Как правильно выбрать электрический двигатель

Электродвигатель позволяет выполнять различные типы движений: быстрые, точные, непрерывные, с переключением передач или без него. Каждый из этих типов отвечает требованиям различных областей применения.

1. В первую очередь, необходимо выбрать одну из трех основных групп электродвигателей :
   • Асинхронный двигатель AC (монофазовый или трехфазовый)
   • Синхронный двигатель : двигатель DC (с постоянным током), бесщеточный и т.д.
   • Шаговый двигатель

2. Для этого необходимо учитывать предполагаемое применение, поскольку именно от этого зависит, какой тип двигателя будет наиболее подходящим:
   • Если вы хотите, чтобы ваш двигатель работал непрерывно и без переключения передач, то следует выбрать асинхронный двигатель.
   • Для приложений, требующих высокого ускорения, лучше всего подойдет синхронный двигатель.
   • Наконец, для точного позиционирования лучше выбрать шаговый двигатель.

3. В зависимости от необходимого движения вам нужно будет определить технические характеристики и размеры двигателя:
   • Что касается технических характеристик, то необходимо определить мощность, крутящий момент и скорость двигателя.
   • При определении размера следует учитывать габаритность (размер двигателя) и тип монтажа (способ крепления двигателя в системе).

4. Выбор типоразмеров и надежности двигателя также зависит от промышленной среды, в которой будет использоваться двигатель:
   • Существует конструкция, адаптированная к любому типу рабочей среды (взрывоопасность, влажность, коррозийность, высокие температуры…).
   • Для особо сложных условий окружающей среды существуют двигатели с армированными, герметичными, ударопрочными или грязестойкими корпусами.

5. Наконец, при выборе двигателя все большее значение приобретает энергетическая эффективность:
   • Электродвигатель, потребляющий меньше энергии, позволит уменьшить расходы на электричество.

Эти два типа двигателей имеют разную конструкцию:

• Основное различие заключается в источнике питания: переменный ток (однофазный или трехфазный) и постоянный ток (CC/DC), например, для аккумуляторов.
• Скорость является еще одной отличительной чертой. Скорость двигателя DC регулируется изменением тока в двигателе, в то время как скорость двигателя AC регулируется изменением частоты, как правило, с помощью преобразователя частоты.

1. Двигатели AC :

Двигатели AC являются самыми используемыми двигателями в промышленности, потому что они имеют целый ряд преимуществ:

• Простая конструкция.
• Экономичность за счет меньшего потребления при запуске.
• Прочность, а следовательно, более длительный срок службы.
• Отсутствие технического обслуживания.

Их функционирование включает синхронизацию между вращением ротора и частотой тока, скорость двигателей AC остается постоянной. Они особенно подходят для типов использования, требующих постоянного движения и незначительного изменения скорости. Насосы, конвейеры и вентиляторы являются идеальной сферой применения для данного типа двигателя.

Они также могут быть интегрированы в системы, не требующие высокой точности, если они используются с переменной скоростью.

С другой стороны, функции регулирования скорости повышают цену двигателя.

Двигатели AC подразделяются на две группы: монофазные двигатели и трехфазовые двигатели.

• Монофазные двигатели отличаются:
  • Электрической мощностью (в кВт), которая будет определять крутящий момент.
  • Количеством полюсов, которое определит скорость вращения.
  • Способом монтажа: фланец (B14, B5) или кронштейн (B3).
  • Высокой эффективностью.
  • Меньшей мощностью, чем промышленные двигатели.
  • Возможностью их использования в быту.
• Трехфазовые двигатели отличаются:
  • Конструкцией, которая позволяет передавать гораздо большую электрическую мощность, чем однофазный электродвигатель.
  • Использованием в промышленной среде (примерно 80%).
  • Их использование для инфраструктур и оборудования требует высокой мощности.

2. Двигатели DC :

Двигатели DC также очень распространены в промышленности, поскольку имеют важные преимущества в зависимости от конструкции (см. раздел о бесщеточном двигателе):

• Они точные и быстрые.
• Их скорость можно регулировать путем изменения напряжения питания.
• Они просты в установке, даже в мобильных (работающих на аккумуляторе) системах.
• Высокий пусковой момент.
• Запуск, остановка, ускорение или реверсирование выполняется быстро.

Они отлично подходят для приложений, требующих больших ускорений и большой точности, как в случае с лифтами, или для приложений, связанных с работой роботов или станков.
Они также могут быть интересны для применений, требующих высокой мощности (например, 10 000 кВт).

Однако, в зависимости от конструктивных особенностей, они имеют некоторые недостатки по сравнению с двигателями AC:

• Они менее распространены, потому что они менее пригодны для применений, требующих высокой мощности.
• Они состоят, в основном, из изнашивающихся деталей, замена которых является дорогостоящей.

3. Каковы сегодня тенденции на рынке?

• Щеточные двигатели DC все меньше используются в промышленности. Для маломощных двигателей вместо них используются двигатели AC, которые не требуют особого технического обслуживания при эквивалентном использовании.
• Поскольку детали двигателей DC слишком дороги, некоторые производители предпочитают двигатели AC, в которые они интегрируют электрический контроллер.
  • Комбинация асинхронного двигателя и преобразователя частоты стала экономически эффективным решением для большинства приложений, требующих изменения частоты вращения.

Двумя наиболее распространенными типами двигателей DC являются щеточные и бесщеточные двигатели.

1. Щеточные двигатели

Щеточные двигатели являются самыми простыми и часто используемыми двигателями, особенно для промышленного оборудования и в случае ограниченного бюджета.

• Щеточные двигатели имеют свои преимущества:
• Простота в управлении.
• Крутящий момент на низких оборотах.
• Низкая цена.

В зависимости от области применения существуют четыре типа щеточных двигателей.

• Классический двигатель с возбуждением:
  • В этом типе двигателя статор соединен последовательно с ротором, а частота вращения регулируется изменением напряжения питания.
  • Однако, такое регулирование частоты вращения довольно плохое: скорость падает, как только крутящий момент на двигателе увеличивается.
  • Этот тип двигателя подходит для использования там, где требуется высокий пусковой момент, например, автомобили или краны.
• Двигатели шунтового возбуждения:
  • В этом типе двигателя статор подключается параллельно ротору, что позволяет увеличить крутящий момент без снижения частоты вращения при увеличении тока двигателя.
  • Этот тип двигателя подходит для работы на постоянной скорости, например, в пылесосах или конвейерах.
• Двигатели со смешанным возбуждением:
  • Данный тип двигателя сочетает в себе структуру классических двигателей с возбуждением и двигателей шунтового возбуждения.
  • Таким образом, он обеспечивает высокий пусковой крутящий момент, а также более высокие вариации частоты вращения.
  • Он идеально подходит для роторных прессов, лифтов, багажных каруселей, центробежных насосов или компрессоров.
• Двигатель с постоянными магнитами:
  • Этот тип двигателя оснащен постоянным магнитом, который обеспечивает низкий крутящий момент.
  • Это актуально в тех случаях, когда требуется точное управление, например, в робототехнике или сервосистемах.

Однако все щеточные двигатели имеют существенные недостатки:

• Они менее эффективны, чем бесщеточные двигатели (75-80% по сравнению с 85-90% для бесщеточных двигателей).
• Их срок службы короче, так как щетки из-за регулярного трения изнашиваются быстрее (от 1000 до 10 000 часов в зависимости от частоты использования, мощности, скорости, вибраций и т.д.).
• Дуга щеток и коллектора может генерировать электромагнитные шумы, которые могут вызвать пожар.
• Кроме того, их использование во взрывоопасной среде нежелательно из-за опасности возникновения искр в результате трения.
• Частота вращения, как правило, ограничена из-за нагрева щеток.
• Щетки, состоящие из графита образуют пыль, которая может повредить другие устройства, например, оптические устройства.
• Они нуждаются в смазке, что делает невозможным их использование в пылесосах.

2. Бесщеточные двигатели

Бесщеточные двигатели восполняют некоторые недостатки щеточных двигателей, например, наличие щетки. У них также есть и другие преимущества:

• Они могут работать на более высоких скоростях (до 100 000 об/мин по сравнению с 20 000 об/мин для щеточных двигателей).
• Они имеют более длительный срок службы (более 10 000 часов работы).
• Они более надежны и эффективны.
• Нет изнашиваемых деталей, за исключением подшипников, что сокращает объем работ по техническому обслуживанию.

Возможность работы этих двигателей на очень высоких скоростях делает их особенно подходящим для шлифовальных машин, вентиляторов или пил.

Бесщеточные двигатели систематически оснащаются энкодером, датчиком, который позволяет осуществлять электронное переключение и определять положения ротора. Такие двигатели идеально подходят для серводвигателей для сверхточных приложений.

Однако у них есть некоторые недостатки:

• Первоначальная стоимость высока, так как необходимо интегрировать специальное коммутационное устройство (контроллер).
• Обычно они также требуют наличия редуктора в приводных системах.

Ушли ли щеточные двигатели в прошлое? Случай использования с Opportunity

Можно подумать, что с развитием бесщеточных двигателей щеточные двигатели канули в Лету. Однако это не так, потому что щеточные двигатели по-прежнему популярны в промышленности и даже используются в космосе. Компания Maxon, швейцарский производитель электродвигателей, постоянно разрабатывает новые технологии для щеточных двигателей, и именно их щеточные двигатели оснастили Opportunity, ровер NASA, отправленный на Марс в 2003 году.

Opportunity был оснащен 34 щеточными двигателями DC, которые успешно работают в экстремальных условиях с большими перепадами температур. Выбор NASA был прост: воспользоваться простотой управления щеточных двигателей и установить 34 таких двигателя, управляемых одним контроллером. Если бы были выбраны бесщеточные двигатели, то потребовалось бы по одному контроллеру на каждый двигатель, что повлекло бы риск осложнений и дополнительные расходы.

Шаговый двигатель преобразует электрический импульс в угловое движение. Он применяется в тех случаях, когда требуется регулирование положения в разомкнутом контуре.

Существует три категории шаговых двигателей:

• Двигатель с переменным магнитным сопротивлением : при идентичных электрических характеристиках такой двигатель менее мощный, но более быстрый, чем двигатели с постоянными магнитами.
• Двигатель с постоянными магнитами: это недорогой двигатель со средним разрешением (до 100 шагов на оборот).
• Гибридный двигатель: этот двигатель сочетает в себе две предыдущие технологии, но имеет более высокую стоимость. Его преимуществами являются лучший крутящий момент и более высокая скорость. Его разрешение составляет от 100 до 400 шагов/на оборот.

Двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели являются наиболее часто используемыми, поскольку они имеют ряд определенных преимуществ:

• Точность.
• Низкая цена.
• Прочность.
• Простота конструкции.
• Высокий крутящий момент при запуске и на низких скоростях.

Однако у них есть и недостатки:

• Скорость и крутящий момент относительно низкие.
• Крутящий момент резко уменьшается по мере увеличения частоты вращения.
• Они генерируют вибрации, которые могут создавать проблемы с резонансом.
• Существует риск перегрева.

Чтобы выбрать шаговый двигатель, обязательно обратите внимание на:

• Крутящий момент и нагрузку.
• Количество шагов
• Размеры двигателя (вес, монтажные фланцы…).
• Цену

Перед промышленностью все чаще встает вопрос энергоэффективности. Более экологичная экономика является одной из целей Конференции по климату в Париже (COP21), на достижение которой ориентированы многие страны. Для ограничения потребления и экономии энергии в последние годы в промышленность внедряется все более энергоэффективное оборудование. Согласно исследованию Европейской Комиссии, на долю двигателей приходится 65% промышленного потребления энергии в Европе. Работа над двигателями является важным рычагом сокращения выбросов CO2. Еврокомиссия даже предполагает, что к 2020 году можно повысить энергоэффективность двигателей европейского производства на 20-30%. В результате выбросы CO2 в атмосферу сократились бы на 63 млн. тонн, а экономия составила бы 135 миллиардов кВтч.

Если вы хотите использовать в своей деятельности энергоэффективные двигатели и внести свой вклад в энергосбережение и развитие планеты, вам необходимо изучить в первую очередь стандарты энергоэффективности двигателей, действующие в вашей стране или в вашем географическом регионе. Но будьте внимательны, эти стандарты применимы не ко всем двигателям, а только к асинхронным двигателям AC.

Международные стандарты

• Международная электротехническая комиссия (IEC) определила классы энергоэффективности для электродвигателей, представленных на рынке, известные как код IE, которые обобщены в международном стандарте IEC.
• IEC определила четыре уровня энергоэффективности, которые характеризуют энергоэффективность двигателя:
  • IE1 — стандартный класс
  • IE2 — высокий класс
  • IE3 — премиум класс
  • IE4 — супер-премиум класс
• IEC также внедрила стандарт IEC 60034-2-1:2014 для испытаний двигателей. Многие страны используют национальные стандарты для испытаний двигателей, но в то же время применяют международный стандарт IEC 60034-2-1.

В Европе

ЕС уже принял ряд директив, направленных на снижение энергопотребления двигателей, включая обязательство производителей выводить на рынок энергоэффективные двигатели:

• C 2011 года класс IE2 обязателен для всех двигателей.
• Класс IE3 обязателен с января 2015 года для двигателей мощностью от 7,5 до 375 кВт (или IE2, если эти двигатели оснащены преобразователем частоты).
• Класс IE3 обязателен с января 2017 года для двигателей мощностью от 0,75 до 375 кВт.

В США

В Соединенных Штатах в силе остаются стандарты, определяемые Американской ассоциацией NEMA (Национальная ассоциация производителей электрооборудования). С 2007 года минимальный требуемый уровень установлен на уровне IE2.
Эта же классификация используется в Австралии и в Новой Зеландии.

В Азии

В Китае корейские стандарты MEPS (Minimum Energy Performance Standard) применяются для малых и средних трехфазных асинхронных двигателей с 2002 года (GB 18693). В 2012 году стандарты MEPS были приведены в соответствие со стандартами IEC, переходя от IE1 к IE2, а теперь и к IE3.

Япония привела в соответствие свое национальное законодательство с классами эффективности IEC и включила в 2014 году в программу «Top Runner» электродвигатели уровней IE2 и IE3. Действующая с 1998 года программа «Top Runner» обязывает японских автопроизводителей выставлять на рынок новые модели, которые более энергоэффективны, чем предыдущие поколения, заставляя тем самым внедрять инновации в энергетику.

В Индии используется сравнительная оценка эффективности с 2009 года и национальный стандарт на уровне IE2 с 2012 года.