Назначение электродвигателя заключается в преобразовании электрической энергии в механическую энергию. Практически в любом механизме, где требуется механическое вращение, есть электродвигатель.
Электрические машины бывают разных типов, но главное отличие заключается в том, как работает двигатель (рисунок ниже). В двигателях переменного тока питание поступает от источника переменного напряжения (сеть переменного напряжения, частотный преобразователь) в то время как двигатели постоянного тока получают постоянный ток от других источников, таких как батареи или выпрямитель. Помимо этих двух основных отличий, двигатели могут содержать щетки или быть бесщеточными, а также могут иметь различное количество фаз и механизмов охлаждения.
Универсальный двигатель — это особый тип электродвигателя, который может работать как от переменного, так и от постоянного тока.
Электродвигатели обречены, потому что они неэффективны
Этот миф стоит на вершине списка просто потому, что не является далеким от истины. По оценкам состояния на 2019 год во всем мире используется более 300 миллионов электрических машин — эта цифра по-прежнему растет примерно на 10% в год. К 2030 году это число практически удвоится. Чтобы удовлетворить растущий в мире спрос на электрические устройства, потребители и производители по-прежнему имеют высокий спрос на электродвигатели. Хотя большинство двигателей по-прежнему крайне неэффективны, ситуацию можно значительно улучшить с помощью драйверов двигателей и контроллеров.
Исследования показывают, что около 45% электроэнергии в мире и 69% всей промышленной энергии потребляется электродвигателями, что в сумме составляет почти 16 млрд. кВтч. Для сравнения: энергосберегающее светодиодное освещение обеспечивает всего 19% мирового потребления электроэнергии. Работа по повышению эффективности электроприводов дает возможность сэкономить 1,8 млрд. кВт/ч, что эквивалентно выводу из эксплуатации около 250 ядерных реакторов.
Коллекторные (щеточные) двигатели постоянного тока будут заменены на бесколлекторные двигатели постоянного тока
Простая конструкция и простота использования щеточных машин постоянного тока затрудняют их полную замену. Для сравнения, недостатки бесколлекторных маиин постоянного тока (BLDC) заключаются в том, что они намного сложнее и требовательнее в управлении. Если учитывать более низкую стоимость проектирования, тестирования и изготовления внешнего интерфейса, а также их общую надежность, то двигатели постоянного тока часто оказываются более привлекательным вариантом. Однако в конструкциях, где электромагнитные помехи являются проблемой или точность важнее стоимости, двигатели BLDC имеют приоритет.
Все двигатели постоянного тока в основном одинаковы
На рынке представлено много разных типов двигателей постоянного тока. BLDC-двигатели и коеекторные двигатели постоянного тока обсуждались выше, но есть еще один основной тип: шаговый двигатель, который обеспечивает выходную мощность в зависимости от полученного импульса . Шаговые двигатели надежны и безопасны, но их крутящий момент уменьшается при повышении скорости. Кроме того, имеется реактивный двигатель, недорогой асинхронный двигатель, который может работать с постоянно высокой скоростью в течение длительных периодов времени после запуска.
Двигатели постоянного тока лучше, чем двигатели переменного тока
Правильный ответ, какой тип машины лучше, зависит от ряда факторов. В то время как двигатели постоянного тока обычно обеспечивают более высокий крутящий момент и выделяют меньше тепла, они имеют существенный недостаток — коллекторный узел (щетки необходимо периодически и менять, и они очень чувствительны к перегрузкам). И если вы надеетесь устранить этот недостаток использованием разновидности BLDC, то это еще больше увеличивает сложность системы. С другой стороны, хотя машины переменного тока требуют минимального технического обслуживания и требуют меньше энергии при запуске, они, как правило, более шумные и более подвержены нагреву. Другие недостатки включают в себя плохое управление позиционированием и меньший пусковой момент.
Двигатели переменного и постоянного тока очень близки по цене
Процесс выбора электрической машины будет зависеть от таких переменных, как применение, стоимость, время выхода на рынок и операционная среда. Инженеру-проектировщику необходимо будет задать ряд вопросов, таких как то, как будет управляться машина, требуемая точность позиционирования, физический размер и монтажное положение (вертикальное или горизонтальное), требования к крутящему моменту, требования к скорости вращения и доступный источник питания. Все эти факторы определяют истинную стоимость двигателя — будь то машина переменного или постоянного тока — только один из них.
Высокоэффективные двигатели переменного и постоянного тока экономят больше денег
Как правило, чем дороже двигатель, тем он эффективнее, что снижает эксплуатационные расходы в долгосрочной перспективе. Но хотя наиболее энергоэффективными двигателями в настоящее время на рынке являются бесколлекторные машины постоянного тока, они также являются самыми дорогими в производстве и управлении. Одно из решений состоит в том, чтобы использовать тот же метод привода, как и для двигателей BLDC для машин переменного тока (преобразователи частоты), тем самым повышая эффективность, но сохраняя общую стоимость системы электропривода несколько ниже, чем у полной системы BLDC.
Бесколлекторные двигатели почти так же эффективны, как и коллекторные машины постоянного тока
У каждого щёточного электродвигателя постоянного тока есть коллекторный узел (щетки). Эти электрические контакты, соединенные с внутренним валом через коллектор, вращаются, тем самым меняя полярность на якоре электрической машины, что и приводит ее во вращение. Как следует из названия, двигатель BLDC не содержит щеток. Катушки намотаны на постоянные магниты вокруг ротора, а вал вращается через электронный контроллер, который работает с датчиком положения ротора. Поэтому двигатель BLDC может быть на 90% более эффективным, поскольку он не требует питания для коммутатора или щеток.
Двигатели переменного тока лучше, потому что они не требуют преобразования в переменного тока в постоянный
Двигатели переменного тока, как правило, дешевле и проще, за исключением случаев, когда требуется более высокая мощность и напряжение. Несмотря на то, что рынок двигателей переменного тока больше, все еще непросто найти решения с номинальной мощностью в несколько лошадиных сил и более низким напряжением. В связи с растущей потребностью в электрических машинах с напряжением питания ниже 200 В постоянного тока, машины переменного тока не могут использоваться в этой области. В настоящее время есть место для технологий переменного и постоянного тока, поэтому обе технологии будут с нами в течение некоторого времени и будут фактически дополнять друг друга на рынке электроприводов.
Шаговыми электродвигателями легче управлять
Шаговые двигатели имеют больше обмоток и механических зубьев, которые делают их чрезвычайно точными, и они неоценимы для приложений, где точность позиционирования является главным приоритетом. Тем не менее, двигатели постоянного тока и BLDC по-прежнему проще и дешевле в управлении. Когда-то управление шаговым двигателем было одним из самых сложных аспектов теории и практики управления электрической машиной, но теперь, с улучшением скорости и мощности микропроцессора, в этом отношении их стало намного проще. Тем не менее, степперы все же сложнее управлять в целом.
Двигатели переменного и постоянного тока могут работать на любой скорости
Скоростные характеристики двигателей постоянного и переменного тока обычно основаны на простой формуле: число полюсов, частота линии и приложенное напряжение. Поэтому двигатели переменного тока имеют значительные ограничения скорости по сравнению с двигателями постоянного тока, так как их скорость зависит от частоты сети. Однако для асинхронных двигателей переменного тока можно использовать частотно-регулируемые электроприводы для генерации диапазона различных частот. Для двигателей бесщеточных двигателей (BLDC) широтно-импульсная модуляция (ШИМ) может использоваться для управления напряжением двигателя.
Выбрать электродвигатель для любого приложения легко
В прошлом выбор электродвигателя регулировался главным образом напряжением, током, скоростью и температурой. В наши дни, однако, двигатели намного сложнее, и на рынке доступно множество вариантов. Важно помнить, что выбор двигателя, основанного исключительно на цене, упаковке или производительности, не позволит разработчику оптимизировать наиболее эффективный дизайн для приложения. И в случае сомнений всегда обращайтесь к представителю производителя двигателя с хорошей репутацией, чтобы выбрать машину, которая наилучшим образом соответствует требованиям.
