Крутящий момент и зависимость крутящего момента
Как рассчитать крутящий момент, зная обороты и мощность двигателя?
Крутящий момент напрямую зависит от мощности и числа оборотов двигателя в минуту. Имеется общепринятая формула расчета крутящего момента, выражаемого в Ньютон-метрах ( русское обозначение Н·м, международное N·m )
M = P х 9550 / N
Где P — это мощность двигателя в киловаттах (кВт)
N — обороты вала в минуту
Как рассчитать мощность двигателя, зная крутящий момент и обороты?
Для такого расчета существует формула:
P = M х N / 9550
Где M — это крутящий момент двигателя
N — это обороты двигателя
Для скорости и простоты расчета воспользуйтесь удобным калькулятором крутящего момента. Впишите в ячейки калькулятора имеющиеся значения и калькулятор автоматически проставит результаты расчета.
Калькулятор крутящего момента
monolitgrupp.ru
Расчет момента электродвигателя калькулятор. Крутящий момент — откуда берется и что означает
В среде любителей авто очень часто возникают споры по поводу различных параметров двигателей, их мощности, объему, степени сжатия и крутящему моменту. Что же может представлять собой крутящий момент двигателя, и каким образом он взаимосвязан с таким параметром как мощность двигателя?
Если вспомнить школьные уроки физики, то мощность двигателя определяет произведение силы на скорость для поступательного движения. При этом применялись определенные коэффициенты, в зависимости от того какие единицы использовались для измерения. Например, если тянуть груз, прилагая усилие в 12 кг со скоростью 1м/секунду, то мощность в данном случае будет составлять 12кгм/секунду и равняться 0,16 лошадиных силы.
Основное понятие
В Европе принято считать парижской лошадиной силой, которая равна 75 кгм/сек. В Англии и Америке все гораздо более запутанно фунтами и футами – там лошадиная сила равняется по европейским меркам 1,0139 л.с., что очень даже неплохо. При таких показателях двигатели, установленные на космических кораблях, развивают тягу до 100 тонн, при этом скорость составляет, 12 км/сек, а, следовательно, мощность такого двигателя будет равняться 16 миллионам лошадиных сил!
В том случае если мощность определяется производной крутящего момента, а он имеет смысл только во время вращения.
Расчет крутящего момента двигателя будет равняться произведению действующей силы на плечо.
Если к рычагу с размером плеча в 1 метр приложить усилие равное 10 кг перпендикулярное плечу, то создастся крутящий момент, который будет равен 10 килограммометрам или 98 Нм – кто к каким единицам измерения привык, на частоту вращающегося вала при вращательном движении. Остальное дело арифметики. Допустим если крутящий момент измерить на валу двигателя при 6000 оборотов в мин, и он будет составлять 10 кгм., то мощность такого двигателя составит 83,775 лошадиных силы или 61,6 кВт – еще одна единица измерения мощности, где 1 кВт равняется 1 европейской лошадиной силе по всему миру.
Данная формула определения мощности двигателя применяется независимо от того какой это двигатель – электрический, газотурбинный или поршневой. Для арифметики это не имеет никакого значения. Крутящий момент будет равен F x R, где F – это момент силы, а R – крутящий момент.
Практическое применение
Так что же важнее для автомобилистов – мощность или крутящий момент? Очень часто от них можно слышать, что важнее тяговый момент, а мощность второстепенна.
Пример
Если, к примеру, взять небольшой малолитражный двигатель развивающий мощность 10 л.с. при 6000 об., то крутящий момент на маховике будет равен 11,7 Нм., или 1,2 кгм., Для того чтобы получить 100 Нм. достаточно поставить понижающий редуктор, имеющий передаточное число 8,55, и результат на выходном валу достигнут. Не стоит пока вспоминать о неизбежной потере мощности в редукторе. Хотя мощность если отнять потери останется неизменной. Есть желание получить 1000 Нм.? Используйте редуктор, имеющий передаточное число 85,5 – все дело заключается только в подборе шестеренчатых пар.
Однако следует учитывать, что при крутящем моменте 100 Нм на выходе из редуктора обороты снизятся и будут уже не 6000, а чуть более 700.
Это подтверждает одно из основных правил механики: выигрывая в силе, непременно проиграем в скорости.
Получить 1000 Нм можно и при 70 об. мин., но это будет слишком медленно.
А если сравнить?
Если автомобиль едет по ровной автостраде, имея постоянную скорость 100 км\ч, то тяга двигателя в местах непосредственного контакта ведущих колес с поверхностью дороги в результате будет покрывать силу сопротивления воздуха и качения шин.
В данном случае если учесть аэродинамику, вес и давление в шинах она, к примеру, составит 54 кг. По другому – крутящий момент при радиусе качения колес 265 мм. составит 140 Нм, с оборотами колес около 1000 в минуту и расходуемой мощности 1500 кгм/сек или 20 лошадиных сил. Учитывая потери в трансмиссии – от маховика и до места контакта колеса с поверхностью, для такого движения требуется мощность двигателя около 22.5 лошадиных сил.
А если необходимо поехать со скоростью 200 км\час? При увеличении скорости вдвое. Сил сопротивления возрастает в четыре раза – по квадрату. Другими словами это будет означать, что необходимая мощность увеличится в восемь раз – по кубу скорости (4х2). А значит, двигатель должен быть мощностью в 170-180 лошадиных сил на маховике.
Именно поэтому не каждый автомобиль способен развить скорость в 200 км/час. И это при равномерном движении.
В случае необходимости придания дополнительного ускорения или при движении на подъем, возникает потребность в дополнительной мощности.
Допустим, что те же 22,5 лошадиные силы со скоростью 100 км/час прибавить около 10 л.с для ускорения физического тела (ІІ закон Ньютона), то есть 50 л.с. естественно если последнее, то разгон будет более энергичным.
Как увеличить мощность двигателя
Из этого видно, что скорость автомобиля и его динамика напрямую зависят от мощности двигателя. Но как увеличить его мощность?
Если удерживать крутящий момент 11.7 Нм с высокой частотой вращения вала и довести его, допустим в том же малолитражном двигателе, до 12000 об.мин., то мощность двигателя увеличится в два раза и составит 20 лошадиных сил. В данном случае действует соотношение, P=1/716,2 M x n в котором мощность двигателя определяет значение – Р., при его n мин-1, и крутящем моменте двигателя – М (кгм) при неизменных оборотах, а значение 1/716,2 это всего лишь коэффициент размерности.
К большому сожалению, осуществить повышение частоту вращения вала поршневых двигателей не так просто. Все детали испытывают большие нагрузки, такие как сила инерции, трение.
Если раскрутить вал двигателя с 6000 об/мин до 12000 об/мин, то в данном случае силы инерции, нагружающие детали возрастут в четыре раза. В восьми цилиндровых двигателях Формулы 1, объемом всего 2,4 литра при достижении максимальной мощности на 19500 об. мин. силы инерции значительно превышают показатели 6000 об. мин. и вовсе не 3.25 раза. Данное значение необходимо умножить на него же (3,25х3,25 = 10,5). В результате сила инерции при таких оборотах увеличится в 10,5 раз.
Трение движущихся деталей нарастает еще стремительней (используя те же значения от 6 тыс.об. до 19500 об. мин.) оно возрастет в 35 раз. Значительное уменьшение необходимого количества поступающей в цилиндры двигателя топливовоздушной смеси, непременно приводит к падению крутящего момента.
Для каждого двигателя есть своя точка указывающая момент перегиба на кривой мощности определяемая по частоте вращения коленчатого вала.
И после этой точки мощность уже не будет повышаться, а наоборот будет падать. Не говоря уже о такой опасности, как возможность перекручивания двигателя нарастающими силами инерции с последующим разрушением.
Моме
elektrokomplektnn.ru
8 Расчет крутящих моментов на валах
8.1 Расчет крутящего момента на валу электродвигателя
Для определения крутящего момента на валу электродвигателя привода главного движения используется номинальная мощность и номинальная частота вращения:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–номинальная частота вращения электродвигателя, мин-1:
.
.
8.2 Расчет крутящего момента на валах привода
Крутящий момент на валах привода рассчитывается по формуле:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–КПД участка привода от электродвигателя до соответствующего вала;
–расчетная частота вращения соответствующего вала, принимается по графику частот, мин-1.
8.3 Расчет крутящего момента на первом валу привода
Крутящий момент на первом валу привода рассчитывается по формуле:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–КПД участка привода от электродвигателя до 1-го вала;
–расчетная частота вращения на 1-ом валу, принимаем по графику частот, мин-1: = 2850 мин-1.
КПД участка привода до первого вала рассчитывается по формуле:
где – КПД зубчатой муфты;
–КПД пары подшипников;
8.4 Расчет крутящего момента на втором валу привода
Крутящий момент на втором валу привода рассчитывается по формуле:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–КПД участка привода от электродвигателя до 2-го вала;
–расчетная частота вращения на 1-ом валу, принимаем по графику частот, мин-1: = 630 мин-1.
КПД участка привода до второго вала рассчитывается по формуле:
где – КПД зубчатой муфты;
–КПД пары подшипников;
— КПД зацепления зубчатых колес; .
8.5 Расчет крутящего момента на третьем валу привода
Крутящий момент на третьем валу привода рассчитывается по формуле:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–КПД участка привода от электродвигателя до 3-го вала;
–расчетная частота вращения на 1-ом валу, принимаем по графику частот, мин-1: = 160 мин-1.
КПД участка привода до третьего вала рассчитывается по формуле:
где – КПД зубчатой муфты;
–КПД пары подшипников;
— КПД зацепления зубчатых колес; .
8.6 Расчет крутящего момента на четвертом валу привода
Крутящий момент на четвертом валу привода рассчитывается по формуле:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–КПД участка привода от электродвигателя до 4-го вала;
–расчетная частота вращения на 4-ом валу, определяется по формуле:
где – минимальная частота вращения четвертого вала, мин-1:
мин-1;
–максимальная частота вращения четвертого вала, мин-1:
мин-1.
КПД участка привода до четвертого вала рассчитывается по формуле:
где – КПД зубчатой муфты;
–КПД пары подшипников;
–КПД зацепления зубчатых колес; .
8.7 Расчет крутящего момента на шпинделе
Крутящий момент на шпинделе рассчитывается по формуле:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–КПД участка привода от электродвигателя до шпинделя;
–расчетная частота вращения шпинделя, определяется по формуле:
где – минимальная частота вращения четвертого вала, мин-1:
мин-1;
–диапазон регулирования частот вращения шпинделя:
КПД участка привода до шпинделя рассчитывается по формуле:
где – КПД зубчатой муфты;
–КПД пары подшипников;
–КПД зацепления зубчатых колес; .
9 Проектный расчет передач
9.1 Расчет цилиндрической прямозубой постоянной передачиz1–z2
9.1.1 Исходные данные
1. Расчетный крутящий момент на первом валу привода, H·м:
Т1 = 13 Н·м;
2. Число зубьев шестерни: z1 = 18;
3. Число зубьев колеса: z2 = 83;
4. Передаточное число передачи: u1 = 4,76.
9.1.2 Выбор материала и термической обработки зубчатых колес
В качестве материала для зубчатых колес передачи выбираем сталь 40Х, которая отвечает необходимым техническим и эксплуатационным требованиям. В качестве термической обработки выбираем объемную закалку, позволяющую получить твердость зубьев 40..50HRCэ.
9.1.3 Проектный расчет постоянной прямозубой зубчатой передачи на контактную выносливость
Диаметр начальной окружности шестерни рассчитывается по формуле:
где вспомогательный коэффициент: для прямозубых передач
— расчётный крутящий момент на первом валу, Н·м: Т1=13 Н·м;
коэффициент нагрузки для шестерни, равный 1,3..1,5: принимаем
— передаточное число:
отношение рабочей ширины венца передачи к начальному диаметру шестерни:
допускаемое контактное напряжение, МПа.
Допускаемое контактное напряжение для прямозубых передач рассчитывается по формуле:
где базовый предел контактной выносливости поверхностей зубьев, соответствующий базовому числу циклов перемены напряжений, МПа;
МПа;
SH – коэффициент безопасности: SH = 1,1.
Коэффициент отношения рабочей ширины венца передачи к начальному диаметру шестерни может приниматься в пределах
или определяется по формуле:
отношение рабочей ширины венца передачи к модулю: принимаем
число зубьев шестерни: z1 = 18.
что находится в допустимых пределах .
Таким образом, диаметр начальной окружности шестерни равен:
Модуль постоянной прямозубой передачи определяется из условия расчета на контактную выносливость зубьев по рассчитанному значению диаметра начальной окружности шестерни по формуле:
где диаметр начальной окружности шестерни, мм:dw1 = 38,75 мм;
число зубьев шестерни: z1 = 18.
studfiles.net
8 Расчет крутящих моментов на валах
8.1 Расчет крутящего момента на валу электродвигателя
Для определения крутящего момента на валу электродвигателя привода главного движения используется номинальная мощность и номинальная частота вращения:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–номинальная частота вращения электродвигателя, мин-1:
.
.
8.2 Расчет крутящего момента на валах привода
Крутящий момент на валах привода рассчитывается по формуле:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–КПД участка привода от электродвигателя до соответствующего вала;
–расчетная частота вращения соответствующего вала, принимается по графику частот, мин-1.
8.3 Расчет крутящего момента на первом валу привода
Крутящий момент на первом валу привода рассчитывается по формуле:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–КПД участка привода от электродвигателя до 1-го вала;
–расчетная частота вращения на 1-ом валу, принимаем по графику частот, мин-1: = 2850 мин-1.
КПД участка привода до первого вала рассчитывается по формуле:
где – КПД зубчатой муфты;
–КПД пары подшипников;
8.4 Расчет крутящего момента на втором валу привода
Крутящий момент на втором валу привода рассчитывается по формуле:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–КПД участка привода от электродвигателя до 2-го вала;
–расчетная частота вращения на 1-ом валу, принимаем по графику частот, мин-1: = 630 мин-1.
КПД участка привода до второго вала рассчитывается по формуле:
где – КПД зубчатой муфты;
–КПД пары подшипников;
— КПД зацепления зубчатых колес; .
8.5 Расчет крутящего момента на третьем валу привода
Крутящий момент на третьем валу привода рассчитывается по формуле:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–КПД участка привода от электродвигателя до 3-го вала;
–расчетная частота вращения на 1-ом валу, принимаем по графику частот, мин-1: = 160 мин-1.
КПД участка привода до третьего вала рассчитывается по формуле:
где – КПД зубчатой муфты;
–КПД пары подшипников;
— КПД зацепления зубчатых колес; .
8.6 Расчет крутящего момента на четвертом валу привода
Крутящий момент на четвертом валу привода рассчитывается по формуле:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–КПД участка привода от электродвигателя до 4-го вала;
–расчетная частота вращения на 4-ом валу, определяется по формуле:
где – минимальная частота вращения четвертого вала, мин-1:
мин-1;
–максимальная частота вращения четвертого вала, мин-1:
мин-1.
КПД участка привода до четвертого вала рассчитывается по формуле:
где – КПД зубчатой муфты;
–КПД пары подшипников;
–КПД зацепления зубчатых колес; .
8.7 Расчет крутящего момента на шпинделе
Крутящий момент на шпинделе рассчитывается по формуле:
где – мощность электродвигателя, кВт:
–КПД участка привода от электродвигателя до шпинделя;
–расчетная частота вращения шпинделя, определяется по формуле:
где – минимальная частота вращения четвертого вала, мин-1:
мин-1;
–диапазон регулирования частот вращения шпинделя:
КПД участка привода до шпинделя рассчитывается по формуле:
где – КПД зубчатой муфты;
–КПД пары подшипников;
–КПД зацепления зубчатых колес; .
9 Проектный расчет передач
9.1 Расчет цилиндрической прямозубой постоянной передачиz1–z2
9.1.1 Исходные данные
1. Расчетный крутящий момент на первом валу привода, H·м:
Т1 = 13 Н·м;
2. Число зубьев шестерни: z1 = 18;
3. Число зубьев колеса: z2 = 83;
4. Передаточное число передачи: u1 = 4,76.
9.1.2 Выбор материала и термической обработки зубчатых колес
В качестве материала для зубчатых колес передачи выбираем сталь 40Х, которая отвечает необходимым техническим и эксплуатационным требованиям. В качестве термической обработки выбираем объемную закалку, позволяющую получить твердость зубьев 40..50HRCэ.
9.1.3 Проектный расчет постоянной прямозубой зубчатой передачи на контактную выносливость
Диаметр начальной окружности шестерни рассчитывается по формуле:
где вспомогательный коэффициент: для прямозубых передач
— расчётный крутящий момент на первом валу, Н·м: Т1=13 Н·м;
коэффициент нагрузки для шестерни, равный 1,3..1,5: принимаем
— передаточное число:
отношение рабочей ширины венца передачи к начальному диаметру шестерни:
допускаемое контактное напряжение, МПа.
Допускаемое контактное напряжение для прямозубых передач рассчитывается по формуле:
где базовый предел контактной выносливости поверхностей зубьев, соответствующий базовому числу циклов перемены напряжений, МПа;
МПа;
SH – коэффициент безопасности: SH = 1,1.
Коэффициент отношения рабочей ширины венца передачи к начальному диаметру шестерни может приниматься в пределах
или определяется по формуле:
отношение рабочей ширины венца передачи к модулю: принимаем
число зубьев шестерни: z1 = 18.
что находится в допустимых пределах .
Таким образом, диаметр начальной окружности шестерни равен:
Модуль постоянной прямозубой передачи определяется из условия расчета на контактную выносливость зубьев по рассчитанному значению диаметра начальной окружности шестерни по формуле:
где диаметр начальной окружности шестерни, мм:dw1 = 38,75 мм;
число зубьев шестерни: z1 = 18.
studfiles.net
Расчет мощности и вращающего момента на валу двигателя
Для расчета мощности, кВт, и вращающего момента, Н·м, на валу двигателя следует пользоваться формулами:
вращательное движение
;
;
подъем груза
;
привод вентилятора
,
где κ — коэффициент, учитывающий действие противовеса;
v — скорость подъема груза, м/с;
Q — расход воздуха, м³/с;
р — давление на выходе вентилятора, Па;
g — ускорение свободного падения, м/с²;
η — КПД вентилятора, подъемника;
m — масса, кг;
n — частота вращения об/мин.
Полученные значения следует увеличить до ближайшего каталожного значения.
Двигатели эксплуатируются в самых разнообразных режимах.
Учет режима работы имеет большое значение при подборе двигателя. Мощности двигателей, указанные в каталогах, приведены для режима S1 и нормальных условий работы, кроме двигателей с повышенным скольжением.
Если двигатель работает в режиме S2 или SЗ, он нагревается меньше, чем в режиме S1, и поэтому он допускает большую мощность на валу. При работе в режиме S2 допустимая мощность может быть повышена на 50 % при длительности нагружения 10 мин, на 25 % — при длительности нагружения 30 мин, на 10% — при длительности нагружения 90 мин. Для режима SЗ рекомендуются двигатели с повышенным скольжением.
Подробнее, о номинальных данных электрических машин, здесь.
Источник: Кравчик А.Э. и др. Выбор и применение асинхронных двигателей.
Помощь студентам
electrichelp.ru
Расчет параметров двигателей колесного робота
Как выбрать подходящие двигатели для колесного робота? Ответить точно на этот вопрос в начале конструирования робота непросто. Для этого нужно знать вес робота, а он еще не построен. Однако, технические характеристики и размеры двигателей значительно влияют на окончательные параметры мобильного робота. Для того, чтобы получить полную информацию, необходимо учесть вращающий момент, скорость и мощность. Для колесного робота также необходимо подобрать диаметр колес и определить правильное передаточное число зубчатой передачи для расчета скорости его движения.
Крутящий момент
Крутящий момент двигателя — это сила, с которой он воздействует на вращаемую ось. Для того, чтобы робот мог двигаться, необходимо, чтобы эта сила превышала вес робота (выражаемый в Н/м).
Некоторые употребляют вместо понятия крутящий момент, термин вращающий момент. По сути это одно и то же. И то и другое являются моментами, просто в технике крутящий момент — это нагрузка на колесе, а вращающий момент — нагрузка в технической науке под названием «Сопротивление материалов».
Рассмотрим сильно упрощенную идеализированную модель колесного робота.
Упрощенная модель колесного робота
В нашем случае, вес робота равен 1кг, и мы хотим добиться максимальной скорости его движения 1м/с при радиусе колеса равном 20мм.
При движении по прямой на расстояние 1м, рассчитаем ускорение, необходимое для достижения скорости в 1м/с.
где — расстояние, пройденное роботом, — его начальная скорость (стартуем с места, поэтому ),
где — скорость робота, -его ускорение.
Подставим значения, принятые в нашей модели, получим
м/с2
Вращающий момент, который необходим для перемещения робота и получения им ускорения, необходимого для достижения максимальной скорости рассчитывается следующим образом:
При — момент инерции и — угловое ускорение, получим
Здесь м/с2 — ускорение свободного падения (округлим его до 10), — радиус колеса, — масса всего робота
Подставив значения, получим
мН·м
Для перевода величины, выраженной в Н·м в кг·см нужно учесть, что 1Н = 0.102 кг и 1м = 100 см. Поэтому 50 мН·м = 50 · 0.102 : 1000 * 100 = 0.51 кг · см.
Полученный крутящий момент распределяется между двумя двигателями робота и его еще нужно поделить на передаточное число используемой зубчатой передачи (подробнее про зубчатые передачи можно почитать здесь).
Мощность
Для расчета максимальной мощности двигателей нам понадобится частота вращения, которая выражается в оборотах в минуту
(об/мин) =
или в радианах в секунду
(рад/с) =
через круговую частоту
Подставив радиус колеса, получим
рад/с
или
об/мин.
Мощность двигателей пропорциональна крутящему моменту и частоте вращения:
Подставив сюда формулы для крутящего момента и частоты, получим:
Используя собственные значения, получим
Вт
Опять же, мы получили суммарную мощность для всех двигателей, в нашем случае двигателя два, поэтому необходимо разделить результат на два и, как и в случае с расчетом крутящего момента, если используются зубчатые передачи, разделить на передаточное число зубчатых передач.
Обратите внимание, что мы рассчитали механическую мощность вырабатываемую двигателями, а не электрическую мощность, которую они потребляют. Необходимо учитывать КПД двигателей, который будет отличаться в зависимости от модели двигателя. Выбирать нужно двигатели, естественно, с бóльшим КПД.
Для обеспечения оптимальных характеристик лучше использовать двигатели с запасом по мощности, как минимум в два раза.
Для нашего примера двухколесного робота, с использованием передаточного числа равного 10, характеристики устанавливаемых двигателей должны быть следующими:
- частота вращения — 477 · 10 ≈ 5000$ об/мин
- вращающий момент — 50 мН·м/10 = 5 мН·м
- электрическая мощность — 5 Вт (я взял КПД равный 90%)
Еще по этой теме
Вы можете пропустить чтение записи и оставить комментарий. Размещение ссылок запрещено.
robotosha.ru
Расчет мощности электродвигателя — ElectrikTop.ru
Если вы задались целью создать электрический привод, например, собственную мельницу, насосную станцию, транспортерную ленту или другое полезное в хозяйстве устройство, вам надо найти или купить электродвигатель и убедиться в том, что его мощность соответствует поставленным задачам.
Сегодня мы осветим некоторые аспекты, касающиеся устройства и рабочих качеств электрических машин, что поможет вам сделать правильный выбор.
Как выбрать электродвигатель
Подбор электродвигателя стоит начать со знакомства с типами электрических машин. Основное их отличие состоит в способе взаимодействия магнитных полей статора и ротора. По этому признаку они делятся на два типа:
- Синхронные.
- Асинхронные.
Синхронные электрические машины
У них магнитное поле статора и ротора создается внешними источниками, они независимы друг от друга, их смена положения их полюсов происходит синхронно.
Двигатели постоянного тока
Исходя из принципа механики Ньютона, утверждающего, что всякое движение относительно, электродвигатель постоянного тока можно назвать синхронной машиной. Хотя магнитные поля статора и ротора в ней неподвижные, а вращение вала происходит за счет эффекта отталкивания одноименных полюсов магнитов и притягивания разноименных.
Синхронизация их положения относительно друг друга происходит особого устройства – коллектора, расположенного на валу ротора. Это кольцо из меди, поделенное на секторы диэлектриком. Концы обмоток ротора подключаются к этим секторам и создают контактные пары.
На них через угольные щетки подается постоянный ток. Во время вращения вала происходит переключение полюсов между парами. Магнитное поле статора может создаваться металлами с остаточным магнетизмом или прохождением тока по обмоткам. Последние применяются в электрических машинах большой мощности.
Их достоинством является большой коэффициент полезного действия, до 98%, а также стабильно высокий вращающий момент и малая зависимость от перегрузок. Двигатели постоянного тока отлично подходят для привода подъемных механизмов, а также в качестве тяговых на электротранспорте.
Ими очень просто управлять: для снижения скорости вращения надо лишь уменьшить величину подаваемого напряжения, а для реверсирования достаточно сменить полярность. Недостатком является сложность устройства и невысокая надежность щеточного узла, его склонность к искрению и шумность. Кроме того, постоянное напряжение сложно передавать на большие расстояния, из-за чего нет магистральных линий такого типа. Питание придется создавать самостоятельно, используя выпрямительные или инверторные схемы. Также про двигатели постоянного тока можно почитать здесь.
Коллекторные двигатели
По своей конструкции они аналогичны двигателям постоянного тока. Однако питаются переменным однофазным током. Статорная обмотка возбуждения у них включена последовательно с обмоткой якоря. Вращение вала происходит за счет синхронной смены полюсов магнитного поля в статорной и роторной обмотках.
К перечисленным выше достоинствам – большому вращающему моменту, нечувствительности к перегрузкам, стоит отнести и то, что это единственная электрическая машина переменного тока, которой можно без проблем управлять.
Для изменения скорости вращения вала достаточно уменьшить питающее напряжение, а для реверсирования поменять местами точки подключения коллекторного узла со статорной обмоткой. Поэтому коллекторные электродвигатели широко применяются в бытовых электроприборах.
Например, в стиральных машинах, дрелях и другом электрифицированном инструменте. К недостаткам, основным из которых является сложность и малая надежность щеточного узла, стоит отнести и невозможность подключения трехфазного напряжения. Просто потому, что в этом случае щеток должно быть шесть. Это ограничивает максимальную мощность двигателей: у однофазных машин при напряжении 220 вольт это значение не бывает более 2,5 киловатта.
Синхронные электродвигатели переменного тока
У них статорная обмотка питается переменным трехфазным током, а роторная – постоянным. Чтобы их магнитные полюса сцепились и вызвали движение вала, такой электродвигатель надо раскрутить вручную или другим мотором. Фактически они являются генератором переменного тока, работающим в режиме вращения. Достоинством машины являются высокий крутящий момент и стабильность частоты вращения.
Недостатками – сложность пуска и наличие коллектора со щеточным узлом, что снижает их надежность. А также невозможность регулирования частоты вращения. Применяются в установках, которые работают постоянно или с очень длительным рабочим циклом. Например, на перекачивающих станциях или транспортерных лентах.
Узнать больше об электродвигателях можно узнать в нашей статье «Электрический двигатель: виды и характеристики».
Асинхронные электрические машины
В них магнитное поле ротора является порождением вращающегося магнитного поля статора. Поскольку между этими деталями машины есть воздушный зазор, передача энергии между ними происходит с потерями. Поэтому фаза тока в роторе отстает от фазы тока в статоре на небольшой угол (не более 100), который определяет величину коэффициента мощности cosφ. Это отставание и является причиной того, что электрическую машину этого типа называют асинхронной.
Двигатели с короткозамкнутым ротором
Обмотка ротора у них – это набор металлических стержней, которые соединяют два кольца. Получившуюся фигуру называют «беличье колесо». В момент подачи напряжения на статорную обмотку в роторе возникает ток короткого замыкания, энергия которого тратится на раскручивании вала и тем самым гасится. У него несколько меньший КПД, чем у синхронных машин, он не превышает 80%.
После набора оборотов он имеет очень стабильный вращающий момент на валу и хорошо выдерживает перегрузки. Главными достоинствами таких двигателей является его простота и надежность, благодаря которым они очень широко распространены. Недостатками – сложность управления.
Для изменения скорости вращения необходимо менять частоту питающего напряжения или количество статорных обмоток, которое определяет количество полюсов электромагнита – чем их больше, тем она ниже. Также электродвигателям с короткозамкнутым ротором свойственен большой пусковой ток, перегружающий сеть, а также резкий рост вращающего момента при подключении питания, что может вызвать поломку редуктора привода.
Двигатели с фазным ротором
Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором большой мощности (более 30 кВт) связан с чрезвычайной перегрузкой питающей сети. Для устранения этого явления используют машины с фазным ротором, обмотка которых состоит из трех катушек, соединенных звездой. Их концы соединены угольными щетками с тремя контактными кольцами, расположенными на оси двигателя.
В отличие от коллектора двигателя постоянного тока они не поделены на сектора. При запуске такой машины используется трехфазный реостат, сопротивление которого в момент пуска максимальное. Постепенно уменьшая активное сопротивление ротора, добиваются плавной раскрутки вала электродвигателя. При достижении номинальных оборотов его закорачивают.
Изменяя сопротивление ротора, можно добиться изменения частоты вращения. Достоинством машины такого типа является отсутствие перегрузки в момент запуска и плавное нарастание вращающего момента. Поэтому ее применяют в грузоподъемном оборудовании. Недостаток – сложность устройства и более низкий, чем у машин с короткозамкнутым ротором КПД, он не более 60%.
Читайте также «Как работает асинхронный электродвигатель».
Как рассчитать мощность электродвигателя
При расчете мощности электродвигателя надо ориентироваться на потребности обеспечиваемого технологического процесса. В Сети так много методичек для определения этого параметра, что вы можете запутаться окончательно. Предлагаем вам довольно простую универсальную формулу, пригодную для любых случаев.
P = T ∙ Ω
P – мощность электродвигателя. Т – потребный вращающий момент на валу, а Ω – угловая скорость.
T = Ft ∙ R
Ft– потребное тяговое усилие, оно рассчитывается по формуле: Ft= t ∙ M ∙ 2.5, где t – коэффициент трения (для подшипников качения он равен 0.02), М – масса перемещаемого груза, а 2.5 – это коэффициент Ньютона. R – радиус рабочего органа, например, крыльчатки насоса.
Ω = π ∙ n / 30, где π = 3.14, а n – паспортная частота вращения приводимого в действие устройства.
Полученное значение лучше увеличить в 1,5 раза, чтобы предусмотреть возможные перегрузки во время работы привода.
При расчете рабочего тока электродвигателя необходимо учитывать, что при соединении обмоток статора асинхронного электродвигателя звездой он в 1,73 раза меньше, чем при соединении треугольником. На эту же величину уменьшается и мощность.
Окончательно убедиться в работоспособности созданного привода вы сможете только на практике. Но если вы будете следовать изложенным выше рекомендациям, то вероятность того, что все будет работать как надо без дополнительных переделок, значительно повысится.
electriktop.ru