Elektrisk motor

En elektrisk motor  er en elektrisk maskine ( elektromekanisk konverter ), hvori elektrisk energi omdannes til mekanisk energi .

Sådan virker det

Langt de fleste elektriske maskiner er baseret på princippet om elektromagnetisk induktion . En elektrisk maskine består af en fast del - en stator (til asynkrone og synkrone AC-maskiner), en bevægelige del - en rotor (til asynkrone og synkrone AC-maskiner) eller et anker (til DC-maskiner). I rollen som en induktor på DC-motorer med lav effekt bruges permanente magneter meget ofte .

Rotoren på en induktionsmotor kan være:

• kortsluttet;
• fase (med vikling) - bruges, hvor det er nødvendigt at reducere startstrømmen og justere hastigheden af ​​den asynkrone elektriske motor. I de fleste tilfælde er der tale om kranmotorer af MTN-serien, som er meget brugt i kraninstallationer.

Et armatur er en bevægelig del af DC-maskiner (motor eller generator) eller en såkaldt universalmotor (som bruges i elværktøj), der fungerer efter samme princip.

Faktisk er en universalmotor den samme DC-motor (DC-motor) med seriemagnetisering (anker- og induktorviklingerne er forbundet i serie). Forskellen er kun i beregningerne af viklingerne. Ved jævnstrøm er der ingen reaktiv (induktiv eller kapacitiv) modstand. Derfor vil enhver " kværn ", hvis du fjerner den elektroniske enhed fra den, være fuldt funktionsdygtig på jævnstrøm, men ved en lavere netspænding.

Princippet om drift af en trefaset asynkron elektrisk motor

Ved tilslutning til netværket opstår der et cirkulært roterende magnetfelt i statoren, som trænger ind i den kortsluttede rotorvikling og inducerer en induktionsstrøm i den. Herfra, efter Ampères lov (en afbøjningskraft virker på en strømførende leder placeret i et magnetfelt), begynder rotoren at rotere. Rotorhastigheden afhænger af frekvensen af ​​forsyningsspændingen og af antallet af par magnetiske poler.

Forskellen mellem rotationsfrekvensen af ​​statorens magnetfelt og rotorens rotationsfrekvens er karakteriseret ved slip . Motoren kaldes asynkron, fordi rotationsfrekvensen af ​​statorens magnetfelt ikke falder sammen med rotorens rotationsfrekvens.

Synkronmotoren har en forskel i rotorens design. Rotoren er lavet enten af ​​en permanent magnet eller en elektromagnet, eller den har en del af et egernbur (til start) og permanente magneter eller elektromagneter. I en synkronmotor er rotationshastigheden af ​​statormagnetfeltet og rotorens rotationshastighed den samme. For at starte skal du bruge asynkrone hjælpemotorer eller en rotor med en egern-bur-vikling. Synkronmotorer er mere komplekse og dyrere end asynkronmotorer og bruges derfor meget sjældnere.

Asynkronmotorer er meget udbredt i alle grene af teknologi. Dette gælder især for enkle design og holdbare trefasede asynkronmotorer med egern-burrotorer, som er mere pålidelige og billigere end alle elektriske motorer og praktisk talt ikke kræver nogen vedligeholdelse. Hvor der ikke er et trefaset netværk, kan en asynkronmotor tilsluttes et enfaset strømnet.

Statoren til en asynkron elektrisk motor består, som i en synkronmaskine, af en pakke, der er samlet af lakerede plader af elektrisk stål 0,5 mm tyk, i hvis riller viklingen er lagt. Tre faser af statorviklingen af ​​en asynkron trefasemotor, rumligt forskudt med 120 °, er forbundet med hinanden af ​​en stjerne eller en trekant.

Figuren viser et skematisk diagram af en to-polet maskine - fire slots for hver fase. Når statorviklingerne forsynes fra et trefaset netværk, opnås et roterende felt, da strømmene i viklingens faser, som er rumligt forskudt med 120 ° i forhold til hinanden, faseforskydes i forhold til hinanden med 120 °.

For en synkron hastighed nc er felterne i en elektrisk motor med p-par poler gyldige ved en strømfrekvens :

Ved en frekvens på 50 Hz opnår vi for = 1, 2, 3 (to-, fire- og sekspolede maskiner) synkrone feltrotationsfrekvenser = 3000, 1500 og 1000 rpm.

Rotoren på en induktionsmotor består også af plader af elektrisk stål og kan laves i form af en egern-burrotor (med et " egernbur ") eller en rotor med slæberinge (faserotor).

I en egern-burrotor består viklingen af ​​metalstænger (kobber, bronze eller aluminium), som er placeret i riller og forbundet i enderne med kortslutningsringe. Forbindelsen udføres ved hårdlodning eller svejsning. I tilfælde af aluminium eller aluminiumslegeringer fremstilles rotorstængerne og kortslutningsringene, inklusive blæserbladene placeret på dem, ved sprøjtestøbning.

Rotoren på en elektrisk motor med slæberinge har en trefaset vikling i rillerne, svarende til statorviklingen, forbundet med for eksempel en stjerne; begyndelsen af ​​faserne er forbundet med tre kontaktringe fastgjort på akslen. Ved start af motoren og til justering af omdrejningstallet kan rheostater tilsluttes rotorens viklings faser (gennem slæberinge og børster). Efter et vellykket opløb kortsluttes slæberingene, så motorrotorviklingen udfører de samme funktioner som ved en egern-burrotor.

Asynkrone elektriske motorer er meget udbredt i den tunge industri som hjælpemaskiner til kompressorer eller ensrettere.

Asynkrone elektriske motorer har en række fordele i forhold til kollektormotorer, såsom: mindre armaturslid på grund af fravær af en kollektor, kontrolvariabilitet, højere effektivitet og enkelt design .

I 2018 udviklede en gruppe bulgarske opfindere ledet af Alexander Khristov en mere effektiv version af induktionsmotoren, hvor den ydre del af rotoren med elektriske viklinger er adskilt fra den ferromagnetiske kerne [1] . Den indre ferromagnetiske del af rotoren er fastgjort med lejer til motorakslen og kan rotere separat fra den ydre del af rotoren. Således roterer den ydre del af rotoren sammen med akslen asynkront, som i traditionelle asynkronmotorer, og den indre del af rotoren roterer synkront med det magnetiske felt, der skabes af statoren, dvs. som rotoren på en synkronmotor. . Således reduceres tab ved at eliminere dannelsen af ​​hvirvelstrømme i rotorens ferromagnetiske kerne og dens kontinuerlige remagnetisering.

Klassificering af elektriske motorer

Ifølge princippet om forekomsten af ​​drejningsmoment kan elektriske motorer opdeles i hysterese og magnetoelektriske . For motorer i den første gruppe skabes drejningsmomentet på grund af hysterese , når rotoren remagnetiseres. Disse motorer er ikke traditionelle og er ikke meget brugt i industrien.

De mest almindelige er magnetoelektriske motorer, som er opdelt i to store grupper efter typen af ​​forbrugt energi - DC-motorer og AC-motorer (der findes også universalmotorer, der kan drives af begge typer strøm).

DC-motorer

En DC-motor  er en motor, hvor faseomskiftningen udføres direkte i selve motoren. Takket være dette kan en sådan motor drives af jævnstrøm, men også af vekselstrøm. Den første kommuterede jævnstrømsmotor, der er i stand til at rotere mekanismer, blev opfundet af den britiske videnskabsmand William Sturgeon i 1832 [2] . Efter Sturgeons arbejde byggede den amerikanske opfinder Thomas Davenport og hans kone Emily Davenport en DC-motor af kommutatortypen, som han patenterede i 1837 [3] .

Denne gruppe af motorer er igen opdelt efter metoden til at skifte faser, og tilstedeværelsen af ​​feedback er opdelt i:

1. Samlermotorer ;
2. Ventilmotorer (børsteløs elmotor).

Børsteopsamlerenheden giver elektrisk synkron omskiftning af kredsløbene i den roterende del af maskinen og er det mest upålidelige og vanskelige at vedligeholde strukturelement. [fire]

Afhængigt af typen af ​​excitation kan kollektormotorer opdeles i:

1. Motorer med uafhængig excitation fra elektromagneter og permanente magneter ;
2. Motorer med selvmagnetisering.

Selvspændte motorer er opdelt i:

1. Motorer med parallel excitation (armaturviklingen er forbundet parallelt med feltviklingen);
2. Sekventielle excitationsmotorer (armaturviklingen er forbundet i serie med excitationsviklingen);
3. Blandede excitationsmotorer (en del af excitationsviklingen er forbundet i serie med ankeret, og den anden del er forbundet parallelt med ankerviklingen eller i serieforbundet ankervikling og den første excitationsvikling, afhængigt af den nødvendige belastningskarakteristik).

Børsteløse motorer ( solidless motors ) - elektriske motorer, hvor faseskift udføres ved hjælp af en speciel elektronisk enhed ( inverter ), kan være med feedback ved hjælp af en rotorpositionssensor , eller uden feedback, faktisk en analog af asynkron.

Pulserende strømmotorer

Pulserende strømmotor - en elektrisk motor drevet af en pulserende elektrisk strøm . Designet minder meget om en jævnstrømsmotor. Dens designforskelle fra en jævnstrømsmotor er indsættelsen i rammen, laminerede ekstra poler, et større antal polpar og tilstedeværelsen af ​​en kompensationsvikling. Den bruges på elektriske lokomotiver med installationer til ensretning af vekselstrøm [5]

AC-motorer

AC motor  - en elektrisk motor drevet af vekselstrøm . Ifølge driftsprincippet er disse motorer opdelt i synkrone og asynkrone motorer . Den grundlæggende forskel er, at i synkrone maskiner bevæger den første harmoniske af statorens magnetomotoriske kraft sig med rotorens hastighed (på grund af hvilken rotoren selv roterer med rotationshastigheden af ​​magnetfeltet i statoren), mens der i asynkrone maskiner er er altid en forskel mellem rotorens rotationshastighed og rotationshastigheden af ​​magnetfelterne i statoren (feltet roterer hurtigere end rotoren).

Synkron elektrisk motor  - en vekselstrømselektrisk motor, hvis rotor roterer synkront medforsyningsspændingens magnetfelt .

Synkronmotorer er opdelt i [6] :

• synkronmotor med excitationsviklinger. Disse motorer bruges normalt ved høje ydelser (hundredevis af kilowatt og derover). [7] [8]
• synkronmotor med permanente magneter;
• synkron reluktansmotor;
• hysterese motor ;
• stepmotor ;
• hybrid permanent magnet synkron reluktansmotor;
• jet-hysterese motor.

Der findes synkronmotorer med diskret vinkelbevægelse af rotor- trinmotorerne . De har en given position af rotoren er fastgjort ved at levere strøm til de tilsvarende viklinger. Overgangen til en anden position udføres ved at fjerne forsyningsspændingen fra nogle viklinger og overføre den til andre. En anden type synkronmotorer er en ventilreluktansmotor , hvis strømforsyning af viklingerne er dannet ved hjælp af halvlederelementer.

En asynkron elektrisk motor  er en vekselstrømselektrisk motor, hvor rotorhastigheden afviger fra frekvensen af ​​det roterende magnetfelt, der skabes af forsyningsspændingen. Disse motorer er de mest almindelige i øjeblikket.

I henhold til antallet af faser er AC-motorer opdelt i:

• enkeltfaset  - manuelt startet, har en startvikling, et faseskiftende kredsløb eller afskærmede poler ;
• tofaset  - inklusive kondensator ;
• trefaset ;
• flerfaset ;

Universal samler elektrisk motor

Universal solfangermotor - en solfanger elmotor, der kan fungere på både jævn- og vekselstrøm. Den er kun fremstillet med en seriel excitationsvikling med en effekt på op til 200 W. Statoren er lamineret (fremstillet af individuelle plader) af specielt elektrisk stål. Excitationsviklingen tændes delvist med vekselstrøm og helt med jævnstrøm. For vekselstrøm er den nominelle spænding 127, 220 V, for jævnstrøm 110, 220 V. Den bruges i husholdningsapparater, elværktøj.

AC-motorer drevet af et 50 Hz industrielt lysnet tillader ikke en hastighed højere end 3000 rpm. For at opnå høje frekvenser bruges derfor en kollektorelektrisk motor, som desuden er lettere og mindre end en vekselstrømsmotor med samme effekt, eller der bruges specielle transmissionsmekanismer, der ændrer mekanismens kinematiske parametre til det, vi har brug for ( multiplikatorer).

Når du bruger frekvensomformere eller har et højfrekvensnetværk (100, 200, 400 Hz), er AC-motorer lettere og mindre end kollektormotorer (kollektorsamlingen optager nogle gange halvdelen af ​​pladsen). Ressourcen til asynkrone vekselstrømsmotorer er meget højere end for kollektormotorer og bestemmes af lejernes og viklingsisoleringens tilstand.

En synkronmotor med en rotorpositionssensor og en inverter er en elektronisk analog til en DC-kollektormotor.

Strengt taget er en universal kommutatormotor en DC-kommutatormotor med excitations (stator) viklinger forbundet i serie, optimeret til drift på vekselstrøm i et husstands elektriske netværk. Denne type motor, uanset polariteten af ​​den påførte spænding, roterer i én retning, da på grund af serieforbindelsen af ​​stator- og rotorviklingerne sker ændringen af ​​polerne af deres magnetiske felter samtidigt, og det resulterende moment forbliver rettet i en retning. For at kunne arbejde på vekselstrøm anvendes en stator af et magnetisk blødt materiale med en lille hysterese (modstand mod remagnetisering). For at reducere hvirvelstrømstab er statoren lavet af isolerede plader. En funktion (i de fleste tilfælde en fordel) ved driften af ​​en sådan motor på vekselstrøm (og ikke på jævnstrøm med samme spænding) er, at den induktive modstand i lavhastighedstilstanden (opstart og overbelastning) af statorviklingerne begrænser den forbrugte strøm og følgelig det maksimale motormoment (estimeret) op til 3-5 fra det nominelle (mod 5-10, når den samme motor drives af jævnstrøm). For at tilnærme de mekaniske egenskaber af motorer til generelle formål kan sektionering af statorviklingerne anvendes - separate konklusioner (og et mindre antal omdrejninger af statorviklingen) til tilslutning af vekselstrøm.

Synkron frem- og tilbagegående motor

Princippet for dens drift er, at den bevægelige del af motoren er en permanent magnet fastgjort på stangen. En vekselstrøm føres gennem de faste viklinger, og de permanente magneter, under påvirkning af det magnetiske felt, der skabes af viklingerne, bevæger stangen på en frem- og tilbagegående måde. [9]

Historie

Princippet om at omdanne elektrisk energi til mekanisk energi ved hjælp af et elektromagnetisk felt blev demonstreret af den britiske videnskabsmand Michael Faraday i 1821 og bestod af en frithængende ledning dyppet i kviksølv. En permanent magnet blev installeret i midten af ​​kviksølvbadet. Når en strøm blev ført gennem ledningen, roterede ledningen rundt om magneten, hvilket viste, at strømmen forårsagede et cyklisk magnetfelt omkring ledningen [10] . Denne enhed demonstreres ofte i skolernes fysiktimer ved at bruge en elektrolyt i stedet for giftigt kviksølv. Dette er den enkleste form for klassen af ​​elektriske motorer. En efterfølgende forbedring er Barlow-hjulet . Det var en demonstrationsenhed, uegnet til praktiske anvendelser på grund af begrænset effekt.

Opfinderne søgte at skabe en elektrisk motor til industrielle behov. De forsøgte at få jernkernen til at bevæge sig i feltet af en elektromagnet, der går frem og tilbage, det vil sige den måde et stempel bevæger sig i en dampmaskinecylinder. Den russisk-preussiske videnskabsmand B.S. Jacobi gik den anden vej. I 1834 skabte han verdens første praktiske elektriske motor med et roterende anker og udgav et teoretisk værk "Om brugen af ​​elektromagnetisme til at drive en maskine." B. S. Jacobi skrev, at hans motor er enkel og "giver en direkte cirkulær bevægelse, som er meget nemmere at konvertere til andre typer bevægelse end frem- og tilbagegående."

Rotationsbevægelsen af ​​ankeret i Jacobi-motoren skyldtes den vekslende tiltrækning og frastødning af elektromagneter. En fast gruppe af U-formede elektromagneter blev drevet af strøm direkte fra et galvanisk batteri, og retningen af ​​strømmen i disse elektromagneter forblev uændret. Den bevægelige gruppe af elektromagneter blev forbundet til batteriet gennem en kommutator, ved hjælp af hvilken retningen af ​​strømmen i hver elektromagnet blev ændret otte gange pr. omdrejning af disken. I dette tilfælde ændrede elektromagneternes polaritet sig tilsvarende, og hver af de bevægelige elektromagneter blev skiftevis tiltrukket og frastødt af den tilsvarende stationære elektromagnet: motorakslen begyndte at rotere. Effekten af ​​en sådan motor var kun 15 watt. Efterfølgende bragte Jacobi elmotorens effekt op på 550 watt. Denne motor blev først installeret på en båd og senere på en jernbaneperron.

I 1839 byggede Jacobi en båd med en elektromagnetisk motor, som udviklede 1 hestekræfter fra 69 Grove elementer og flyttede båden med 14 passagerer langs Neva mod strømmen. Dette var den første anvendelse af elektromagnetisme til bevægelse i stor skala.

Noter

1. ↑ Elektrisk maskine med en ekstra bevægelig selvstyrende stator  .
2. ↑ Rob Mead sidst opdateret. 15 bedste britiske tekniske opfindelser nogensinde  . TechRadar (26. februar 2009). Hentet: 3. december 2021.
3. ↑ Vare, Ethlie Ann. Patently kvinde: Fra AZT til tv-middage, historier om kvindelige opfindere og deres banebrydende ideer / Ethlie Ann Vare, Greg Ptacek. — Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, Inc., november 2001. — S. 28. — ISBN 978-0-471-02334-0 .
4. ↑ Belov et al., 2007 , s. 27.
5. ↑ Sidorov N. I., Sidorova N. N. Hvordan et elektrisk lokomotiv fungerer og fungerer - M .: Transport, 1988. - ISBN 5-277-00191-3 . – Oplag 70.000 eksemplarer. - S. 47.
6. ↑ Elektriske motorer - typer, parametre, funktionsprincip . engineering-solutions.ru Hentet: 7. september 2016. (ubestemt)
7. ↑ Trefasede asynkrone elektriske motorer. Historie. Anlæg SYSTEMAKS . SYSTEMMAX . Hentet: 3. december 2021. (Russisk)
8. ↑ Belov et al., 2007 , s. 28.
9. ↑ Hiterer M. Ya., Ovchinnikov I. E. Synchronous electric machines of reciprocating motion, St. Petersburg, Crown, 2008, ISBN 978-5-7931-0493-7
10. ↑ Voinarovsky P.D. ,. Elektriske motorer // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.

Litteratur

• Belov MP, Novikov VA, Rassudov LN Automatiseret elektrisk drev af typiske produktionsmekanismer og teknologiske komplekser. - 3. udg., Rev. - M . : Publishing Center "Academy", 2007. - 575 s. — (Højere faglig uddannelse). - 1000 eksemplarer.  - ISBN 978-5-7695-4497-2 .
• Voinarovsky P.D .,. Elektriske motorer // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.

Links

• Elektriske motorer: hvad er de
• Vektorstyring til en asynkron elektrisk motor "på fingrene"