирджинии, США. При перекачке каждый агрегат может производить 642800 лошадиных сил (479,3 мегаватт).^[21].

Однофазный синхронный двигатель

Небольшие однофазные двигатели переменного тока также могут быть спроектированы с намагниченными роторами (или несколько вариантов этой идеи; см. «Гистерезисные синхронные двигатели» ниже).

Если на обычном роторе с короткозамкнутым ротором есть плоские поверхности для создания выступающих полюсов и увеличения сопротивления, он будет запускаться обычным образом, но будет работать синхронно, хотя он может обеспечивать лишь умеренный крутящий момент при синхронной скорости. Это известно как реактивный двигатель.

Потому что инерция затрудняет мгновенный разгон ротора с остановленной до синхронной скорости, этим двигателям обычно требуется какая-то специальная функция для запуска. Некоторые из них имеют структуру с короткозамкнутым ротором, чтобы ротор приближался к синхронной скорости. В различных других конструкциях используется небольшой асинхронный двигатель (который может использовать те же катушки возбуждения и ротор, что и синхронный двигатель) или очень легкий ротор с односторонним механизмом (чтобы гарантировать, что ротор запускается в «прямом» направлении). В последнем случае подача переменного тока создает хаотические (или кажущиеся хаотическими) прыжки вперед и назад; такой двигатель всегда запускается, но без механизма предотвращения реверсирования направление его движения непредсказуемо. В органном тон-генераторе Хаммонда использовался синхронный двигатель без самозапуска (до сравнительно недавнего времени) и вспомогательный обычный стартер с расщепленными полюсами. Подпружиненный вспомогательный переключатель ручного запуска подавал питание на второй двигатель на несколько секунд.

Гистерезисный синхронный двигатель

Эти двигатели относительно дороги и используются там, где важны точная скорость (при условии наличия источника переменного тока с точной частотой) и вращение с малым флаттером (высокочастотное изменение скорости). Применения включали приводы ленточных магнитофонов (вал двигателя мог быть шпилем) и, до появления управления кристаллами, кинокамеры и записывающие устройства. Их отличительной особенностью является их ротор, который представляет собой гладкий цилиндр из магнитного сплава, который остается намагниченным, но может быть довольно легко размагничен, а также повторно намагничен полюсами в новом месте. Гистерезис относится к тому, как магнитный поток в металле отстает от внешней силы намагничивания; например, чтобы размагнитить такой материал, можно приложить намагничивающее поле противоположной полярности к тому, которое первоначально намагничивало материал. Эти двигатели имеют статор, как и у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, работающим от конденсатора. При запуске, когда скольжение существенно уменьшается, ротор намагничивается полем статора, и полюса остаются на своих местах. Затем двигатель работает с синхронной скоростью, как если бы ротор был постоянным магнитом. При остановке и перезапуске полюса могут образовываться в разных местах. Для данной конструкции крутящий момент при синхронной скорости относительно невелик, и двигатель может работать со скоростью ниже синхронной. Проще говоря, это отставание магнитного поля от магнитного потока.

Другие типы двигателей переменного тока

Универсальный двигатель и двигатель с последовательным заводом

Универсальный двигатель - это конструкция, которая может работать как от переменного, так и от постоянного тока. В универсальных двигателях статор и ротор щеточный двигатель постоянного тока оба наматываются и питаются от внешнего источника, причем крутящий момент является функцией тока ротора, умноженного на ток статора, поэтому изменение направления тока как в роторе, так и в статоре не приводит к изменению направления вращения. Универсальные двигатели могут работать как на переменном, так и на постоянном токе, если частота не настолько высока, чтобы индуктивное сопротивление обмотки статора и вихревой ток потери становятся проблемами. Почти все универсальные двигатели имеют последовательную обмотку, поскольку их статоры имеют относительно мало оборотов, что снижает индуктивность.Универсальные двигатели компактны, имеют высокий пусковой момент и могут изменять скорость в широком диапазоне с помощью относительно простых средств управления, таких как реостаты и ШИМ чопперы. По сравнению с асинхронными двигателями универсальные двигатели имеют некоторые недостатки, присущие их щеткам и коммутаторам: относительно высокий уровень электрического и акустического шума, низкая надежность и более частое требуемое техническое обслуживание.

Универсальные моторы широко используются в мелкой бытовой технике и ручных электроинструментах. До 1970-х годов они доминировали электрическая тяга (электрические, в том числе дизель-электрические железнодорожные и автомобильные); много тяговые электрические сети по-прежнему используйте специальные низкие частоты, такие как 16,7 и 25 Гц, чтобы преодолеть вышеупомянутые проблемы с потерями и реактивным сопротивлением. Все еще широко используемые универсальные тяговые двигатели все чаще заменяются многофазными асинхронными двигателями переменного тока и двигателями с постоянными магнитами с частотно-регулируемые приводы стало возможным благодаря современным силовые полупроводниковые приборы.

Отталкивающий двигатель

Отталкивающие двигатели - это однофазные двигатели переменного тока с фазным ротором, которые представляют собой тип асинхронного двигателя. В отталкивающем двигателе щетки якоря закорочены вместе, а не включены последовательно с полем, как это делается в универсальных двигателях. Под действием трансформатора статор индуцирует токи в роторе, которые создают крутящий момент за счет отталкивания, а не притяжения, как в других двигателях. Было изготовлено несколько типов отталкивающих двигателей, но отталкивание-старт индукционный прогон Мотор (RS-IR) использовался чаще всего. Двигатель RS-IR имеет центробежный переключатель, который замыкает все сегменты коммутатора, так что двигатель работает как асинхронный, когда он приближается к полной скорости. Некоторые из этих двигателей также поднимают щетки из-под контакта с источником. регулирование напряжения. Отталкивающие двигатели были разработаны до того, как появились подходящие пусковые конденсаторы двигателей, и по состоянию на 2005 год было продано лишь несколько отталкивающих двигателей.

Внешний ротор

Там, где важна стабильность скорости, некоторые двигатели переменного тока (например, некоторые Papst моторы ) иметь статор внутри и ротор снаружи для оптимизации инерции и охлаждения.

Двигатель с скользящим ротором

Двигатель переменного тока со скользящими роторами

Тормозной двигатель с коническим ротором включает тормоз как неотъемлемую часть конического скользящего ротора. Когда двигатель находится в состоянии покоя, пружина воздействует на скользящий ротор и прижимает тормозное кольцо к тормозной крышке в двигателе, удерживая ротор в неподвижном состоянии. Когда двигатель находится под напряжением, его магнитное поле создает как осевую, так и радиальную составляющую. Осевой компонент преодолевает силу пружины, освобождая тормоз; в то время как радиальный компонент заставляет ротор вращаться. Дополнительного управления тормозом не требуется.

Высокий пусковой момент и низкая инерция двигателя с тормозом с коническим ротором оказались идеальными для требований многоцикловых динамических приводов в приложениях, так как двигатель был изобретен, спроектирован и введен в эксплуатацию более 50 лет назад. Этот тип конфигурации двигателя был впервые представлен в США в 1963 году.

Односкоростные или двухскоростные двигатели предназначены для соединения с редукторами системы мотор-редукторов. Двигатели с тормозом с коническим ротором также используются для привода микроскоростных приводов.

Двигатели этого типа также можно найти на мостовые краны и подъемники. Микроскоростной агрегат объединяет два мотора и промежуточный редуктор. Они используются в приложениях, где требуется максимальная точность механического позиционирования и высокая циклическая способность. Микроскоростной блок сочетает в себе «главный» тормозной двигатель с коническим ротором для быстрой скорости и «микро» конический тормозной двигатель для медленной скорости или скорости позиционирования. Промежуточная коробка передач позволяет использовать различные передаточные числа, а двигатели с разными скоростями можно комбинировать для получения высоких передаточных чисел между высокой и низкой скоростью.

Двигатель с электронной коммутацией

Электродвигатели с электронной коммутацией (ЕС) электродвигатели питаться от постоянный ток (DC) электричество и наличие электронных систем коммутации, а не механических коммутаторы и кисти. Отношения тока к крутящему моменту и частоты к скорости двигателей BLDC линейны. Пока катушки двигателя питаются от постоянного тока, мощность может быть исправленный от переменного тока внутри корпуса.

Мотор-счетчик ватт

Это двухфазные асинхронные двигатели с постоянными магнитами для замедления ротора, поэтому его скорость точно пропорциональна мощности, проходящей через счетчик. Ротор представляет собой диск из алюминиевого сплава, и индуцируемые в нем токи реагируют с полем статора.

А двухфазный ваттур электрический счетчик имеет статор с тремя катушками, обращенными к диску. Магнитопровод завершается С-образным сердечником из проницаемого железа. Катушка «напряжения» над диском включена параллельно источнику питания; его множество витков имеют высокое отношение индуктивности к сопротивлению (Q), поэтому его ток и магнитное поле являются интегралом по времени от приложенного напряжения, отставая от него на 90 градусов. Это магнитное поле проходит через диск перпендикулярно вниз, вызывая круговые вихревые токи в плоскости диска с центром в поле. Эти индуцированные токи пропорциональны производной магнитного поля по времени, опережая ее на 90 градусов. Это помещает вихревые токи в фазу с напряжением, приложенным к катушке напряжения, так же как ток, индуцированный во вторичной обмотке трансформатора с резистивной нагрузкой, находится в фазе с напряжением, приложенным к его первичной обмотке.

Вихревые токи проходят непосредственно над полюсными наконечниками двух «токовых» катушек под диском, каждая из которых намотана несколькими витками толстого провода, индуктивное реактивное сопротивление которого мало по сравнению с импедансом нагрузки. Эти катушки подключают питание к нагрузке, создавая магнитное поле, синфазное с током нагрузки. Это поле проходит от полюса одной токовой катушки вверх перпендикулярно через диск и обратно вниз через диск к полюсу другой токовой катушки с завершенной магнитной цепью обратно к первой токовой катушке. Когда эти поля пересекают диск, они проходят через вихревые токи, наведенные в нем катушкой напряжения, создавая Сила Лоренца на диске взаимно перпендикулярны обоим. Предполагая, что мощность течет к нагрузке, поток от левой токовой катушки пересекает диск вверх, где вихревой ток течет радиально к центру диска, создавая (за счет правило правой руки ) крутящий момент, перемещающий переднюю часть диска вправо. Точно так же поток проходит вниз через диск к правой катушке тока, где вихревой ток течет радиально от центра диска, снова создавая крутящий момент, перемещающий переднюю часть диска вправо. Когда полярность переменного тока меняется, вихревые токи в диске и направление магнитного потока от токовых катушек меняются, оставляя неизменным направление крутящего момента.

Таким образом, крутящий момент пропорционален мгновенному напряжению в сети, умноженному на мгновенный ток нагрузки, с автоматической поправкой на коэффициент мощности. Диск тормозится постоянным магнитом, так что скорость пропорциональна крутящему моменту, а диск механически интегрирует реальную мощность. Механическая шкала измерителя считывает количество оборотов диска и общую полезную энергию, передаваемую нагрузке. (Если нагрузка подает питание в сеть, диск вращается назад, если не препятствует храповик, таким образом чистый замер возможный.)

В двухфазный ваттметр катушка напряжения подключается между двумя "горячими" (линейными) выводами (240 В в Северной Америке^{[нужна цитата ]}) и две отдельные токовые катушки подключены между соответствующей линией и клеммами нагрузки. Подключение к нейтрали системы не требуется для правильного управления комбинированными линейными и линейными нагрузками. Линейные нагрузки потребляют один и тот же ток через обе токовые катушки и вращают измеритель в два раза быстрее, чем нагрузка между фазами и нейтралью, потребляя тот же ток только через одну токовую катушку, правильно регистрируя мощность, потребляемую линейным током. -линейная нагрузка в два раза больше, чем линейная нагрузка.

Другие варианты того же дизайна используются для многофазных (например, трехфазный ) мощность.

Тихоходный синхронный двигатель времени

Типичным примером являются синхронные двигатели с низким крутящим моментом с многополюсным полым цилиндрическим магнитом (внутренними полюсами), окружающим конструкцию статора. Алюминиевая чашка поддерживает магнит. Статор имеет одну катушку, соосную с валом. На каждом конце катушки есть пара круглых пластин с прямоугольными зубцами на краях, параллельных валу. Это полюса статора. Один из пар дисков напрямую распределяет поток катушки, а другой принимает поток, прошедший через общую затеняющую катушку. Полюса довольно узкие, и между полюсами, идущими с одного конца катушки, находится идентичный набор, идущий с другого конца. В целом, это создает повторяющуюся последовательность четырех полюсов, незатененных, чередующихся с затененными, что создает круговое бегущее поле, с которым быстро синхронизируются магнитные полюса ротора. Некоторые шаговые двигатели имеют аналогичную конструкцию.

Рекомендации

внешняя ссылка

• Сильванус Филлипс Томпсон: Многофазные электрические токи и двигатели переменного тока
• Univ.Prof. Доктор Инг. Мартин Доппельбауэр: изобретение электродвигателя, Технологический институт Карлсруэ - KIT
• Галилео Феррарис - «Отец трехфазного тока» - Электротехнический конгресс, Франкфурт 1891, Кто изобрел многофазный электродвигатель?

• Короткометражный фильм ДВИГАТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (1961) доступен для бесплатного скачивания на Интернет-архив
• Короткометражный фильм ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (1969) доступен для бесплатного скачивания на Интернет-архив