Многополюсные электродвигатели: что это и как работают?

Многополюсные электродвигатели — это электрические машины, имеющие больше двух магнитных полюсов в статоре и роторе. В отличие от двухполюсных двигателей, они работают на более низких скоростях при той же частоте питания, но обеспечивают больший крутящий момент.

Принцип действия

1. Статор состоит из обмоток, расположенных так, чтобы формировать несколько пар магнитных полюсов (например, 4, 6, 8 и более).
2. Ротор может быть короткозамкнутым (в асинхронных двигателях) или с обмотками (в синхронных).
3. Переменный ток в статорных обмотках создает вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с ротором, вызывая его вращение.

Скорость вращения определяется формулой:

где:

• n — скорость вращения (об/мин),
• f — частота сети (Гц),
• P — число пар полюсов.

Что такое 120 в формуле?

120 – это коэффициент, который получается из взаимосвязи между частотой тока, числом полюсов и скоростью вращения двигателя.

Откуда берется 120?

• Переменный ток в сети создает переменное магнитное поле, которое меняет свое направление дважды за каждый цикл (один раз в положительном направлении, один раз в отрицательном).
• Один полный цикл переменного тока образует две смены полярности магнитного поля.
• Чтобы выразить скорость в оборотах в минуту (об/мин), используем коэффициент 60 (секунды в минуте).
• Так как за один период частоты поле проходит два изменения, множим еще на 2.

Таким образом: 60 х 2 = 120

Это позволяет нам связать частоту сети (f, Гц), количество пар полюсов (P) и скорость вращения ротора (n, об/мин).

Пример расчета

Если сеть 50 Гц и двигатель имеет 4 полюса (2 пары полюсов), то:

Если сеть 60 Гц, например в США, и двигатель тоже 4-полюсный, то:

Этот коэффициент применяется как для синхронных, так и для асинхронных электродвигателей (с учетом скольжения в последних).

Разбор по шагам

1. Частота сети f измеряется в герцах (Гц), что означает количество циклов переменного тока в секунду.
2. Вращающееся магнитное поле статора меняет свою полярность дважды за один цикл (один раз северный полюс становится южным и обратно).
3. Поэтому фактическая частота вращения магнитного поля в электрических циклах равна f × 2.
4. Чтобы перевести частоту в обороты в минуту (об/мин), умножаем на 60 (так как в минуте 60 секунд).

Многополюсные электродвигатели можно классифицировать по следующим критериям:

• По типу тока:

  • Переменного тока (АС) – синхронные и асинхронные.
  • Постоянного тока (DC) – коллекторные и бесколлекторные.

• По конструкции:

  • Асинхронные – имеют ротор, который следует за вращающимся магнитным полем с небольшим запаздыванием (скольжением).
  • Синхронные – ротор вращается синхронно с магнитным полем без скольжения.

• По количеству полюсов (P):

• 2 полюса (3000 об/мин при 50 Гц).
• 4 полюса (1500 об/мин).
• 6 полюсов (1000 об/мин).
• 8 полюсов (750 об/мин) и больше.

Основной принцип работы заключается в создании вращающегося магнитного поля статора, которое индуцирует ток в роторе (в асинхронных) или заставляет ротор следовать за ним (в синхронных).

Чем больше полюсов, тем ниже скорость вращения при фиксированной частоте сети.

3. Особенности и преимущества многополюсных двигателей

• Высокий крутящий момент – больше полюсов означает лучшее распределение магнитного потока и более высокий момент.
• Снижение вибраций и шума – плавная работа из-за меньшей скорости.
• Более точное управление скоростью – в сочетании с частотными преобразователями.
• Энергоэффективность – в некоторых режимах работы многополюсные двигатели могут быть более эффективны, чем стандартные двухполюсные.

Недостатки:

• Больший размер и масса – многополюсные двигатели требуют большего количества меди и железа.
• Уменьшенная скорость вращения – не подходит для высокоскоростных приложений.

4. Применение многополюсных электродвигателей

Промышленность:

• Краны, подъемные механизмы.
• Конвейеры, металлорежущие станки.
• Вентиляторы, насосы, компрессоры.

Железнодорожный транспорт:

• Приводы электропоездов, метро.

Сельское хозяйство:

• Дробилки, мельницы, насосные станции.

Автоматика и робототехника:

• Прецизионные системы позиционирования.

5. Отличие от двухполюсных двигателей

Многополюсные двигатели — это надежные электромашины, которые широко применяются в промышленности и технике для работы с высокой нагрузкой при низких оборотах. Они обеспечивают плавность хода, высокий крутящий момент и энергоэффективность в определенных режимах.