Когда речь заходит об электродвигателях , не существует линейной зависимости между мощностью, числом оборотов и потребляемого напряжения. Рассмотрим, в каких отраслях применяют и чем различаются высоковольтные электродвигатели, двигатели с высокими оборотами, а также двигатели с большой мощностью.

Разные виды высоковольтных электродвигателей

Высоковольтные электродвигатели – это синхронные и асинхронные двигатели с напряжением 3000, 6000, 6300, 6600 и 10000 В. В основном данные электродвигатели применяются в промышленности: металлургическая, горнодобывающая, станкостроительная, химическая отрасли. Такие электродвигатели применяются в установках, дымососах, мельницах, станах, грохотах, вентиляторах и т.д.

Трехфазные двигатели предназначены для работы от переменного тока с частотой 50 (60) Гц. Для обеспечения надежной работы используют обмотку статора типа "Монолит" или "Монолит-2" с классом нагревостойкости не ниже "В". Корпус электродвигателей усиленный, что, в свою очередь, понижает уровни звука и вибрации. Удельная материалоемкость и энергетические показатели находятся в оптимальном соотношении. Высоковольтные электродвигатели характеризуются также повышенной износостойкостью.

Предназначаются такие электродвигатели для привода:

• механизмов, не требующих регулирования частоты вращения – серии А4, А4 12 и 13, ДАЗО4, ДАЗО4-12, ДАЗО4-13, АОД, АОВМ, АОМ, ДАВ;
• механизмов с тяжелыми условиями пуска - серия 2АОД;
• вертикальных гидравлических насосов – серия ДВАН.

Высокооборотистые электродвигатели и их особенности

В отличие от высоковольтных электродвигателей, высокооборотные – это двигатели, количество оборотов которых равно 50 об/с или 3000 об/мин. Они имеют меньшую массу, габариты и даже стоимость, чем более тихоходные собратья одинаковой мощности.

Для применения двигателей с частой до 9000 об/мин необходимо использовать механизм с большим передаточным числом, в частности, волновой передаточный механизм. Он отличается простотой, высокой надежностью, точностью и компактностью.

Область применения высокооборотных двигателей очень широка. Сюда входят и электродвигатели для ручного гравера, и для сверла бормашины, и двигатели для автомобильной и авиационной промышленности.

Мощные электродвигатели

У обычных трехфазных электродвигателей номинальная мощность колеблется в диапазоне 120 Вт-315 кВт. Однако, как показывает практика, чем мощней электродвигатель, тем больше высота оси вала. Поэтому мощными принято считать электродвигатели больше 11 кВт. Области применения тоже довольно широкие. В частности, краново-металлургическая. Электродвигатели большой мощности также применяются в насосных агрегатах.

Высокоскоростные асинхронные электродвигатели серии CPLS

Электродвигатели CPLS производства компании специально разработаны для приложений, требующих широкого диапазонарегулирования скорости вращения и жесткими требованиями к массагабаритным параметрам.

Данные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором хорошо приспособлены для работы в режиме ослабленного поля, обеспечивая максимально широкий диапазон скоростей, который только может позволить их механическая конструкция.

Технические характеристики:

ü Диапазон мощностей: 8,5 - 400 кВт;

ü Скорость вращения: 112 - 132 габарит до 8000 об/мин; 160 -200 габарит до 6000 об/мин;

ü Степень защиты: IP23, IP54;

ü Класс изоляции: F, H;

ü Тип охлаждения: IC06, IC17, IC37;

ü Дополнительные опции: датчики обратной связи, датчики температуры PTC, PTO, подшипники с пополняемой смазкой, тормоз, аксиальный принудительный вентилятор. По требованию могут быть изготовлены специальные валы и фланцы электродвигателей.

По функциональным возможностям эти машины можно сравнить как с электродвигателями постоянного тока, так и с бесколлекторными электродвигателями. Уменьшенный момент инерции ротора обеспечивает двигателям отличные динамические показатели.

Питаемые от частотных преобразователей приложения номинальный момент (Mn) в расчетной точке (n1) и сопоставить их с графиками.

рис.1 График зависимости номинального момента (Mn ) от скорости вращения (n1 )

для электродвигателей CPLS 112M, CPLS 112L, CPLS 132S, CPLS 132M, CPLS132L,

CPLS 160S, CPLS 160M, CPLS 160L, CPLS 200S, CPLS 200M, CPLS200L

Область применения: управление намоточным и размоточным оборудованием, металлургическая промышленность, упаковочная, полиграфическая промышленность, производство кабеля, экструзионное оборудование и т.п

При шлифовании отверстий малого диаметра для обеспечения надлежащих скоростей резания требуются весьма высокие скорости вращения шлифовальных шпинделей. Так, при шлифовании отверстий диаметром 5 мм кругом диаметром 3 мм со скоростью всего лишь 30 м/сек шпиндель должен иметь скорость вращения 200 000 об/мин.

Применение в целях повышения скорости ременных передач ограничено предельно допустимыми скоростями ремня. Скорость вращения шпинделей с ременным приводом обычно не превышает 10 000 об/мин, причем ремни проскальзывают, быстро выходят из строя (через 150-300 час.) и создают вибрации во время работы.

Высокоскоростные пневматические турбинки тоже не всегда пригодны вследствие весьма значительной мягкости их механической характеристики.

Проблема создания высокоскоростных шпинделей имеет особое значение для производства шариковых подшипников, где требуется высококачественное внутреннее и желобное шлифование. В связи с этим в станкостроительной и шарикоподшипниковой промышленности применяются многочисленные модели так называемых электрошпинделей со скоростями вращения 12 000-50 000 об/мин и более.

Электрошпиндель (рис. 1) представляет собой шлифовальный шпиндель с тремя опорами и встроенным короткозамкнутым высокочастотным двигателем. Ротор двигателя помещается между двумя спорами на конце шпинделя, противоположном шлифовальному кругу.

Реже применяют конструкции с двумя или четырьмя опорами. В последнем случае вал электродвигателя соединяется со шпинделем посредством сцепной муфты.

Статор двигателя электрошпинделя собирается из электротехнической листовой стали. На нем располагается двухполюсная обмотка. Ротор двигателя при скоростях вращения до 30-50 тыс. об/мин набирается также из листовой стали и снабжается обычной коротко-замкнутой обмоткой. Диаметр ротора стремятся по возможности уменьшить.

При скоростях, больших 50 000 об/мин, вследствие значительных потерь встали, статор снабжают рубашкой с охлаждением проточной водой. Роторы двигателей, предназначенных для работы с такими скоростями, выполняют в виде сплошного стального цилиндра.

Особое значение для работы электрошпинделей имеет выбор типа подшипников. При скоростях вращения до -50 000 об/мин применяются шариковые подшипники повышенной точности. Такие подшипники должны иметь максимальный зазор, не превышающий 30 мк, что достигается надлежащей комплектовкой. Подшипники работают с предварительным натягом, создаваемым посредством тарированных пружин. Тарировке пружин предварительного натяга шариковых подшипников и выбору их посадочного натяга должно быть уделено большое внимание.

При скоростях вращения, больших 50 000 об/мин, удовлетворительно работают подшипники скольжения при интенсивном охлаждении их проточным маслом, подаваемым специальным насосом. Иногда смазку подают в распыленном состоянии.

Строились также высокочастотные электрошпиндели на 100 000 об/мин на аэродинамических опорах (подшипники с воздушной смазкой).

При производстве высокочастотных электродвигателей требуется весьма точное изготовление отдельных деталей, динамическая балансировка ротора, точная сборка и обеспечение строгой равномерности зазора между статором и ротором.

В связи с изложенным, изготовление электрошпинделей производится по специальным техническим условиям.

Рис.1. Высокочастотный шлифовальный электрошпиндель.

Коэффициент полезного действия высокочастотных двигателей относительно мал. Это объясняется наличием повышенных потерь в стали и потерь на трение в подшипниках.

Размеры и вес высокочастотных электродвигателей относительно невелики.

Рис. 2. Современный высокочастотный электрошпиндель

Применение электрошпинделей взамен приводов с ременным приводом в условиях производства шариковых подшипников увеличивает производительность труда при работе на внутришлифовальных станках не менее чем па 15-20%, резко уменьшает брак по конусности, овальности и по чистоте поверхности. Долговечность шлифовальных шпинделей увеличивается в 5-10 раз и более.

Большой интерес представляет также применение высокоскоростных шпинделей при сверлении отверстий диаметром менее 1 мм.

Частота тока, питающего высокочастотный электродвигатель, выбирается в зависимости от требуемой скорости вращения n электродвигателя по формуле

так как р = 1.

Так, при скоростях вращения электрошпинделей 12 000 и 120 000 об/мин требуются соответственно частоты 200 и 2000 Гц.

Для питания высокочастотных двигателей раньше применяли специальные генераторы повышенной частоты. Сейчас для этих целей используют статические преобразователи частоты на быстродействующих полевых транзисторах.

На рис. 3 представлен синхронный индукционный генератор трехфазного тока отечественного производства (тип ГИС-1). Как видно из чертежа, на статоре такого генератора имеются широкие и узкие пазы. Обмотка возбуждения, катушки которой размещены в широких пазах статора, питается постоянным током. Магнитное поле этих катушек замыкается через зубцы статора и выступы ротора так, как это показано на рис. 3 пунктиром.

Рис. 3. Индукционный генератор тока повышенной частоты.

При вращении ротора магнитное поле, перемещаясь вместе с выступами ротора, пересекает витки обмотки переменного тока, размещенной в узких пазах статора, и наводит в них переменную э. д. с. Частота этой э. д. с. зависит от скорости вращения и числа выступов ротора. Электродвижущие силы, наведенные тем же потоком в катушках обмотки возбуждения, взаимно компенсируются вследствие встречного включения катушек.

Питание обмотки возбуждения производится через селеновый выпрямитель, присоединенный к сети переменного тока. Как статор, так и ротор имеют магнитопроводы, изготовленные из листовой стали.

Генераторы описанной конструкции изготовляются на номинальные мощности 1,5; 3 и 6 кВт и на частоты 400, 600, 800 и 1200 Гц. Номинальная скорость вращения синхронных генераторов равна 3000 об/мин.

В быту, коммунальном хозяйстве, на любом производстве двигатели электрические являются неотъемлемой составляющей: насосы, кондиционеры, вентиляторы и пр. Поэтому важно знать типы наиболее часто встречающихся электродвигателей.

Электродвигатель является машиной, которая преобразует в механическую энергию электрическую. При этом выделяется тепло, являющееся побочным эффектом.

Видео: Классфикация электродвигателей

Все электродвигатели разделить можно на две большие группы:

• Электродвигатели постоянного тока
• Электродвигатели переменного тока.

Электродвигатели, питание которых осуществляется переменным током, называются двигателями переменного тока, которые имеют две разновидности:

• Синхронные – это те, у которых ротор и магнитное поле питающего напряжения вращаются синхронно.
• Асинхронные . У них отличается частота вращения ротора от частоты, создаваемого питающим напряжением магнитного поля. Бывают они многофазными, а также одно-, двух- и трехфазными.
• Электродвигатели шаговые отличаются тем, что имеют конечное число положений ротора. Фиксирование заданного положения ротора происходит за счет подачи питания на определенную обмотку. Путем снятия напряжения с одной обмотки и передачи его на другую осуществляется переход в другое положение.

К электродвигателям постоянного тока относят те, которые питаются постоянным током. Они, в зависимости от того, имею или нет щёточно-коллекторный узел, подразделяются на:

Коллекторные также, в зависимости от типа возбуждения, бывают нескольких видов:

• С возбуждением постоянными магнитами.
• С параллельным соединением обмоток соединения и якоря.
• С последовательным соединением якоря и обмоток.
• Со смешанным их соединением.

Электродвигатель постоянного тока в разрезе. Коллектор со щетками – справа

Какие электродвигатели входят в группу «электродвигатели постоянного тока»

Как уже говорилось, электродвигатели постоянного тока составляют группу, в которую входят коллекторные электродвигатели и бесколлекторные, которые выполнены в виде замкнутой системы, включающей датчик положения ротора, систему управления и силовой полупроводниковый преобразователь. Принцип работы бесколлекторных электродвигателей аналогичен принципу работы двигателей асинхронных. Устанавливают их в бытовых прибора, например, вентиляторах.

Что собой представляет коллекторный электродвигатель

Длина электродвигателя постоянного тока зависит от класса. Например, если речь идет о двигателе 400 класса, то его длина составит 40 мм. Отличием коллекторных электродвигателей от бесколлектрных собратьев является простота в изготовлении и эксплуатации, следовательно, и стоимость его будет более низкой. Их особенность — наличие щеточно-коллекторного узла, при помощи которого осуществляется соединение цепи ротора с расположенными в неподвижной части мотора цепями. Состоит он из расположенных на роторе контактов – коллектора и прижатых к нему щеток, расположенных вне ротора.

Ротор

Используют эти электродвигатели в радиоуправляемых игрушках: подав на контакты такого двигателя напряжение от источника постоянного тока (той же батарейки), вал приводится в движение. А, чтобы изменить его направление вращения, достаточно изменить полярность, подаваемого напряжения питания. Небольшой вес и размеры, низкая цена и возможность восстановления щеточно-коллекторного механизма делают эти электродвигатели наиболее используемыми в бюджетных моделях, несмотря на то, что он значительно уступает по надежности бесколлекторному, поскольку не исключено искрение, т.е. чрезмерный нагрев подвижных контактов и их быстрый износ при попадании пыли, грязи или влаги.

На коллекторный электродвигатель нанесена, как правило, маркировка, указывающая на число оборотов: чем оно меньше, тем скорость вращения вала больше. Она, к слову, очень плавно регулируется. Но, существуют и двигатели этого типа высокооборотистые, не уступающие бесколлекторным.

Преимущества и недостатки бесколлекторных электродвигателей

В отличие от описанных, у этих электродвигателей подвижной частью является статор с постоянным магнитом (корпус), а ротор с трехфазной обмоткой – неподвижен.

К недостаткам этих двигателей постоянного тока отнести можно менее плавную регулировку скорости вращения вала, но зато они способны за доли секунды набрать максимальные обороты.

Бесколлекторный электродвигатель помещен в закрытый корпус, поэтому он более надежен при неблагоприятных условиях эксплуатации, т.е. ему не страшны пыль и влага. К тому же, его надежность возрастает благодаря отсутствию щеток, как и скорость, с которой вращается вал. При этом, по конструкции мотор более сложен, следовательно, не может быть дешевым. Стоимость его в сравнении с коллекторным, выше в два раза.

Таким образом, коллекторный электродвигатель, работающий на переменном и на постоянном токе, является универсальным, надежным, но более дорогим. Он и легче, и меньше по размерам двигателя переменного тока той же мощности.

Поскольку электродвигатели переменного тока, питающиеся от 50 Гц (питание промышленной сети) не позволяют получать высокие частоты (выше 3000 об/мин), при такой необходимости, используют коллекторный двигатель.

Между тем, его ресурс ниже, чем у асинхронных электродвигателей переменного тока, который зависит от состояния подшипников и изоляции обмоток.

Как работает синхронный электродвигатель

Синхронные машины применяют часто в качестве генераторов. Он синхронно работают с частотой сети, поэтому он с датчиком положения инвертора и ротора, является электронным аналогом коллекторного электродвигателя постоянного тока.

Строение синхронного электродвигателя

Свойства

Эти двигатели не являются механизмами самозапускающимися, а требуют внешнего воздействия для того, чтобы набрать скорость. Применение они нашли в компрессорах, насосах, прокатных станках и подобном оборудовании, рабочая скорость которого не превышает отметки пятьсот оборотов в минуту, но требуется увеличение мощности. Они достаточно большие по габаритам, имеют «приличный» вес и высокую цену.

Запустить синхронный электродвигатель можно несколькими способами:

• Используя внешний источник тока.
• Пуск асинхронный.

В первом случае, с помощью мотора вспомогательного, в качестве которого выступать может электродвигатель постоянного тока или индукционный трехфазный мотор. Изначально ток постоянный на мотор не подается. Он начинает вращаться, достигая близкой к синхронной скорости. В этот момент подается постоянный ток. После замыкания магнитного поля, разрывается связь с вспомогательным двигателем.

Во втором варианте необходима установка в полюсные наконечники ротора дополнительной короткозамкнутой обмотки, пересекая которую магнитное вращающееся поле индуцирует токи в ней. Они, взаимодействуя с полем статора, вращают ротор. Пока он не достигнет синхронной скорости. С этого момента крутящий момент и ЭДС уменьшаются, магнитное поле замыкается, сводя к нулю крутящий момент.

Эти электродвигатели менее чувствительны, чем асинхронные, к колебаниям напряжения, отличаются высокой перегрузочной способностью, сохраняют неизменной скорость при любых нагрузках на валу.

Однофазный электродвигатель: устройство и принцип работы

Использующий после пуска только одну обмотку статора (фазу) и не нуждающийся в частном преобразователе электродвигатель, работающий от электросети однофазного переменного тока, является асинхронным или однофазовым.

Однофазовый электродвигатель имеет вращающуюся часть – ротор и неподвижную – статор, который и создает магнитное поле, необходимое для вращения ротора.

Из двух, расположенных в сердечнике статора друг к другу под углом 90 градусов обмоток, рабочая занимает 2/3 пазов. Другая обмотка, на долю которой приходится 1/3 пазов, называется пусковой (вспомогательной).

Ротор – это тоже короткозамкнутая обмотка. Его стержни из алюминия или меди замкнуты с торцов кольцом, а пространство между ними залито алюминиевым сплавом. Может быть выполнен ротор в виде полого ферромагнитного или немагнитного цилиндра.

Однофазный электродвигатель, мощность которого может быть от десятков ватт до десятка киловатт, применяются в бытовых приборах, устанавливаются в деревообрабатывающих станках, на транспортерах, в компрессорах и насосах. Преимущество их – возможность использования в помещениях, где нет трехфазной сети. По конструкции они не сильно отличаются от электродвигателей асинхронных трехфазного тока.

9000 об/мин

Говорят, это самый крутой автомобиль в истории компании Lexus. И что его преемник обязан прыгнуть выше крыши, чтобы не посрамить наследие. Говорят, звук его мотора можно слушать вместо музыки и узнать мгновенно даже за километр. Эти восторженные фанатские эпитеты - про модель LFA, первый полноценный суперкар от компании Lexus.

Динамика Lexus LFA может и не самая выдающаяся: разгон до 100 км/час - за 3,7 секунды, максимальная скорость - 326 км/час. Но машина за свою короткую жизнь поставила на треках немало рекордов (например, на Нюрбургринге) и "нахлобучивала" в дрэг-битвах немало именитых соперников. Но яркая жизнь LFA была коротка: за два года сделали всего 500 машин. Неудивительно, что поклонники так ждут продолжения...

Машину строили по знакомым канонам: больше алюминия (35%), больше карбона (65%)… А вот собираемый вручную вигатель получился уникальный. Созданный совместно с Yamaha 4,8-литровый V10 с непривычным углом развала цилиндров в 72 градуса был компактнее обычного V8 и весил меньше, чем типичный V6. Кованые поршни, титановые шатуны, клапаны и глушитель, отдельный дроссель на каждый цилиндр, мощность в 560 л.с. - и "потолок" в 9000 об/мин! Причем японские инженеры еще и отдельно настраивали "голос" мотора, чтобы был как у болидов "Формулы-1". И ведь получилось: на высоких оборотах LFA вопит чисто по-формульному!

Porsche 911 (991) GT3

Porsche 918 Spyder

9000 об/мин

9150 об/мин

В большой семье Porsche вы найдете несколько моделей, двигатели которых, кажется, вот-вот пойдут вразнос от их же собственной быстроходности. Первый - это 911 (991) GT3, выпускаемый с 2013 года. Шестицилиндровый "оппозит" объемом 3,8 литра выдает 475 л.с. и раскручивается до 9000 об/мин - спасибо почти невесомым титановым шатунам и кованым поршням. Только как раз из-за низкокачественных болтов этих самых шатунов 785 машин попали под отзывную компанию. Но нет худа без добра: в компании не стали возиться с заменой болтов - и просто поставили на спорткары новые моторы!

С ноября 2013 по июнь 2015 года Porsche выпустила 918 Spyder тиражом 918 штук ценой под миллион евро каждая. Но проблем со сбытом, как вы понимаете, у компании не было.

Вторая модель по имени 918 Spyder - уже гибридная, трехмоторная и еще более сумасшедшая. "Сердце" самого-самого Porsche в истории - атмосферный V8 объемом 4,6 литра, отдачей в 608 лошадиных сил и "отсечкой" на 9150 об/мин! И каждую ось тут еще дополнительно крутит свой электромотор. В сумме получилось 887 л.с. и 1280 Нм тяги (это больше, чем у более мощной LaFerrari), разгон до 100 км/час за 2,5 секунды и максимальная скорость в 351 км/час. Ну а дальше - минутка неудержимого хвастовства: мы сумели сами испытать потенциал этого монстра! можно почитать текстовую версию тест-драйва, а ниже мы выложили видеосюжет АвтоВестей для ТВ.

Ferrari LaFerrari

9250 об/мин

Уже ставшая легендарной LaFerrari точно заслуживает титул безумнейшей Ferrari. Самая мощная. Самая продвинутая. И самая первая гибридная модель в истории компании. От такого кощунства (променять силу чистой энергии атмосферного ДВС на помесь богини с электротележкой для гольфа!) сам Энцо Феррари наверняка в гробу перевернулся. И при этом LaFerrari сочетала в себе трудносочетаемое.

Всего 499 счастливчиков смогли купить LaFerrari, отдав за нее больше миллиона долларов.

Чуть ли не вся вылепленная из углепластика и оснащенная карбон-керамическими тормозами, она получилась воздушно легкой - всего 1,2 тонны сухой массы. Активная аэродинамика, активная подвеска, активный задний "дифф"… И более чем активный 800-сильный мотор, способный раскрутиться до 9250 об/мин. Но это не какой-то там моторчик с кулачок, а здоровенный атмосферный V12 объемом 6,2 литра! Плюс 163-сильный электромотор, встроенный в 7-ступенчатого "робота". На выходе - 350 км/час "максималки" и разгон до 100 км/час примерно за 2,5 секунды. И LaFerrari не только безумно едет, но и все так же безумно звучит, как и положено Ferrari. Если бы старик Энцо послушал и попробовал, он бы простил и возгордился...

10 000 об/мин

Компания Honda собаку съела на "крутильных" моторах - спасибо своему мотоциклетному наследию! Многие наверняка помнят сумасшедший родстер S2000 с 2-литровым "атмосферником", который выдавал 240 л.с. и крутился почти до 9000 об/мин. А вот кто помнит идейного предка этой машины?

Honda S800 выпускали с 1966 по 1970 годы, сделав 11 536 штук.

Его звали S800. Легкая, изящная спортивная двухместка в кузовах родстер или купе. Четыре цилиндра, рабочий объем всего 0,8 литра. Моторчик выдавал всего 70 л.с., но во-первых, с ним S800 стала первой "Хондой", которая разгонялась до 160 км/час. И в то время это был самый быстрый в мире серийный автомобиль с мотором объемом до 1 литра. А сам двигатель разгонялся до 10 000 об/мин, да еще с таким звуком! Забавно, что при этом в ранних S800 все еще сочетались весьма продвинутая в те годы независимая подвеска по кругу - и цепной привод задних ведущих колес. Тоже мотоциклетное наследние…