Виды электродвигателей: AC и DC, асинхронные и синхронные — какой для какой задачи?

Заглянув внутрь станка с ЧПУ, в одной машине можно увидеть три разных семейства двигателей. Простой трёхфазный асинхронный двигатель, вращающий стружечный конвейер, серводвигатели, позиционирующие оси с точностью менее миллиметра, и небольшой двигатель, приводящий насос СОЖ. Все они преобразуют электрическую энергию во вращательное движение, но не взаимозаменяемы. Знание различий между видами электродвигателей позволяет заменить вопрос «какой двигатель лучше?» вопросом «какое семейство подходит для этой задачи?».

Первое разделение: переменный или постоянный ток?

Прежде всего двигатели различаются по роду тока питания.

• Двигатели DC работают на постоянном токе. Поскольку их частота вращения легко регулируется напряжением, они долгие годы применялись в регулируемых приводах, кранах и прокатных станах. В коллекторных типах коллектор и щётки изнашиваются и требуют регулярного обслуживания. Сегодня в промышленности их в значительной мере вытеснили двигатели AC с преобразователями частоты; в аккумуляторных транспортных средствах, погрузчиках и небольших устройствах они по-прежнему широко распространены.
• Двигатели AC могут работать непосредственно от переменного тока сети. Благодаря конструкции без щёток и коллектора к этой группе относится подавляющее большинство двигателей в промышленности.

Среди двигателей AC: асинхронные и синхронные

Главный вопрос, разделяющий двигатели переменного тока, — вращается ли ротор с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле.

Асинхронный (индукционный) двигатель

Вращающееся поле, создаваемое статором, индуцирует ток в роторе и увлекает ротор за собой. Ротор вращается несколько медленнее этого поля; эта разница называется скольжением. По конструкции ротора различают два типа:

• Со стандартным (литым) ротором: В роторе находятся замкнутые накоротко алюминиевые или медные стержни. У него нет выводов наружу, щёток или контактных колец. Он прост, надёжен и недорог; подавляющее большинство таких применений, как насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры и дробилки, работают с этим двигателем.
• С фазным ротором (с контактными кольцами): Обмотки ротора выведены наружу через контактные кольца и щётки, при пуске в цепь ротора можно вводить сопротивление. Применялся в крупных приводах с очень тяжёлым пуском; с распространением преобразователей частоты и устройств плавного пуска в новых проектах встречается редко.

Синхронный двигатель

Ротор вращается точно с той же скоростью, что и вращающееся поле. Типы с постоянными магнитами в роторе (синхронные PM) обеспечивают высокий КПД и обычно работают с преобразователем. Синхронные реактивные двигатели вращаются синхронно без магнитов благодаря магнитной форме ротора. Оба типа в большинстве случаев нельзя подключить напрямую к сети без преобразователя частоты; поэтому двигатель и преобразователь выбираются вместе.

Частота вращения асинхронного двигателя зависит от числа полюсов и в сети 50 Hz для 2, 4, 6 и 8 полюсов составляет примерно 3000, 1500, 1000 и 750 об/мин. Подробности приведены в нашей статье с таблицей полюсов и частот вращения.

По типу питания: однофазные и трёхфазные

Асинхронные двигатели делятся на два типа и по подключению к сети. Однофазные двигатели работают от однофазной линии 220 V; поскольку самостоятельно они не создают пускового момента, в них используются вспомогательная обмотка и конденсатор. Их выбирают для небольших насосов, компрессоров и станков в мастерских там, где есть бытовая сеть; однофазная серия HEM Motor охватывает диапазон 0,18–5,5 кВт. Трёхфазные двигатели питаются от трёхфазной промышленной сети, достигают более высоких мощностей, создают более равномерный момент и при той же мощности имеют меньшие размеры. Какой из них выбрать, мы сравнили в статье «однофазный или трёхфазный».

Специальные двигатели для позиционирования и точного перемещения

Некоторые двигатели предназначены не для непрерывного вращения, а для поворота на определённый угол и остановки в этом положении:

• Серводвигатель: Работает с элементом обратной связи, считывающим положение вала (энкодер или резольвер), и собственным приводом. Применяется для быстрых и точных перемещений в осях ЧПУ, роботах и упаковочных машинах.
• Шаговый двигатель: При каждом импульсе поворачивается на определённый угол. Поскольку может работать без обратной связи, широко распространён в простых задачах позиционирования, 3D-принтерах и дозирующих устройствах. На высокой скорости и при высокой нагрузке может пропускать шаги.
• Бесщёточный двигатель DC (BLDC): Компактные и эффективные двигатели с электронной коммутацией. Часто встречаются в вентиляторах, небольших насосах и переносном оборудовании.

Эти двигатели продаются как система вместе со своими приводами и не используются вместо промышленного асинхронного двигателя; верно и обратное.

Собственные разновидности промышленного асинхронного двигателя

Когда выбор сделан в пользу трёхфазного асинхронного двигателя, разнообразие не заканчивается, а лишь переносится в другие плоскости. В каталоге различные версии одного и того же базового двигателя различаются следующими характеристиками:

• Класс энергоэффективности: IE3, IE4 и IE5. Потери двигателей одинаковой мощности различаются; например, для 4-полюсного двигателя 7,5 кВт граничные значения КПД составляют соответственно 90,4 %, 92,6 % и 94,0 %. Как окупается разница в инвестициях, мы рассчитали в статье «IE3 или IE4».
• Материал корпуса: Чугунный корпус выбирают для тяжёлой промышленности и сложных условий, а алюминиевый корпус — ради малого веса при отдельных небольших мощностях.
• Монтажное исполнение: На лапах (B3), фланцевое (B5, B14) или оба сразу (B35, B34); для вертикальной работы — положения V1, V5 и т. п.
• Степень защиты: IP55 стандартно; в зависимости от среды — IP44, IP56 или IP65.
• Версии для конкретных применений: двигатели для тяжёлых условий работы для нагрузок с высоким пусковым моментом, таких как дробилки и мельницы, вибродвигатели, создающие вибрацию в грохотах и питателях, мотор-редукторы там, где требуется низкая выходная частота вращения.

Пусковая характеристика двигателя также является критерием различия. Два асинхронных двигателя одинаковой мощности могут обеспечивать разный пусковой момент в зависимости от конструкции стержней ротора. Эту тему мы рассмотрели в статье о классах момента.

Какая задача — какое семейство двигателей?

Приведённое ниже соответствие — не строгое правило, а первоначальный ориентир:

• Нагрузка, непрерывно вращающаяся с постоянной частотой (насос, вентилятор, компрессор, конвейер): трёхфазный асинхронный двигатель.
• Нагрузка с часто меняющейся частотой вращения (насос с регулированием расхода, конвейер с регулированием скорости): трёхфазный асинхронный двигатель с питанием от преобразователя частоты; при ориентации на высокий КПД — двигатель PM или реактивный двигатель с соответствующим преобразователем.
• Тяжёлый и ударный пуск (дробилка, мельница): асинхронный двигатель для тяжёлых условий работы с высоким пусковым моментом.
• Медленное движение с высоким моментом (мешалка, барабан): мотор-редуктор или отдельные двигатель и редуктор.
• Точное позиционирование и быстрые пуски-остановы (робот, ось ЧПУ): сервосистема.
• Только однофазная сеть (небольшая мастерская, сельское хозяйство): однофазный двигатель.

Заключение

Хотя на первый взгляд видов электродвигателей много, большая часть задач в промышленности приходится на трёхфазный асинхронный двигатель; основной выбор делается между вариантами мощности, частоты вращения, КПД, корпуса и монтажа этого двигателя. Специальные двигатели для позиционирования и зависящие от привода следует рассматривать как отдельную систему. Версию, подходящую для вашего применения, вы можете подобрать на нашей странице трёхфазных электродвигателей.

Часто задаваемые вопросы

Какой электродвигатель чаще всего используется в промышленности?

Самый распространённый тип — трёхфазный асинхронный двигатель. Поскольку у него нет изнашивающихся деталей, таких как щётки и контактные кольца, он требует минимального обслуживания и используется в подавляющем большинстве таких применений, как насосы, вентиляторы, компрессоры и конвейеры.

В чём разница между асинхронным и синхронным двигателем?

В асинхронном двигателе ротор вращается несколько медленнее вращающегося магнитного поля и благодаря этому скольжению создаёт момент. В синхронном двигателе ротор вращается точно с той же скоростью, что и поле; такие двигатели чаще всего эксплуатируются вместе с преобразователем частоты.

Можно ли использовать асинхронный двигатель вместо серводвигателя?

Для задач с непрерывным вращением, не требующих точности позиционирования, асинхронного двигателя достаточно. Для осей, которые должны быстро поворачиваться на определённый угол и останавливаться, нужны обратная связь и привод сервосистемы; асинхронный двигатель не может выполнить эту задачу с той же точностью.

Двигатели DC больше не используются?

В регулируемых приводах в промышленности двигатели DC в значительной мере вытеснены двигателями AC с преобразователями частоты. Однако в применениях с источником постоянного тока, таких как аккумуляторные транспортные средства, погрузчики и небольшие устройства, они по-прежнему широко используются.

Трёхфазные асинхронные двигатели HEM Motor представлены моделями с алюминиевым корпусом (0,25–11 кВт) и с чугунным корпусом (0,55–355 кВт).