Elektromagnetické indukčné motory a striedavé motory: Ako fungujú

Elektromotory patria medzi najdôslednejšie vynálezy v histórii strojárstva a princíp, vďaka ktorému väčšina z nich funguje – elektromagnetická indukcia – bol založený takmer pred dvoma storočiami. Dnes ten istý princíp poháňa všetko od priemyselných kompresorov až po elektrické bicykle. Pochopenie toho, čo sú striedavé motory, ako ich poháňa elektromagnetická indukcia a ako sa táto technológia vyvinula do bezkomutátorových motorov používaných v modernej elektrickej mobilite, poskytuje úplný obraz o jednom z najodolnejších a najprispôsobivejších nápadov inžinierstva.

Čo je AC motor?

Striedavý motor je elektrický motor, ktorý premieňa elektrickú energiu striedavého prúdu (AC) na mechanickú rotačnú energiu. Na rozdiel od jednosmerných motorov (DC), ktoré pracujú s prúdom, ktorý tečie jedným smerom, striedavé motory bežia na prúde, ktorý periodicky mení smer – zvyčajne 50 alebo 60-krát za sekundu v závislosti od frekvencie elektrickej siete v regióne.

Každý striedavý motor pozostáva z dvoch základných mechanických komponentov. The stator je stacionárna vonkajšia zostava vytvorená z kruhu cievok elektromagnetu navinutých do laminovaného oceľového jadra. Keď striedavý prúd prúdi cez vinutia statora, vytvárajú magnetické pole. The rotor je otočná vnútorná zostava, umiestnená vo vnútri valcovej dutiny statora. Interakcia medzi magnetickým poľom statora a rotorom – dosiahnutá prostredníctvom elektromagnetickej indukcie, permanentných magnetov alebo externého budenia v závislosti od typu motora – generuje krútiaci moment, ktorý poháňa výstupný hriadeľ.

Striedavé motory sa delia do dvoch základných prevádzkových kategórií: indukčné (asynchrónne) motory a synchrónne motory. Indukčné motory sú oveľa bežnejším typom v priemyselných a komerčných aplikáciách, čo predstavuje prevažnú väčšinu motorov používaných na celom svete.

Princíp elektromagnetickej indukcie

Elektromagnetická indukcia je základom toho, ako indukčné motory generujú krútiaci moment bez akéhokoľvek elektrického spojenia s rotorom. Princíp, ktorý zaviedol Michael Faraday v roku 1831, hovorí, že meniace sa magnetické pole prechádzajúce cez vodič indukuje v tomto vodiči elektrický prúd. Tento indukovaný prúd zase vytvára svoje vlastné magnetické pole.

V indukčnom motore vytvárajú vinutia statora napájané striedavým prúdom magnetické pole, ktoré sa nepretržite otáča okolo otvoru statora. Toto točivé pole prechádza cez vodiče rotora a indukuje v nich prúd podľa Faradayovho zákona. Tento indukovaný prúd generuje sekundárne magnetické pole v rotore. Podľa Lenzovho zákona je toto sekundárne pole proti zmene, ktorá ho vytvorila - čo znamená, že sa snaží eliminovať relatívny pohyb medzi rotujúcim statorovým poľom a stacionárnym rotorom tým, že spôsobuje rotáciu rotora v rovnakom smere ako pole statora.

Výsledok: rotor sa otáča podľa rotujúceho magnetického poľa bez akéhokoľvek fyzického elektrického spojenia medzi statorom a rotorom. Žiadne kefy, žiadne klzné krúžky na strane rotora, žiadny komutátor – prenos energie prebieha výlučne cez meniace sa magnetické pole cez vzduchovú medzeru. To je dôvod, prečo sú indukčné motory tak mechanicky jednoduché, robustné a majú dlhú životnosť v porovnaní s motormi kefového typu: na rotore nie sú žiadne kontaktné komponenty, ktoré by sa opotrebovali.

Ako vzniká rotujúce magnetické pole

Rotujúce magnetické pole je kľúčovým mechanizmom, ktorý poháňa elektromagnetickú indukciu v striedavom motore – a je to nová vlastnosť trojfázového striedavého prúdu. V trojfázovom systéme sú tri samostatné striedavé napätia privádzané súčasne do troch sád statorových vinutí, pričom každý pár vinutí je fyzicky posunutý od ostatných o 120 stupňov okolo otvoru statora. Tieto tri napätia sú tiež elektricky posunuté o 120 stupňov, čo znamená, že dosahujú svoje maximálne hodnoty v rôznych okamihoch každého cyklu.

Keď každá fáza dosiahne svoj vrchol, elektromagnety nabudené touto fázou sa stanú najsilnejšími a pritiahnu efektívne magnetické pole statora smerom k tejto skupine pólov. Ako cyklus postupuje a ďalšia fáza vrcholí, pole sa posúva na ďalšiu sadu pólov - 120 stupňov okolo statora. Čistý efekt troch sád elektromagnetov, ktoré vrcholia v poradí, rovnomerne rozmiestnených po obvode, je magnetické pole, ktoré sa zdá, že sa hladko otáča okolo statora rýchlosťou určenou napájacou frekvenciou a počtom magnetických pólov vo vinutí statora.

Táto synchrónna rýchlosť v otáčkach za minútu je daná: Ns = (120 x f) / P , kde f je napájacia frekvencia v Hz a P je počet pólov. Dvojpólový motor na 50 Hz sa otáča synchrónnou rýchlosťou 3 000 ot./min.; štvorpólový motor na rovnakom zdroji sa otáča rýchlosťou 1 500 ot./min. Jednofázové motory môžu tiež vytvárať točivé pole, ale vyžadujú pomocné štartovacie vinutia alebo kondenzátory, pretože samotné jednofázové napájanie vytvára skôr pulzujúce ako rotačné pole.

Rotor a sklz v klietke veveričky

Najbežnejšou konštrukciou rotora v indukčných motoroch na striedavý prúd je rotor vo veveričke – pomenovaný pre svoju podobnosť s kolesom na cvičenie, ktoré používajú malé zvieratá. Pozostáva zo série hliníkových alebo medených vodičových tyčí uložených v drážkach v laminovanom železnom jadre, pričom tyče sú na oboch koncoch skratované vodivými koncovými krúžkami. Neexistujú žiadne vinutia, žiadna izolácia a žiadne vonkajšie elektrické spojenia – rotor je mechanicky jednoduchý na výrobu a za normálnych prevádzkových podmienok je prakticky nezničiteľný.

Keď rotujúce magnetické pole zo statora prechádza cez tieto vodivé tyče, indukuje prúdy, ktoré pretekajú cez tyče a okolo koncových krúžkov. Tieto cirkulujúce prúdy vytvárajú magnetické pole rotora, ktoré interaguje s poľom statora a vytvára krútiaci moment. Indukovaný prúd – a teda krútiaci moment – ​​závisí od rýchlosti, ktorou pole statora pretína tyče rotora. Ak by rotor dosiahol presne rovnakú rýchlosť ako rotujúce pole statora (synchrónna rýchlosť), nenastal by žiadny relatívny pohyb, žiadne rezanie poľa, žiadny indukovaný prúd a žiadny krútiaci moment. Rotor preto vždy beží o niečo pomalšie ako synchrónne otáčky.

Tento rozdiel rýchlosti sa nazýva sklzu vyjadrené ako percento synchrónnej rýchlosti. Pri voľnom zaťažení je sklz veľmi malý – zvyčajne 0,5 % až 1 %. Pri plnom menovitom zaťažení sa sklz zvyšuje na približne 3 % až 8 % v závislosti od konštrukcie motora. Sklz nie je nedostatok; je to nevyhnutný mechanizmus, ktorým indukčný motor generuje krútiaci moment. Bez sklzu nie je elektromagnetická indukcia a bez elektromagnetickej indukcie nie je krútiaci moment.

Indukčné motory verzus synchrónne motory

Synchrónne motory predstavujú ďalšiu hlavnú vetvu konštrukcie striedavých motorov. Tam, kde je rotor indukčného motora poháňaný výlučne elektromagneticky indukovanými prúdmi, je rotor synchrónneho motora vybavený permanentnými magnetmi alebo samostatne vybudenými elektromagnetmi, ktoré blokujú rotor presne na rýchlosť rotujúceho statorového poľa – s nulovým sklzom.

Synchrónne motory sa používajú tam, kde sa vyžaduje presná, konštantná rýchlosť bez ohľadu na kolísanie zaťaženia – v hodinách, generátoroch signálov a vysoko presných polohovacích pohonoch. Indukčné motory dominujú všeobecným priemyselným a komerčným aplikáciám kvôli ich nižším nákladom, vyššej robustnosti a schopnosti samoštartovania v trojfázových konfiguráciách.

Jednofázové vs trojfázové indukčné motory

Trojfázové indukčné motory sú samoštartovacie: trojfázové napájanie prirodzene vytvára rotujúce magnetické pole, ktoré okamžite začne indukovať krútiaci moment v rotore nakrátko, akonáhle je privedené napájanie. Sú efektívnejšie, produkujú vyšší účinník a používajú sa prakticky vo všetkých aplikáciách priemyselných motorov od malých čerpadiel až po multi-megawattové pohony.

Jednofázové indukčné motory predstavujú základnú výzvu: jednofázové striedavé napájanie vytvára pulzujúce magnetické pole, nie rotujúce. Pulzujúce pole môže udržať rotáciu, ale nemôže ju spustiť – motor nemá preferovaný smer otáčania a nulový čistý štartovací moment, keď stojí. Rieši to niekoľko stratégií dizajnu, z ktorých každá produkuje odlišný variant motora.

Od AC indukcie po Brushless DC: Moderná evolúcia

Bezkartáčový jednosmerný motor (BLDC) – v súčasnosti dominantný typ motora v elektrických bicykloch, e-skútroch, dronoch a pomocných pohonoch elektrických vozidiel – nie je indukčný motor na striedavý prúd v tradičnom zmysle slova. Skôr než sa spoliehať na elektromagneticky indukované prúdy rotora, BLDC motor používa na rotáciu permanentné magnety na rotore a elektronicky riadené prepínanie prúdu v statore. V tomto ohľade sa podobá synchrónnemu motoru viac ako indukčnému motoru.

Spojenie s princípmi striedavého motora spočíva v statore: stator BLDC motora vytvára rotujúce magnetické pole prostredníctvom presne načasovaného spínania jednosmerného prúdu cez jeho vinutia – efekt funkčne ekvivalentný tomu, čo dosahuje trojfázový striedavý prúd prostredníctvom sínusovej zmeny prúdu. Regulátor motora vykonáva elektronickú komutáciu, ktorá nahrádza kefy tradičného jednosmerného motora, pomocou spätnej väzby polohy rotora (zo snímačov Hallovho efektu alebo spätného EMF snímania) na napájanie správnych vinutí statora v každom momente rotačného cyklu.

Výsledkom je motor, ktorý kombinuje synchrónny chod a vysokú účinnosť synchrónneho motora s permanentným magnetom s ovládateľnosťou a kompaktnosťou, ktorú si vyžadujú aplikácie napájané z batérie. Motory BLDC eliminujú opotrebovanie kief, ktoré obmedzuje životnosť tradičných jednosmerných motorov, fungujú efektívne v širokom rozsahu otáčok a vytvárajú vysokú hustotu krútiaceho momentu v kompaktnom balení – čo z nich robí technický základ modernej elektrickej mobility.

Aplikácie v modernej elektrickej mobilite

Princípy elektromagnetickej indukcie a rotujúcich magnetických polí, vyvinuté v devätnástom storočí, sú priamo stelesnené v motoroch poháňajúcich dnešné elektrické bicykle a ľahké elektrické vozidlá – aj keď v ich modernej bezkartáčovej forme permanentných magnetov. Na tomto trhu dominujú dve odlišné konfigurácie motorov, z ktorých každá má iné výkonové charakteristiky vhodné pre rôzne štýly jazdy a požiadavky.

Nábojové motory integrujte motor priamo do náboja kolesa – predného alebo zadného – so statorom pripevneným k náprave a rotorom tvoriacim vonkajší plášť, ktorý poháňa koleso. Elektromagnetická interakcia medzi pevnými statorovými vinutiami a rotujúcim rotorom s permanentným magnetom priamo otáča koleso bez mechanického prenosu energie medzi motorom a kolesom. Vďaka tejto jednoduchosti sú motory nábojov nenáročné na údržbu a sú tiché. Nábojové motory for electric bicycles and light electric vehicles vhodné pre aplikácie na dochádzanie, náklad a voľný čas, kde je prioritou jednoduchá inštalácia a nízka údržba.

Motory so stredným pohonom umiestnite motor do spodnej konzoly bicykla a poháňajte radšej kľuku a reťaz ako priamo koleso. Toto usporiadanie umožňuje jazdcovi využiť existujúci prevodový systém bicykla na znásobenie krútiaceho momentu motora, vďaka čomu sú systémy stredného pohonu výrazne efektívnejšie v kopcovitom teréne a lepšie prispôsobené podmienkam premenlivého zaťaženia. Motory so stredným pohonom for high-performance electric bikes poskytujú krútiaci moment a všestrannosť terénu, ktorú vyžadujú horské e-bicykle, nákladné bicykle a výkonné aplikácie na dochádzanie.

V oboch konfiguráciách nemôže motor efektívne fungovať bez prispôsobeného ovládača motora. Riadiaca jednotka vykonáva elektronickú komutáciu, ktorá nahrádza mechanické kefy, riadi dodávku prúdu do vinutia statora na základe spätnej väzby polohy rotora a prevádza vstup jazdca (plyn, úroveň asistencie pedálu) na presný výstup krútiaceho momentu. Bezkartáčové ovládače jednosmerného motora pre systémy s nábojom a stredným pohonom sú navrhnuté tak, aby zodpovedali špecifickým konfiguráciám vinutia motora, rozsahom napätia a komunikačným protokolom. Pre inžinierov a integrátorov, ktorí budujú kompletné systémy pohonov, ovládač a sprievodca párovaním motora poskytuje rámec zodpovedajúci špecifikáciám potrebný na výber kompatibilných kombinácií ovládača a motora pre danú platformu vozidla a výkonnostný cieľ.