Sähkömagneettiset oikosulkumoottorit ja AC-moottorit: miten ne toimivat

Sähkömoottorit ovat tekniikan historian merkittävimpiä keksintöjä, ja periaate, joka saa suurimman osan niistä toimimaan – sähkömagneettinen induktio – perustettiin lähes kaksi vuosisataa sitten. Nykyään sama periaate toimii kaikessa teollisuuskompressoreista sähköpyöriin. Ymmärtäminen, mitä AC-moottorit ovat, kuinka sähkömagneettinen induktio käyttää niitä ja kuinka tekniikka on kehittynyt nykyaikaisessa sähköliikenteessä käytetyiksi harjattomiksi moottoreiksi, antaa täydellisen kuvan yhdestä tekniikan kestävimmistä ja mukautuvimmista ideoista.

Mikä on AC-moottori?

Vaihtovirtamoottori on sähkömoottori, joka muuntaa vaihtovirran (AC) sähköenergian mekaaniseksi pyörimisenergiaksi. Toisin kuin tasavirtamoottorit, jotka toimivat yhteen suuntaan virtaavalla virralla, AC-moottorit toimivat virralla, joka muuttaa suuntaa ajoittain – tyypillisesti 50 tai 60 kertaa sekunnissa alueen sähköverkon taajuudesta riippuen.

Jokainen AC-moottori koostuu kahdesta pääkomponentista. The staattori on kiinteä ulkokokoonpano, joka on muodostettu sähkömagneettikelojen renkaasta, joka on kierretty laminoituun teräsytimeen. Kun vaihtovirta virtaa staattorikäämien läpi, ne tuottavat magneettikentän. The roottori on pyörivä sisäkokoonpano, joka on sijoitettu staattorin sylinterimäisen ontelon sisään. Staattorin magneettikentän ja roottorin välinen vuorovaikutus – joka saadaan aikaan sähkömagneettisella induktiolla, kestomagneeteilla tai ulkoisella virityksellä moottorityypistä riippuen – tuottaa vääntömomentin, joka käyttää lähtöakselia.

AC-moottorit jaetaan kahteen peruskäyttöluokkaan: oikosulkumoottorit (asynkroniset) ja synkroniset moottorit. Induktiomoottorit ovat ylivoimaisesti yleisin tyyppi teollisissa ja kaupallisissa sovelluksissa, ja ne muodostavat suurimman osan maailmanlaajuisesti käytössä olevista moottoreista.

Sähkömagneettisen induktion periaate

Sähkömagneettinen induktio on perusta sille, kuinka oikosulkumoottorit tuottavat vääntömomentin ilman sähköistä yhteyttä roottoriin. Michael Faradayn vuonna 1831 laatima periaate sanoo, että johtimen läpi kulkeva muuttuva magneettikenttä indusoi sähkövirran kyseiseen johtimeen. Tämä indusoitunut virta puolestaan ​​tuottaa oman magneettikentän.

Induktiomoottorissa staattorin vaihtovirtakäyttöiset käämit luovat magneettikentän, joka pyörii jatkuvasti staattorin reiän ympäri. Tämä pyörivä kenttä kulkee roottorin johtimien läpi ja indusoi niihin virran Faradayn lain mukaan. Tämä indusoitu virta synnyttää toissijaisen magneettikentän roottoriin. Lenzin lain mukaan tämä toissijainen kenttä vastustaa muutosta, joka loi sen - eli se yrittää eliminoida suhteellisen liikkeen pyörivän staattorikentän ja kiinteän roottorin välillä saattamalla roottorin pyörimään samaan suuntaan kuin staattorikenttä.

Tulos: roottori pyörii pyörivän magneettikentän mukaisesti ilman fyysistä sähköistä yhteyttä staattorin ja roottorin välillä. Ei harjoja, ei liukurenkaita roottorin puolella, ei kommutaattoria – energian siirto tapahtuu kokonaan muuttuvan magneettikentän kautta ilmaraon yli. Tästä syystä oikosulkumoottorit ovat mekaanisesti yksinkertaisia, kestäviä ja pitkäikäisiä verrattuna harjatyyppisiin moottoreihin: roottorissa ei ole kuluvia kosketusosia.

Kuinka pyörivä magneettikenttä luodaan

Pyörivä magneettikenttä on avainmekanismi, joka ohjaa sähkömagneettista induktiota AC-moottorissa – ja se on kolmivaiheisen vaihtovirran esiintuleva ominaisuus. Kolmivaiheisessa järjestelmässä kolme erillistä vaihtojännitettä syötetään samanaikaisesti kolmeen staattorikäämien sarjaan, joista kukin käämien pari on fyysisesti 120 astetta staattorin reiän ympärillä. Nämä kolme jännitettä ovat myös sähköisesti 120 asteen poikkeamat - mikä tarkoittaa, että ne saavuttavat huippuarvonsa eri hetkinä jokaisessa jaksossa.

Kun jokainen vaihe saavuttaa huippunsa, tämän vaiheen jännitteiset sähkömagneetit tulevat voimakkaimmiksi, mikä vetää staattorin tehollisen magneettikentän tätä napajoukkoa kohti. Jakson edetessä ja seuraavan vaiheen huipussaan kenttä siirtyy seuraavaan napasarjaan - 120 astetta staattorin ympärillä. Kolmen sähkömagneettisarjan, jotka saavuttavat huippunsa peräkkäin, tasaisesti kehän ympärillä, nettovaikutus on magneettikenttä, joka näyttää pyörivän tasaisesti staattorin ympärillä nopeudella, joka määräytyy syöttötaajuuden ja staattorikäämin magneettinapojen lukumäärän mukaan.

Tämä synkroninen nopeus kierroksina minuutissa saadaan seuraavasti: Ns = (120 × f) / P , jossa f on syöttötaajuus hertseinä ja P on napojen lukumäärä. Kaksinapainen moottori 50 Hz:n syötössä pyörii synkronisella nopeudella 3000 RPM; samassa syötössä oleva nelinapainen moottori pyörii nopeudella 1500 rpm. Yksivaiheiset moottorit voivat myös tuottaa pyörivän kentän, mutta ne vaativat apukäynnistyskäämit tai -kondensaattorit, koska yksivaiheinen syöttö yksin tuottaa sykkivän kentän pyörivän kentän sijaan.

Oravahäkin roottori ja liuku

Yleisin roottorirakenne AC-oikosulkumoottoreissa on oravahäkkiroottori, joka on nimetty sen muistuttamisesta pieneläinten käyttämän harjoituspyörän kanssa. Se koostuu sarjasta alumiini- tai kuparijohdintankoja, jotka on upotettu laminoidun rautasydämen uriin, ja tangot on oikosuljettu molemmissa päissä johtavilla päätyrenkailla. Siinä ei ole käämiä, ei eristystä eikä ulkoisia sähköliitäntöjä – roottori on mekaanisesti yksinkertainen valmistaa ja käytännössä tuhoutumaton normaaleissa käyttöolosuhteissa.

Kun staattorin pyörivä magneettikenttä pyyhkäisee näiden johdintankojen yli, se indusoi virtoja, jotka kulkevat tankojen läpi ja päätyrenkaiden ympärillä. Nämä kiertävät virrat tuottavat roottorin magneettikentän, joka vuorovaikutuksessa staattorikentän kanssa tuottaa vääntömomentin. Indusoitunut virta - ja siten vääntömomentti - riippuu nopeudesta, jolla staattorikenttä leikkaa roottoritankojen poikki. Jos roottori saavuttaisi täsmälleen saman nopeuden kuin pyörivä staattorikenttä (synkroninen nopeus), ei olisi suhteellista liikettä, kentän leikkausta, indusoitunutta virtaa eikä vääntömomenttia. Roottori pyörii siis aina hieman synkronista nopeutta hitaammin.

Tätä nopeuseroa kutsutaan lipsahdus , ilmaistuna prosentteina synkronisesta nopeudesta. Kuormittamattomana luisto on hyvin pieni - tyypillisesti 0,5–1%. Täydellä nimelliskuormalla luisto kasvaa noin 3–8 prosenttiin moottorin rakenteesta riippuen. Liukuminen ei ole puute; se on välttämätön mekanismi, jolla induktiomoottori tuottaa vääntömomentin. Ilman liukumista ei ole sähkömagneettista induktiota, ja ilman sähkömagneettista induktiota ei ole vääntömomenttia.

Induktiomoottorit vs. synkroniset moottorit

Synkroniset moottorit edustavat AC-moottorien suunnittelun toista päähaaraa. Kun oikosulkumoottorin roottoria ohjaavat kokonaan sähkömagneettisesti indusoidut virrat, synkronisen moottorin roottori on varustettu kestomagneeteilla tai erikseen viritetyillä sähkömagneeteilla, jotka lukitsevat roottorin täsmälleen pyörivän staattorikentän nopeuteen – ilman luistoa.

Synkronimoottoreita käytetään silloin, kun vaaditaan tarkkaa, tasaista nopeutta kuormituksen vaihtelusta riippumatta – kelloissa, signaaligeneraattoreissa ja erittäin tarkoissa paikannuskäytöissä. Induktiomoottorit hallitsevat yleisiä teollisia ja kaupallisia sovelluksia alhaisempien kustannustensa, suuremman kestävyytensä ja itsekäynnistymiskyvyn vuoksi kolmivaiheisissa kokoonpanoissa.

Yksivaiheiset vs kolmivaiheiset oikosulkumoottorit

Kolmivaiheiset oikosulkumoottorit käynnistyvät itsestään: kolmivaiheinen syöttö tuottaa luonnollisesti pyörivän magneettikentän, joka alkaa välittömästi indusoida vääntömomenttia oravanhäkin roottoriin heti, kun virta kytketään. Ne ovat tehokkaampia, tuottavat korkeamman tehokertoimen, ja niitä käytetään käytännössä kaikissa teollisuusmoottorisovelluksissa pienistä pumpuista usean megawatin taajuusmuuttajiin.

Yksivaiheiset oikosulkumoottorit ovat perustavanlaatuinen haaste: yksivaiheinen vaihtovirtalähde tuottaa sykkivän magneettikentän, ei pyörivän. Sykkivä kenttä voi ylläpitää pyörimistä, mutta ei voi käynnistää sitä – moottorilla ei ole ensisijaista pyörimissuuntaa ja nollakäynnistysmomentti paikallaan. Useat suunnittelustrategiat käsittelevät tätä, joista jokainen tuottaa erillisen moottoriversion.

AC-induktiosta harjattomaan tasavirtaan: The Modern Evolution

Harjaton DC (BLDC) -moottori – nyt hallitseva moottorityyppi sähköpyörissä, e-skoottereissa, droneissa ja sähköajoneuvojen apukäytöissä – ei ole AC-oikosulkumoottori perinteisessä mielessä. Sen sijaan, että se luottaisi sähkömagneettisesti indusoituihin roottorivirtoihin, BLDC-moottori käyttää kestomagneetteja roottorissa ja elektronisesti ohjattua virranvaihtoa staattorissa pyörimisen tuottamiseksi. Tässä suhteessa se muistuttaa enemmän synkronimoottoria kuin oikosulkumoottoria.

Yhteys AC-moottorin periaatteisiin on staattorissa: BLDC-moottorin staattori tuottaa pyörivän magneettikentän käämiensä kautta tapahtuvan tasavirran täsmällisesti ajoitetulla kytkennällä. Tämä vaikutus vastaa toiminnallisesti kolmivaiheisen AC:n sinimuotoisen virran vaihtelun kautta. Moottoriohjain suorittaa elektronisen kommutoinnin, joka korvaa perinteisen tasavirtamoottorin harjat käyttämällä roottorin asennon palautetta (Hall-ilmiön antureista tai back-EMF-tunnistuksesta) oikeiden staattorin käämien virroittamiseksi pyörimisjakson jokaisella hetkellä.

Tuloksena on moottori, jossa yhdistyvät kestomagneettisynkronisen moottorin synkroninen toiminta ja korkea hyötysuhde sekä akkukäyttöisten sovellusten vaatima ohjattavuus ja kompakti. BLDC-moottorit eliminoivat harjan kulumisen, joka rajoittaa perinteisten tasavirtamoottoreiden käyttöikää, toimivat tehokkaasti laajalla nopeusalueella ja tuottavat korkean vääntömomenttitiheyden kompaktissa paketissa – mikä tekee niistä modernin sähköisen liikkuvuuden teknisen perustan.

Sovellukset nykyaikaisessa sähköliikenteessä

Sähkömagneettisen induktion ja pyörivien magneettikenttien periaatteet, jotka kehitettiin 1800-luvulla, ilmentyvät suoraan moottoreissa, jotka käyttävät nykypäivän sähköpyöriä ja kevyitä sähköajoneuvoja – vaikkakin niiden nykyaikaisessa harjattomassa kestomagneettimuodossa. Näitä markkinoita hallitsee kaksi erillistä moottorikokoonpanoa, joista jokaisella on erilaiset suorituskykyominaisuudet, jotka sopivat erilaisiin ajotyyliin ja vaatimuksiin.

Napamoottorit integroi moottori suoraan pyörän napaan – eteen tai taakse – siten, että staattori on kiinnitetty akseliin ja roottori muodostaa pyörää käyttävän ulkovaipan. Kiinteiden staattorikäämien ja pyörivän kestomagneettiroottorin välinen sähkömagneettinen vuorovaikutus kääntää pyörää suoraan ilman mekaanista voimansiirtoketjua moottorin ja pyörän välillä. Tämä yksinkertaisuus tekee napamoottoreista huoltoystävällisiä ja hiljaisia. Napamoottorit for electric bicycles and light electric vehicles sopii työmatka-, rahti- ja vapaa-ajan sovelluksiin, joissa yksinkertainen asennus ja vähäinen huolto ovat etusijalla.

Keskivetomoottorit aseta moottori polkupyörän alakiinnikkeeseen ja käytä kampea ja ketjua pyörän sijaan. Tämä järjestely antaa ajajan käyttää polkupyörän olemassa olevaa vaihteistoa moottorin vääntömomentin moninkertaistamiseen, mikä tekee keskiajojärjestelmistä huomattavasti tehokkaampia mäkisessä maastossa ja paremmin sovitettuja vaihteleviin kuormitusolosuhteisiin. Keskivetomoottorit for high-performance electric bikes tarjoavat vääntömomentin ja monipuolisuuden maastossa, joita maastopyörät, rahtipyörät ja suorituskykyiset työmatkasovellukset vaativat.

Kummassakaan kokoonpanossa moottori ei voi toimia tehokkaasti ilman sopivaa moottoriohjainta. Ohjain suorittaa elektronisen kommutoinnin, joka korvaa mekaaniset harjat, hallitsee virransyöttöä staattorin käämeille roottorin asennon takaisinkytkennän perusteella ja muuntaa ajajan syötteen (kaasu, polkimen aputason) tarkaksi vääntömomentiksi. Harjattomat DC-moottoriohjaimet napa- ja keskikäyttöjärjestelmille on suunniteltu vastaamaan tiettyjä moottorikäämikokoonpanoja, jännitealueita ja tiedonsiirtoprotokollia. Täydellisiä käyttöjärjestelmiä rakentaville insinööreille ja integraattoreille ohjaimen ja moottorin pariliitosopas tarjoaa spesifikaatioita vastaavan kehyksen, jota tarvitaan yhteensopivien ohjain- ja moottoriyhdistelmien valitsemiseen tietylle ajoneuvoalustalle ja suoritustavoitteelle.