Недостатки линейного асинхронного двигателя

Линейные электродвигатели. Основные разновидности и их применение

Линейные электродвигатели. Основные разновидности и их применение

Назначение и типы линейных электродвигателей

Ротационные электродвигатели обычно предназначены для реализации вращательного движения рабочего механизма. Иногда эти двигатели осуществляют поступательные или возвратно-поступательные движения. Достигается это при помощи кинематических передач усложняющих конструкцию и снижающих коэффициент полезного действия привода. Применение линейных электродвигателей позволяет устранить эти недостатки.

В ротационных электродвигателях индуктор представляет собой цилиндр, внутри которого вращается ротор. В плоских линейных электродвигателях индуктор развернут на плоскости. Индуктор цилиндрического линейного электродвигателя — цилиндр, внутри которого линейно перемещаются вторичные элементы.

Основные типы линейных электродвигателей: линейные асинхронные электродвигатели, линейные синхронные электродвигатели, линейные электродвигатели постоянного тока, линейные шаговые электродвигатели. Наибольшее применение получили линейные асинхронные электродвигатели. Первичная обмотка асинхронного линейного электродвигателя возбуждает бегущее электромагнитное поле. В результате взаимодействия первичного поля и индуктируемых токов во вторичном элементе возникает тяговое усилие. Вторичный элемент прямолинейно перемещается. В линейных асинхронных электродвигателях имеют место ухудшающие характеристики краевые эффекты. Разомкнутость магнитной цепи в продольном направлении вызывает продольный краевой эффект. Увеличение числа полюсов индуктора снижает продольный краевой эффект. Наличие на краях вторичного элемента продольных составляющих токов, не создающих полезное тяговое усилие — поперечный краевой эффект. Увеличение ширины вторичного элемента снижает влияние поперечного краевого эффекта. Итак, принцип действия как ротационных, так и линейных электродвигателей имеет одну и ту же физическую природу.

Применение линейных электродвигателей

Линейные электродвигатели применяются там, где они упрощают конструкцию, повышают производительность машин и оборудования, или в тех случаях, когда использование ротационных электродвигателей по их характеристикам невозможно. Применение линейных электродвигателей наиболее перспективно в промышленном и пассажирском транспорте. В конвейерных поездах индукторы электропривода расположены вдоль рельсового пути, вторичный элемент электродвигателя находится на подвижном составе. Такие поезда удобны при транспортировке угля, руды и строительных материалов. На примере системы городского эстакадного пассажирского транспорта показан другой вариант исполнения линейного электродвигателя, где вторичный элемент установлен вдоль пути в виде токопроводящей вертикальной полосы. А индукторы установлены в движущемся вагоне. Линейные асинхронные электродвигатели широко применяются в приводах различных исполнительных механизмов и устройств. В приводах разъединителей тяговых подстанций цилиндрический линей электродвигатель существенно упрощает конструкцию, повышает быстродействие и эксплуатационную надежность оборудования.

В ряде случаев, вторичным элементом двигателя может быть и деталь рабочего механизма. Привод поворотного стола манипулятора осуществлен на базе плоских линейных электродвигателей, что обеспечивает высокую точность углового позиционирования стола и существенно упрощает механическую часть устройства. В отдельных случаях, линейные асинхронные электродвигатели могут эффективно выполнять сразу несколько целевых функций. Литейная карусельная машина. Ее привод реализован на линейных электродвигателях плоского исполнения. Он может перемещать и при технологической необходимости подогревать из ложницы. Коэффициент полезного действия таких приводов значительно выше, чем КПД приводов с одной целевой функцией.

Принцип работы линейного асинхронного электродвигателя может быть использован при создании других электромагнитных устройств, например в сепараторах цветных металлов. Линейные электродвигатели успешно применяются в различных системах внутрицехового транспорта. Основными преимуществами линейных электродвигателей являются возможность получения непосредственного прямолинейного движения, больших скоростей и ускорений, простота конструкции, бесшумность и надежность работы. Развитие микропроцессорной техники и разработка новых средств управления позволяют постоянно расширять области эффективного применения линейных электродвигателей.



Асинхронный линейный двигатель

движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте. Например, статор неподвижно закреплен под полом вагона, а вторичный элемент представляет собой металлическую полосу между рельс, а иногда вторичным элементом служат сами рельсы. Одной из разновидностей линейных асинхронных двигателей являются трубчатый (коаксиальный) двигатель. Статор такого двигателя имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки (обмотки статора) и металлические шайбы, являющиеся частью магнитопровода. Катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуцирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создает на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закрепленном статоре) движение вторичного элемента в этом направлении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока во вторичном элементе в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление.

Магнитный двигатель своими руками: как сделать

Практически все в нашей жизни зависит от электричества, но существуют определенные технологии, которые позволяют избавиться от локальной проводной энергии. Предлагаем рассмотреть, как сделать магнитный двигатель своими руками, его принцип работы, схема и устройство.

Типы и принципы работы

Существует понятие вечных двигателей первого порядка и второго.

Первый порядок – это устройства, которые производят энергию сами по себе, из воздуха, второй тип – это двигатели, которым необходимо получать энергию, это может быть ветер, солнечные лучи, вода и т.д., и уже её они преобразовывают в электричество.

Читайте также:  Работа двухвальной коробки передач

Согласно первому началу термодинамики, обе эти теории невозможны, но с таким утверждением не согласны многие ученые, которые и начали разработку вечных двигателей второго порядка, работающих на энергии магнитного поля.

Фото – Магнитный двигатель дудышева

Над разработкой «вечного двигателя» трудилось огромное количество ученых во все времена, наиболее большой вклад в развитие теории о магнитном двигателе сделали Никола Тесла, Николай Лазарев, Василий Шкондин, также хорошо известны варианты Лоренца, Говарда Джонсона, Минато и Перендева.

Фото – Магнитный двигатель Лоренца

У каждого из них своя технология, но все они основаны на магнитном поле, которое образовывается вокруг источника. Стоит о двигателей не существует в принципе, т.к. магниты теряют свои способности приблизительно через 300-400 лет.

Самым простым считается самодельный антигравитационный магнитный двигатель Лоренца. Он работает за счет двух разнозаряженных дисков, которые подключаются к источнику питания. Диски наполовину помещаются в полусферический магнитный экран, поле чего их начинают аккуратно вращать. Такой сверхпроводник очень легко выталкивает из себя МП.

Простейший асинхронный электромагнитный двигатель Тесла основан на принципе вращающегося магнитного поля, и способен производить электричество из его энергии. Изолированная металлическая пластина помещается как можно выше над уровнем земли.

Другая металлическая пластина помещается в землю. Провод пропускается через металлическую пластину, с одной стороны конденсатора и следующий проводник идет от основания пластины к другой стороне конденсатора.

Противоположный полюс конденсатора, будучи подключенным к массе, используется как резервуар для хранения отрицательных зарядов энергии.

Фото – Магнитный двигатель Тесла

Роторный кольцар Лазарева пока что считается единственным работающим ВД2, кроме того, он прост в воспроизведении, его можно собрать своими руками в домашних условиях, имея в пользовании подручные средства. На фото показана схема простого кольцевого двигателя Лазарева:

Фото – Кольцар Лазарева

На схеме видно, что емкость поделена на две части специальной пористой перегородкой, сам Лазарев применял для этого керамический диск. В этот диск установлена трубка, а емкость заполнена жидкостью. Вы для эксперимента можете налить даже простую воду, но желательно применять улетучивающийся раствор, к примеру, бензин.

Работа осуществляется следующим образом: при помощи перегородки, раствор попадает в нижнюю часть емкости, а из-за давления по трубке перемещается наверх. Это пока что только вечное движение, не зависящее от внешних факторов. Для того чтобы соорудить вечный двигатель, нужно под капающей жидкостью расположить колесико.

На основе этой технологии и был создан самый простой самовращающийся магнитный электродвигатель постоянного движения, патент зарегистрирован на одну российскую компанию. Нужно под капельницу установить колесико с лопастями, а непосредственно на них разместить магниты.

Из-за образовавшегося магнитного поля, колесо начнет вращаться быстрее, быстрее перекачиваться вода и образуется постоянное магнитное поле.

Рассмотрим процесс управления в каждом случае

ШВП и реечная передача содержат большое количество элементов, способных со временем подвергаться износу: вал, шкив, винт, шарики, гайку и т.п. Линейный двигатель в свою очередь содержит только ротор и статор, разделенные воздушны зазором. Между источником энергии и рабочим органом не располагается никаких промежуточных элементов, а передача энергии осуществляется через воздушный зазор. Благодаря отсутствию механических сочленений линейный привод лишен механических люфтов.

В силу меньшего количества этапов преобразования электрической энергии в поступательное движение, линейный привод обладает лучшим КПД, нежели привод на ШВП или зубчатой рейке.

Принцип работы электродвигателя

> Теория > Принцип работы электродвигателя

Принцип работы электродвигателя основан на использовании эффекта электромагнитной индукции. Само устройство предназначено для создания механической энергии за счёт использования электрических полей. Тип и мощность получаемой энергии зависят от способа взаимодействия магнитных полей и собственно устройства электродвигателя. В зависимости от типа используемого напряжения двигатели классифицируют на постоянного и переменного тока.

Электродвигатель постоянного тока

Принцип действия этих двигателей основан на использования постоянных магнитных полей, создаваемых в корпусе устройства. Для их создания служит либо постоянный магнит, закреплённый на корпусе, либо электромагниты, расположенные по периметру ротора.

Основным отличием двигателей постоянного тока является наличие в их корпусе постоянно действующего магнита, закреплённого на корпусе машины. Мощность электродвигателя зависит от этого магнита, точнее от его поля. Магнитное поле в якоре создаётся при подключении к нему постоянного тока. Но для этого необходимо, чтобы полюса постоянного магнитного поля якоря менялись местами. Для этого используются специальные коллекторно-щёточные устройства.

Они устроены в виде кольца-коллектора, зафиксированного на валу движка и подключённого к обмотке якоря. Кольцо разделено на сектора, разделённые диэлектрическими вставками. Соединение сектора коллектора с цепью якоря создаётся через скользящие по нему графитные щетки. Для более плотного контакта щётки прижимаются к кольцу коллектора пружинами. Графит применяется ввиду своей скользящей способности, высокой теплопроводности и мягкости.

Его применение практически не вредит проводникам коллектора.

При большой мощности электромоторов постоянного тока использование постоянного магнита неэффективно из-за большого веса такого устройства и низкой мощности создаваемого постоянным магнитом поля.

Для создания магнитного поля статора в этом случае используется конструкция из ряда катушечных электромагнитов, подключённых к отрицательной или положительной линии питания.

Одноименные полюсы подключаются последовательно, их количество составляет от одного до четырёх, количество щёток соответствует количеству полюсов, но, в общем, конструкция якоря практически идентична вышеописанной.

Для упрощения запуска электрического двигателя используют два варианта возбуждения:

Читайте также:  Нормальная работа двигателя лачетти

Сравнение характеристик различных типов приводов

Износ

В отличие зубчатой передачи и координатных систем на ШВП, линейный привод не содержит механических компонентов, поэтому обладает высокой степенью надежности и не подвержен износу.

Люфты

Механические люфты системы напрямую влияют на повторяемость позиционирования координатной системы. В силу большего количества механических сочленений координатные системы на ШВП и зубчатой рейке имеют большую величину механического люфта, тогда как координатные системы на линейном приводе лишены механических люфтов.

Точность на длинных ходах

Точность на длинных ходах в случае координатной системы на линейном приводе определяется точностью системы обратной связи по положению (магнитной или оптической линейкой), а также точностью установки портала (прямого угла) и самой системы слежения. В случае координатных систем на основе ШВП или зубчатой рейки, точность определяется качеством изготовления станины и установки направляющих. В обоих случаях, чтобы компенсировать отклонения на больших ходах, требуется калибровка координатной системы при помощи лазерного интерферометра. При отсутствии надлежащего качества производства и инженерно-технических возможностей для калибровки координатной системы, использованием прямого (линейного) привода является более предпочтительным в силу своей простоты.

Динамика

Координатные системы на базе ШВП и зубчатой рейки значительно уступают линейному приводу в том, что касается динамических характеристик. Основной причиной этому являются их конструктивные и технологические особенности (большое количество промежуточных элементов, зазоры, резко меняющееся трение во множестве сопрягаемых деталей, погрешности в шаге винта и многое другое). Все это со временем сказывается на динамических характеристиках станка.

В свою очередь, в системах с линейным приводом решены вопросы обеспечения требуемых динамических характеристик как при управлении траекторией движения, так и при обеспечении должной точности позиционирования.

Надёжность

В силу меньшего количества механических компонентов и сочленений система на линейном приводе обеспечивает наиболее высокий уровень надёжности. Однако, всегда следует помнить, что привод является не единственным компонентом станка лазерной резки, и следует оценивать общую надёжность системы в целом.

Точность контурных перемещений мало зависит от типа привода и определяется в первую очередь механической жёсткостью конструкций координатной системы (в т.ч. портала), а также частотным ответом координатной системы (который, в свою очередь, зависит от конструктивных особенностей портала, крепления головки и других компонентов).

Точность контурных перемещений также связана с динамическими характеристиками координатной системы. Установив мощный привод можно добиться высокой динамики на холостых ходах (с отключенным инструментом), но для обеспечения точности, если конструкция станка недостаточно жёсткая, требуется значительное понижение значений ускорений и торможений.

Стоимость

Координатная система на линейном приводе дороже, чем координатная система на ШВП или зубчатой рейке. Это объясняется тем, что для прямого привода требуется длинная «магнитная дорога», вдоль которой и движется привод, собранная из мощных неодимовых магнитов. В то время как у обычного серводвигателя количество таких магнитов значительно меньше и они находятся на роторе, который поворачивается множество раз в пределах рабочего хода координаты.

Таблицу можно прокручивать влево/вправо

Координатная система на ШВП Координатная система на зубчатой рейке Линейный двигатель
Подвержена износу. Высокий износ при некачест­венном изготовлении. Подвержена износу. Высокий износ при некачест­венном изготовлении. Отсутствие изнашиваемых компонентов.
Наличие люфтов в тележках и приводе, влияющих на точность. Наличие люфтов в тележках и приводе, влияющих на точность. Отсутствие механических люфтов.
Снижение точности на длинных ходах. Снижение точности на длинных ходах. Высокая точность на любых ходах.
Средняя динамика. Высокая динамика перемещения (при использовании мощного привода). Высокая динамика перемещения (при использовании мощного привода).
Высокая надёжность при должном качестве изготовления. Высокая надёжность при должном качестве изготовления. Высокая надёжность.
Средняя стоимость. Средняя стоимость. Высокая стоимость.

Выводы

Линейный привод обладает рядом неоспоримых преимуществ, по сравнению с ШВП или реечной передачей. Сам по себе линейный привод увеличивает срок службы оборудования, повышает точность координатной системы и динамику перемещений.

При этом нельзя утверждать, что использование ШВП и зубчатой рейки больше не актуально в современном станкостроении. При должном качестве изготовления, данные схемы перемещения хорошо характеризуют себя в технике начального уровня — маломощных станках, для которых не предъявляется высоких требований к скорости и количеству выпускаемой продукции. Тем не менее, для станков более высокого уровня — линейный привод по-прежнему остается наиболее эффективным решением, обеспечивающим высокую динамику и прецизионную точность позиционирования.

Компания Unimach производит станки на всех трёх типах приводов: ШВП, зубчатой рейке и линейном (прямом) приводе, что позволяет всегда предложить наиболее эффективное решение с точки зрения цены, производительности и надёжности для каждой задачи.

Источник

Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, виды

Одним из наиболее распространенных типов электрических машин в мире является асинхронный электродвигатель. За счет высокой надежности и неприхотливости в работе такие агрегаты получили широкое распространение в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, они помогают решать бытовые и общепроизводственные задачи любой сложности. Поэтому в данной статье мы детально рассмотрим особенности асинхронных двигателей.

Устройство

Конструктивно простейшая асинхронная машина представляет собой рамку, вращающуюся в переменном магнитном поле. Однако на практике данная модель носит скорее ознакомительный характер и практического применения в промышленности не имеет. Поэтому на рисунке 1 ниже мы рассмотрим устройство действующей модели асинхронного электродвигателя.

Устройство асинхронного электродвигателя

Рис. 1. Устройство асинхронного электродвигателя

Весь двигатель располагается в корпусе станины 7, ее основная задача состоит в обеспечении достаточной механической прочности, способной выдерживать достаточные усилия. Поэтому чем выше мощность агрегата, тем большей прочностью должна обладать станина и корпус.

Читайте также:  Подогрев с моторчиком двигателя

Внутрь корпуса устанавливается сердечник статора 3, выступающий в роли магнитного проводника для силовых линий рабочего поля. С целью уменьшения потерь в стали магнитопровод выполняется наборным из шихтованных листов, однако в ряде моделей применяется и монолитный вариант.

В пазы сердечника статора укладывается обмотка 2, предназначенная для пропуска электрического тока и формирования ЭДС. Число обмоток будет зависеть от количества пар полюсов на каждую фазу. Также в части уложенных обмоток электродвигатели подразделяются на:

Внутри статора располагается подвижный элемент – ротор 6. По конструкции ротор может быть короткозамкнутым или фазным, на рисунке приведен первый вариант. В состав ротора входит сердечник 5, также набранный из шихтованной стали и беличья клетка 4. Вся конструкция насажена на металлический вал 1, передающий вращение и механическое усилие.

Принцип работы

Заключается в формировании электромагнитного поля вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. Для асинхронного электродвигателя данный процесс начинается сразу после подачи напряжения на обмотки статора, после чего в роторе наводится ЭДС взаимоиндукции, индуцирующей вихревые токи в металлическом каркасе. Наличие вихревых токов обуславливает генерацию собственной ЭДС, которая формирует электромагнитное поле ротора. Наиболее эффективный КПД асинхронной электрической машины получается при работе от трехфазной сети.

Конструктивно обмотки статора имеют смещение в пространстве друг относительно друга на 120°, что показано на рисунке 2 ниже:

Геометрическое смещение фаз в статоре

Рис. 2. Геометрическое смещение фаз в статоре

Такой прием позволяет отстроить магнитное поле рабочих обмоток в строгом соответствии с напряжением трехфазной сети, которое имеет аналогичную разность кривых электрической величины.

Принцип формирования магнитного потока асинхронного двигателя

Рис. 3. Принцип формирования магнитного потока асинхронного двигателя

На рисунке 3 выше все три фазы изображены в разных цветах для упрощения понимания процесса, также здесь изображена кривая токов, протекающих в фазах асинхронного электродвигателя. Теперь рассмотрим физические процессы в обмотках двигателя для трех позиций показанных на рисунке:

По данному принципу магнитное поле статора вращается в асинхронной электрической машине в течении периода. За счет магнитного взаимодействия с полем статора асинхронного электродвигателя происходит поступательное движение ротора вокруг своей оси. Можно сказать, что ротор пытается догнать поле статора. Именно за счет разницы во вращении полей данный тип электрической машины получил название асинхронной.

Отличие от синхронного двигателя

Наряду с простыми асинхронными электрическими машинами в промышленности также используются и синхронные агрегаты. Основным отличием синхронного двигателя является наличие вспомогательной обмотки на роторе, предназначенной для создания постоянного магнитного потока, что показано на рисунке 4 ниже.

Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Рис. 4. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Эта обмотка создает магнитный поток, не зависящий от наличия электродвижущей силы в обмотках статора электродвигателя. Поэтому при возбуждении синхронного электродвигателя его вал начинает вращаться одновременно с полем статора. В отличии от асинхронного типа, где существует разница в движении, которая физически выражается как скольжение и рассчитывается по формуле:

где s – это величина скольжения, измеряемая в процентах, n1 – частота, с которой вращается поле статора, n2 – частота, с которой вращается ротор.

Синхронные электродвигатели применяются в тех устройствах, где важно соблюдать высокую точность синхронизации подачи питания и начала движения. Также они обеспечивают сохранение рабочих характеристик в момент пуска.

По количеству питающих фаз выделяют:

По типу ротора различают:

По способу подачи питания:

Способы пуска и схемы подключения

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором обладает низкой себестоимостью, большими пусковыми токами и низким усилием на старте. Поэтому для различных целей могут применять различные способы пуска, снижающие бросок тока в обмотках и улучшающие рабочие характеристики:

Однофазного асинхронного двигателя.

Для асинхронного однофазного электродвигателя могут использоваться три основных способа пуска:

Трехфазного асинхронного двигателя.

Способы пуска трехфазного электродвигателя

Трехфазные асинхронные агрегаты могут подключаться такими способами:

Помимо этого трехфазные асинхронные двигатели могут использовать прямую и реверсивную схему включения в цепь. Первый вариант применяется только для вращения вала электродвигателя в одном направлении. В реверсивной схеме можно переключать движение рабочего органа в прямом и обратном направлении.

Прямая схема без возможности реверсирования

Рис. 9: прямая схема без возможности реверсирования

Рассмотрим нереверсивную схему пуска асинхронного электродвигателя (рисунок 9). Здесь, через трехполюсный автомат QF1 питание подается на пускатель KM1. При нажатии кнопки SB2 произойдет подача напряжения на обмотки электродвигателя, его остановка осуществляется кнопкой SB1. Тепловое реле KK1 применяется для контроля температуры нагрева, а лампочка HL1 сигнализирует о включенном состоянии контактора.

Схема прямого включения с реверсом

Рисунок 10: схема прямого включения с реверсом

Реверсивная схема (смотрите рисунок 10) устроена аналогичным образом, но в ней используются два пускателя KM1 и KM2. Прямое включение асинхронного электродвигателя производиться кнопкой SB2, а обратное SB3.

Применение

Область применения асинхронных электродвигателей охватывает достаточно большой сегмент хозяйственной деятельности человека. Поэтому их можно встретить в различных типах станочного оборудования – токарных, шлифовальных, фрезерных, прокатных и т.д. В работе грузоподъемных кранов, талей, тельферов и прочих механизмов.

Их используют для лифтов, горнодобывающей техники, землеройного оборудования, эскалаторов, конвейеров. В быту их можно встретить в вентиляторах, микроволновках, хлебопечках и прочих вспомогательных устройствах. Такая популярность асинхронных электродвигателей обусловлена их весомыми преимуществами.

Преимущества и недостатки

К преимуществам асинхронных электродвигателей, в сравнении с другими типами электрических машин следует отнести:

Основными недостатками асинхронного электродвигателя являются относительно большие пусковые токи и слабый пусковой момент, что в определенной степени ограничивает сферу прямого включения. Также асинхронные электродвигатели обладают низким коэффициентом мощности и сильно зависят от параметров питающего напряжения.

Видео по теме

Источник