Sähkömoottori

Sähkömoottori  on sähkökone ( sähkömekaaninen muunnin ), jossa sähköenergia muunnetaan mekaaniseksi energiaksi .

Kuinka se toimii

Suurin osa sähkökoneista perustuu sähkömagneettisen induktion periaatteeseen . Sähkökone koostuu kiinteästä osasta - staattorista (asynkronisille ja synkronisille AC-koneille), liikkuvasta osasta - roottorista (asynkronisille ja synkronisille AC-koneille) tai ankkurista (tasavirtakoneille). Pienitehoisten tasavirtamoottoreiden kelan roolissa kestomagneetteja käytetään hyvin usein .

Induktiomoottorin roottori voi olla:

• oikosuljettu;
• vaihe (käämityksellä) - käytetään, kun on tarpeen vähentää käynnistysvirtaa ja säätää asynkronisen sähkömoottorin nopeutta. Useimmissa tapauksissa nämä ovat MTN-sarjan nosturimoottoreita, joita käytetään laajasti nosturiasennuksissa.

Ankkuri on tasavirtakoneiden (moottori tai generaattori) liikkuva osa tai ns. yleismoottori (jota käytetään sähkötyökaluissa), joka toimii samalla periaatteella.

Itse asiassa yleismoottori on sama DC-moottori (DC-moottori), jossa on sarjaherätys (ankkuri ja kelan käämit on kytketty sarjaan). Ero on vain käämien laskelmissa. Tasavirralla ei ole reaktiivista (induktiivista tai kapasitiivista) vastusta. Siksi kaikki " myllyt ", jos poistat elektroniikkayksikön siitä, toimivat täysin tasavirralla, mutta pienemmällä verkkojännitteellä.

Kolmivaiheisen asynkronisen sähkömoottorin toimintaperiaate

Verkkoon liitettynä staattoriin syntyy pyöreä pyörivä magneettikenttä, joka läpäisee oikosuljetun roottorin käämin ja indusoi siihen induktiovirran. Tästä eteenpäin Ampèren lain mukaisesti (poikkeutusvoima vaikuttaa magneettikenttään sijoitettuun virtaa kuljettavaan johtimeen) roottori alkaa pyöriä. Roottorin nopeus riippuu syöttöjännitteen taajuudesta ja magneettinapaparien lukumäärästä.

Staattorin magneettikentän pyörimistaajuuden ja roottorin pyörimistaajuuden väliselle erolle on ominaista luisto . Moottoria kutsutaan asynkroniseksi, koska staattorin magneettikentän pyörimistaajuus ei ole sama kuin roottorin pyörimistaajuus.

Synkronisella moottorilla on ero roottorin rakenteessa. Roottori on valmistettu joko kestomagneetilla tai sähkömagneetilla tai siinä on osa oravahäkkiä (käynnistystä varten) ja kestomagneetteja tai sähkömagneetteja. Synkronisessa moottorissa staattorin magneettikentän pyörimisnopeus ja roottorin pyörimisnopeus ovat samat. Käytä käynnistykseen asynkronisia apumoottoreita tai roottoria, jossa on oravahäkkikäämitys. Synkroniset moottorit ovat monimutkaisempia ja kalliimpia kuin asynkroniset moottorit, ja siksi niitä käytetään paljon harvemmin.

Asynkronisia moottoreita käytetään laajalti kaikilla tekniikan aloilla. Tämä pätee erityisesti rakenteeltaan yksinkertaisiin ja kestäviin kolmivaiheisiin asynkronimoottoreihin, joissa on oravahäkkiroottori, jotka ovat luotettavampia ja halvempia kuin kaikki sähkömoottorit eivätkä käytännössä vaadi huoltoa. Jos kolmivaiheista verkkoa ei ole, asynkroninen moottori voidaan kytkeä yksivaiheiseen virtaverkkoon.

Asynkronisen sähkömoottorin staattori koostuu, kuten synkronisessa koneessa, pakkauksesta, joka on koottu lakatuista sähköteräslevyistä, joiden paksuus on 0,5 mm ja jonka uriin käämitys asetetaan. Asynkronisen kolmivaihemoottorin staattorikäämin kolme vaihetta, jotka on tilallisesti siirtynyt 120 °, on yhdistetty toisiinsa tähdellä tai kolmiolla.

Kuvassa on kaavio kaksinapaisesta koneesta - neljä paikkaa jokaiselle vaiheelle. Kun staattorin käämit saavat virtaa kolmivaiheisesta verkosta, saadaan pyörivä kenttä, koska käämin vaiheiden virrat, jotka ovat tilallisesti siirtyneet 120 ° toisiinsa nähden, ovat vaihesiirretty suhteessa toisiinsa 120 °.

Synkronisella nopeudella nc p napaparin sähkömoottorin kentät ovat voimassa virran taajuudella :

50 Hz:n taajuudella saadaan = 1, 2, 3 (kaksi-, neli- ja kuusinapaiset koneet) synkronisen kentän kiertotaajuudet = 3000, 1500 ja 1000 rpm.

Induktiomoottorin roottori koostuu myös sähköteräslevyistä ja se voidaan valmistaa oravahäkkiroottoriksi (" oravahäkin " kanssa) tai roottoriksi liukurenkailla (vaiheroottori).

Oravahäkkiroottorissa käämitys koostuu metallitangoista (kuparista, pronssista tai alumiinista), jotka on sijoitettu uriin ja yhdistetty päistään oikosulkurenkailla. Liitos tehdään kovajuottamalla tai hitsaamalla. Alumiinin tai alumiiniseosten tapauksessa roottorin tangot ja oikosulkurenkaat, mukaan lukien niissä sijaitsevat tuulettimen siivet, valmistetaan ruiskuvalulla.

Liukurenkailla varustetun sähkömoottorin roottorissa on kolmivaiheinen käämitys urissa, samanlainen kuin staattorin käämitys, joka on yhdistetty esimerkiksi tähdellä; vaiheiden alku on kytketty kolmeen akseliin kiinnitettyyn kosketinrenkaaseen. Moottoria käynnistettäessä ja nopeutta säädettäessä voidaan roottorin käämityksen vaiheisiin kytkeä reostaatit (liukurenkaiden ja harjojen kautta). Onnistuneen käynnistyksen jälkeen liukurenkaat oikosuljetaan niin, että moottorin roottorin käämitys suorittaa samat toiminnot kuin oravahäkkiroottorin tapauksessa.

Asynkronisia sähkömoottoreita käytetään laajalti raskaassa teollisuudessa kompressorien tai tasasuuntaajien apukoneita.

Asynkronisilla sähkömoottoreilla on useita etuja kollektoreihin verrattuna, kuten: vähemmän ankkurin kulumista kollektorin puuttumisen vuoksi, säätelyn vaihtelevuus, suurempi hyötysuhde ja yksinkertainen rakenne .

Vuonna 2018 ryhmä bulgarialaisia ​​keksijöitä, joita johti Alexander Khristovin, kehitti tehokkaamman version oikosulkumoottorista, jossa roottorin sähkökäämityksellä varustettu ulkoosa on erotettu ferromagneettisesta ytimestä [1] . Roottorin ferromagneettinen sisäosa on kiinnitetty laakereilla moottorin akseliin ja voi pyöriä erillään roottorin ulkoosasta. Siten roottorin ulkoosa yhdessä akselin kanssa pyörii asynkronisesti, kuten perinteisissä asynkronisissa moottoreissa, ja roottorin sisäosa pyörii synkronisesti staattorin synnyttämän magneettikentän kanssa, eli kuten tahdistusmoottorin roottori. . Siten häviöitä pienennetään eliminoimalla pyörrevirtojen muodostuminen roottorin ferromagneettisessa ytimessä ja sen jatkuva uudelleenmagnetoituminen.

Sähkömoottorien luokitus

Vääntömomentin esiintymisen periaatteen mukaan sähkömoottorit voidaan jakaa hystereesi- ja magnetosähköisiin . Ensimmäisen ryhmän moottoreille vääntömomentti syntyy hystereesin vuoksi, kun roottori magnetoidaan uudelleen. Nämä moottorit eivät ole perinteisiä eikä niitä käytetä laajasti teollisuudessa.

Yleisimmät ovat magnetosähkömoottorit, jotka on jaettu kahteen suureen ryhmään kulutetun energian tyypin mukaan - DC- ja AC-moottorit (on myös yleismoottoreita , joita voidaan käyttää molemmilla virroilla).

DC-moottorit

DC-moottori  on moottori, jossa vaihekytkentä suoritetaan suoraan itse moottorissa. Tämän ansiosta tällaista moottoria voidaan käyttää tasavirralla, mutta myös vaihtovirralla. Brittitieteilijä William Sturgeon keksi ensimmäisen kommutoidun tasavirtamoottorin, joka pystyy pyörittämään mekanismejavuonna 1832 [2] . Sturgeonin työn jälkeen amerikkalainen keksijä Thomas Davenport ja hänen vaimonsa Emily Davenport rakensivat kommutaattorityyppisen tasavirtamoottorin, jonka hän patentoi vuonna 1837 [3] .

Tämä moottoriryhmä puolestaan ​​​​jaetaan vaiheiden kytkentämenetelmän mukaan ja takaisinkytkentä on jaettu:

1. Keräimen moottorit ;
2. Venttiilimoottorit (harjaton sähkömoottori).

Harja-keräinkokoonpano mahdollistaa koneen pyörivän osan piirien sähköisen synkronisen kytkennän ja on epäluotettavin ja vaikeimmin huollettava rakenneelementti. [neljä]

Herätyksen tyypin mukaan kollektorimoottorit voidaan jakaa:

1. Moottorit, joissa on sähkömagneeteista ja kestomagneeteista riippumaton viritys ;
2. Moottorit itsevirityksellä.

Itsevirittyvät moottorit jaetaan:

1. Moottorit, joissa on rinnakkainen heräte (ankkurikäämi on kytketty rinnan kenttäkäämin kanssa);
2. Jaksottaiset viritysmoottorit (ankkurikäämitys on kytketty sarjaan virityskäämin kanssa);
3. Sekaviritysmoottorit (osa virityskäämistä on kytketty sarjaan ankkurikäämin kanssa ja toinen osa on kytketty rinnan ankkurikäämin kanssa tai sarjaan kytketty ankkurikäämitys ja ensimmäinen virityskäämi, riippuen vaaditusta kuormitusominaisuudesta).

Harjattomat moottorit ( kiinteät moottorit ) - sähkömoottorit, joissa vaihekytkentä suoritetaan erityisellä elektronisella yksiköllä ( invertteri ), voivat olla takaisinkytketyllä roottorin asentotunnistimella tai ilman palautetta, itse asiassa asynkronisen analogia.

Sykkivät virtamoottorit

Sykkivä virtamoottori - sähkömoottori, joka saa käyttövoimansa sykkivällä sähkövirralla . Se on rakenteeltaan hyvin samanlainen kuin tasavirtamoottori. Sen suunnitteluerot DC-moottoriin verrattuna ovat runkoon asettaminen, laminoidut lisänapat, suurempi määrä napapareja ja kompensointikäämin olemassaolo. Sitä käytetään sähkövetureissa, joissa on vaihtovirran tasasuuntauslaitteisto [5]

AC-moottorit

AC-moottori – vaihtovirralla  toimiva sähkömoottori. Toimintaperiaatteen mukaan nämä moottorit jaetaan synkronisiin ja asynkronisiin moottoreihin . Olennainen ero on, että synkronisissa koneissa staattorin magnetomotorisen voiman ensimmäinen harmoninen liikkuu roottorin nopeudella (josta roottori itse pyörii staattorissa olevan magneettikentän pyörimisnopeudella), kun taas asynkronisissa koneissa on aina ero roottorin pyörimisnopeuden ja staattorin magneettikenttien pyörimisnopeuden välillä (kenttä pyörii nopeammin kuin roottori).

Synkroninen sähkömoottori  - vaihtovirtasähkömoottori, jonka roottori pyörii synkronisestisyöttöjännitteen magneettikentän kanssa.

Synkroniset moottorit jaetaan [6] :

• synkroninen moottori virityskäämeillä. Näitä moottoreita käytetään yleensä suurilla tehoilla (satoja kilowatteja ja enemmän). [7] [8]
• synkroninen moottori kestomagneeteilla;
• synkroninen reluktanssi moottori;
• hystereesimoottori ;
• askelmoottori ;
• hybridi kestomagneetti synkroninen reluktanssi moottori;
• jet-hystereesimoottori.

On olemassa synkronimoottoreita, joissa roottori- askelmoottoreiden kulmaliike on diskreetti . Heillä on tietty roottorin asento, joka on kiinnitetty syöttämällä tehoa vastaaviin käämeihin. Siirtyminen toiseen asentoon suoritetaan poistamalla syöttöjännite joistakin käämeistä ja siirtämällä se toisiin. Toinen synkronimoottoreiden tyyppi on venttiilireluktanssimoottori , jonka käämien tehonsyöttö muodostetaan puolijohdeelementeistä.

Asynkroninen sähkömoottori  on vaihtovirtasähkömoottori, jossa roottorin nopeus eroaa syöttöjännitteen synnyttämän pyörivän magneettikentän taajuudesta. Nämä moottorit ovat tällä hetkellä yleisimpiä.

Vaiheiden lukumäärän mukaan AC-moottorit jaetaan:

• yksivaiheinen  - manuaalisesti käynnistetty, niissä on käynnistyskäämi, vaiheensiirtopiiri tai suojatut navat ;
• kaksivaiheinen  - mukaan lukien kondensaattori ;
• kolmivaiheinen ;
• monivaiheinen ;

Yleiskokoinen sähkömoottori

Yleiskollektorimoottori - kollektorisähkömoottori, joka voi toimia sekä tasa- että vaihtovirralla. Se valmistetaan vain sarjavirityskäämityksellä, jonka teho on enintään 200 W. Staattori on laminoitu (valmistettu yksittäisistä levyistä) erikoissähköteräksestä. Herätyskäämi kytketään päälle osittain vaihtovirralla ja kokonaan tasavirralla. Vaihtovirralla nimellisjännite on 127, 220 V, tasavirralla 110, 220 V. Sitä käytetään kodinkoneissa, sähkötyökaluissa.

50 Hz:n teollisuusverkosta saatavat AC-moottorit eivät salli yli 3000 rpm:n nopeutta. Siksi korkeiden taajuuksien saamiseksi käytetään kollektorisähkömoottoria, joka on lisäksi kevyempi ja pienempi kuin saman tehon AC-moottori, tai käytetään erityisiä siirtomekanismeja, jotka muuttavat mekanismin kinemaattiset parametrit haluamamme ( kertoimet).

Taajuusmuuttajaa tai suurtaajuusverkkoa käytettäessä (100, 200, 400 Hz) AC-moottorit ovat kevyempiä ja pienempiä kuin kollektorimoottorit (kollektorikokoonpano vie joskus puolet tilasta). Asynkronisten AC-moottoreiden resurssit ovat paljon suuremmat kuin kollektorimoottoreilla, ja sen määrää laakerien kunto ja käämien eristys.

Synkroninen moottori, jossa on roottorin asentoanturi ja invertteri, on DC-kollektorimoottorin elektroninen analogi.

Tarkkaan ottaen yleiskommutaattorimoottori on DC-kommutaattorimoottori, jossa on sarjaan kytketyt virityskäämit (staattori), joka on optimoitu toimimaan kotitalouksien sähköverkon vaihtovirralla. Tämän tyyppiset moottorit, riippumatta käytetyn jännitteen napaisuudesta, pyörivät yhteen suuntaan, koska staattorin ja roottorin käämien sarjakytkennän vuoksi niiden magneettikenttien napojen muutos tapahtuu samanaikaisesti ja tuloksena oleva momentti pysyy suunnattuina. yksi suunta. Vaihtovirralla työskentelyyn käytetään staattoria, joka on valmistettu magneettisesti pehmeästä materiaalista, jolla on pieni hystereesi (uudelleenmagnetoinnin vastustuskyky). Pyörrevirtahäviöiden vähentämiseksi staattori on valmistettu eristetyistä levyistä. Ominaisuus (useimmissa tapauksissa etu) tällaisen moottorin toiminnalle vaihtovirralla (eikä saman jännitteen tasavirralla) on se, että hitaalla nopeudella (käynnistys ja ylikuormitus) induktiivinen vastus staattorin käämitys rajoittaa kulutetun virran ja vastaavasti moottorin maksimivääntömomentin (arvioitu) 3-5:een nimellisarvosta (vastaan ​​5-10, kun sama moottori saa virtaa tasavirralla). Yleiskäyttöisten moottoreiden mekaanisten ominaisuuksien arvioimiseksi voidaan käyttää staattorikäämien osiointia - erilliset johtopäätökset (ja pienempi määrä staattorikäämin kierroksia) vaihtovirran kytkemiseksi.

Synkroninen mäntämoottori

Sen toimintaperiaate on, että moottorin liikkuva osa on tankoon kiinnitetty kestomagneetti. Kiinteiden käämien läpi johdetaan vaihtovirta ja kestomagneetit käämien synnyttämän magneettikentän vaikutuksesta liikuttavat sauvaa edestakaisin. [9]

Historia

Brittiläinen tiedemies Michael Faraday osoitti periaatteen sähköenergian muuttamiseksi mekaaniseksi energiaksi sähkömagneettisen kentän avulla vuonna 1821, ja se koostui vapaasti riippuvasta langasta, joka oli kastettu elohopeaan. Kestomagneetti asennettiin elohopeakylvyn keskelle. Kun virta kuljetettiin langan läpi, lanka kiertyi magneetin ympäri, mikä osoitti, että virta aiheutti syklisen magneettikentän johtimen ympärille [10] . Tätä laitetta esitellään usein koulun fysiikan tunneilla käyttämällä elektrolyyttiä myrkyllisen elohopean sijasta. Tämä on sähkömoottorien luokan yksinkertaisin muoto. Myöhempi parannus on Barlow Wheel . Se oli esittelylaite, joka ei sovellu käytännön sovelluksiin rajoitetun tehon vuoksi.

Keksijät pyrkivät luomaan sähkömoottorin teollisuuden tarpeisiin. He yrittivät saada rautasydän liikkumaan sähkömagneetin kentässä edestakaisin, eli samalla tavalla kuin mäntä liikkuu höyrykoneen sylinterissä. Venäläis-preussilainen tiedemies B.S. Jacobi meni toiseen suuntaan. Vuonna 1834 hän loi maailman ensimmäisen käytännöllisen sähkömoottorin pyörivällä ankkurilla ja julkaisi teoreettisen teoksen "Sähkömagnetismin käytöstä koneen liikuttamiseen". B. S. Jacobi kirjoitti, että hänen moottorinsa on yksinkertainen ja "antaa suoran ympyräliikkeen, joka on paljon helpompi muuntaa muun tyyppiseksi liikkeeksi kuin edestakaisin".

Jacobi-moottorin ankkurin pyörimisliike johtui sähkömagneettien vuorottelevasta vetovoimasta ja hylkimisestä. Kiinteä ryhmä U-muotoisia sähkömagneetteja sai virtaa suoraan galvaanisesta akusta, ja virran suunta näissä sähkömagneeteissa pysyi muuttumattomana. Liikkuva sähkömagneettiryhmä yhdistettiin akkuun kommutaattorin kautta, jonka avulla kunkin sähkömagneetin virran suuntaa muutettiin kahdeksan kertaa levyn kierrosta kohden. Tässä tapauksessa sähkömagneettien napaisuus muuttui vastaavasti, ja vastaava kiinteä sähkömagneetti veti ja hylkäsi vuorotellen jokaista liikkuvaa sähkömagneettia: moottorin akseli alkoi pyöriä. Tällaisen moottorin teho oli vain 15 wattia. Myöhemmin Jacobi nosti sähkömoottorin tehon 550 wattiin. Tämä moottori asennettiin ensin veneeseen ja myöhemmin rautatien laiturille.

Vuonna 1839 Jacobi rakensi sähkömagneettisella moottorilla varustetun veneen, joka kehitti 1 hevosvoiman 69 Grove-elementistä ja liikutti venettä 14 matkustajan kanssa Nevaa pitkin virtaa vastaan. Tämä oli ensimmäinen sähkömagnetismin soveltaminen liikkumiseen suuressa mittakaavassa.

Muistiinpanot

1. ↑ Sähkökone, jossa on liikkuva itseohjautuva apustaattori  .
2. ↑ Rob Mead päivitetty viimeksi. 15 parasta brittiläistä teknistä keksintöä koskaan  . TechRadar (26. helmikuuta 2009). Haettu: 3. joulukuuta 2021.
3. ↑ Vare, Ethlie Ann. Selvästi naispuolinen: AZT:stä TV-illallisiin, tarinoita naiskeksijistä ja heidän läpimurtoideoistaan ​​/ Ethlie Ann Vare, Greg Ptacek. — Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, Inc, marraskuu 2001. — s. 28. — ISBN 978-0-471-02334-0 .
4. ↑ Belov et ai., 2007 , s. 27.
5. ↑ Sidorov N. I., Sidorova N. N. Kuinka sähköveturi toimii ja toimii - M .: Transport, 1988. - ISBN 5-277-00191-3 . – Levikki 70 000 kappaletta. - S. 47.
6. ↑ Sähkömoottorit - tyypit, parametrit, toimintaperiaate . engineering-solutions.ru Haettu: 7.9.2016. (määrätön)
7. ↑ Kolmivaiheiset asynkroniset sähkömoottorit. Tarina. Kasvien SYSTEMAKS . SYSTEMMAX . Haettu: 3. joulukuuta 2021. (Venäjän kieli)
8. ↑ Belov et ai., 2007 , s. 28.
9. ↑ Hiterer M. Ya., Ovchinnikov I. E. Synkroniset sähköiset edestakaisliikkeet, St. Petersburg, Crown, 2008, ISBN 978-5-7931-0493-7
10. ↑ Voinarovsky P.D. ,. Sähkömoottorit // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : 86 nidettä (82 osaa ja 4 lisäosaa). - Pietari. , 1890-1907.

Kirjallisuus

• Belov MP, Novikov VA, Rassudov LN Tyypillisten tuotantomekanismien ja teknisten kompleksien automaattinen sähkökäyttö. - 3. painos, Rev. - M . : Publishing Center "Academy", 2007. - 575 s. — (Ammatillinen korkeakoulutus). - 1000 kappaletta.  - ISBN 978-5-7695-4497-2 .
• Voinarovsky P.D .,. Sähkömoottorit // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : 86 nidettä (82 osaa ja 4 lisäosaa). - Pietari. , 1890-1907.

Linkit

• Sähkömoottorit: mitä ne ovat
• Vektoriohjaus asynkroniselle sähkömoottorille "sormissa"