Motor electric

Un motor electric  este o mașină electrică ( convertor electromecanic ) în care energia electrică este transformată în energie mecanică .

Cum funcționează

Marea majoritate a mașinilor electrice se bazează pe principiul inducției electromagnetice . O mașină electrică constă dintr-o parte fixă ​​- un stator (pentru mașinile asincrone și sincrone cu curent alternativ), o parte mobilă - un rotor (pentru mașinile cu curent alternativ asincron și sincrone) sau o armătură (pentru mașinile cu curent continuu). În rolul unui inductor pe motoarele de curent continuu de putere redusă, se folosesc foarte des magneții permanenți .

Rotorul unui motor cu inducție poate fi:

• circuit scurt;
• fază (cu înfășurare) - sunt utilizate acolo unde este necesară reducerea curentului de pornire și reglarea turației motorului electric asincron. În cele mai multe cazuri, acestea sunt motoare de macara din seria MTN, care sunt utilizate pe scară largă în instalațiile de macarale.

O armătură este o parte mobilă a mașinilor cu curent continuu (motor sau generator) sau un așa-numit motor universal (care este folosit la uneltele electrice) care funcționează pe același principiu.

De fapt, un motor universal este același motor de curent continuu (motor de curent continuu) cu excitație în serie (armătura și înfășurările inductoare sunt conectate în serie). Diferența este doar în calculele înfășurărilor. La curent continuu, nu există rezistență reactivă (inductivă sau capacitivă). Prin urmare, orice " râșniță ", dacă scoateți unitatea electronică din ea, va fi complet funcțională pe curent continuu, dar la o tensiune de rețea mai mică.

Principiul de funcționare a unui motor electric asincron trifazat

Când este conectat la rețea, în stator ia naștere un câmp magnetic circular rotativ, care pătrunde în înfășurarea rotorului în scurtcircuit și induce un curent de inducție în acesta. De aici, urmând legea lui Ampère (o forță de deviere acționează asupra unui conductor purtător de curent plasat într-un câmp magnetic), rotorul începe să se rotească. Viteza rotorului depinde de frecvența tensiunii de alimentare și de numărul de perechi de poli magnetici.

Diferența dintre frecvența de rotație a câmpului magnetic al statorului și frecvența de rotație a rotorului este caracterizată de alunecare . Motorul se numește asincron deoarece frecvența de rotație a câmpului magnetic al statorului nu coincide cu frecvența de rotație a rotorului.

Motorul sincron are o diferență în designul rotorului. Rotorul este realizat fie de un magnet permanent, fie de un electromagnet, fie are o parte dintr-o cușcă de veveriță (pentru pornire) și magneți permanenți sau electromagneți. Într-un motor sincron, viteza de rotație a câmpului magnetic al statorului și viteza de rotație a rotorului sunt aceleași. Pentru a începe, utilizați motoare electrice asincrone auxiliare sau un rotor cu o înfășurare în cușcă de veveriță. Motoarele sincrone sunt mai complexe și mai scumpe decât motoarele asincrone și, prin urmare, sunt folosite mult mai puțin frecvent.

Motoarele asincrone sunt utilizate pe scară largă în toate ramurile tehnologiei. Acest lucru este valabil mai ales pentru motoarele asincrone trifazate cu design simplu și durabile, cu rotoare cu colivie, care sunt mai fiabile și mai ieftine decât toate motoarele electrice și practic nu necesită întreținere. Acolo unde nu există o rețea trifazată, un motor asincron poate fi conectat la o rețea de curent monofazat.

Statorul unui motor electric asincron constă, ca la o mașină sincronă, dintr-un pachet asamblat din foi de oțel electric lăcuit de 0,5 mm grosime, în ale căror caneluri este așezată înfășurarea. Trei faze ale înfășurării statorului a unui motor trifazat asincron, deplasate spațial cu 120 °, sunt conectate între ele printr-o stea sau un triunghi.

Figura prezintă o diagramă schematică a unei mașini cu doi poli - patru sloturi pentru fiecare fază. Când înfășurările statorului sunt alimentate de la o rețea trifazată, se obține un câmp rotativ, deoarece curenții din fazele înfășurării, care sunt deplasați spațial cu 120 ° unul față de celălalt, sunt defazați unul față de celălalt cu 120. °.

Pentru o viteză sincronă nc, câmpurile unui motor electric cu p perechi de poli sunt valabile la o frecvență curentă :

La o frecvență de 50 Hz, obținem pentru = 1, 2, 3 (mașini cu doi, patru și șase poli) frecvențe de rotație a câmpului sincron = 3000, 1500 și 1000 rpm.

Rotorul unui motor cu inducție este, de asemenea, format din foi de oțel electric și poate fi realizat sub forma unui rotor cu colivie (cu o „ cușcă de veveriță ”) sau un rotor cu inele colectoare (rotor de fază).

Într-un rotor cu cușcă de veveriță, înfășurarea constă din tije metalice (cupru, bronz sau aluminiu), care sunt situate în caneluri și conectate la capete prin inele de scurtcircuitare. Conexiunea se face prin lipire tare sau sudare. În cazul aluminiului sau aliajelor de aluminiu, tijele rotorului și inelele de scurtcircuitare, inclusiv paletele ventilatorului amplasate pe acestea, sunt realizate prin turnare prin injecție.

Rotorul unui motor electric cu inele colectoare are o înfășurare trifazată în caneluri, similară înfășurării statorului, conectată, de exemplu, printr-o stea; începutul fazelor se leagă la trei inele de contact fixate pe arbore. La pornirea motorului si pentru reglarea turatiei se pot conecta reostate la fazele infasurarii rotorului (prin inele colectoare si perii). După o pornire reușită, inelele colectoare sunt scurtcircuitate, astfel încât înfășurarea rotorului motorului să îndeplinească aceleași funcții ca și în cazul unui rotor cu colivie.

Motoarele electrice asincrone sunt utilizate pe scară largă în industria grea ca mașini auxiliare pentru compresoare sau redresoare.

Motoarele electrice asincrone au o serie de avantaje față de cele colectoare, cum ar fi: mai puțină uzură a armăturii din cauza absenței unui colector, variabilitatea controlului, eficiență mai mare și design simplu .

În 2018, un grup de inventatori bulgari conduși de Alexander Khristov a dezvoltat o versiune mai eficientă a motorului cu inducție, în care partea exterioară a rotorului cu înfășurări electrice este separată de miezul feromagnetic [1] . Partea feromagnetică interioară a rotorului este atașată cu rulmenți la arborele motorului și se poate roti separat de partea exterioară a rotorului. Astfel, partea exterioară a rotorului, împreună cu arborele, se rotește asincron, ca în motoarele asincrone tradiționale, iar partea interioară a rotorului se rotește sincron cu câmpul magnetic creat de stator, adică, ca rotorul unui motor sincron. . Astfel, pierderile sunt reduse prin eliminarea formării de curenți turbionari în miezul feromagnetic al rotorului și remagnetizarea continuă a acestuia.

Clasificarea motoarelor electrice

Conform principiului apariției cuplului, motoarele electrice pot fi împărțite în histerezis și magnetoelectrice . Pentru motoarele din primul grup, cuplul este creat din cauza histerezisului atunci când rotorul este remagnetizat. Aceste motoare nu sunt tradiționale și nu sunt utilizate pe scară largă în industrie.

Cele mai frecvente sunt motoarele magnetoelectrice, care sunt împărțite în două mari grupe în funcție de tipul de energie consumată - motoare de curent continuu și motoare de curent alternativ (există și motoare universale care pot fi alimentate cu ambele tipuri de curent).

Motoare DC

Un motor de curent continuu  este un motor în care comutarea fazelor se realizează direct în motorul însuși. Datorită acestui lucru, un astfel de motor poate fi alimentat cu curent continuu, dar și cu curent alternativ. Primul motor de curent continuu cu comutație capabil de mecanisme de rotație a fost inventat de omul de știință britanic William Sturgeon în 1832 [2] . În urma lucrării lui Sturgeon, inventatorul american Thomas Davenport și soția sa Emily Davenport au construit un motor de curent continuu de tip comutator, pe care l-a brevetat în 1837 [3] .

Acest grup de motoare, la rândul său, este împărțit în funcție de metoda de comutare a fazelor, iar prezența feedback-ului este împărțită în:

1. Motoare colectoare ;
2. Motoare cu supape (motor electric fără perii).

Ansamblul perie-colector asigură comutarea electrică sincronă a circuitelor părții rotative a mașinii și este elementul structural cel mai nefiabil și dificil de întreținut. [patru]

În funcție de tipul de excitație, motoarele colectoarelor pot fi împărțite în:

1. Motoare cu excitație independentă de la electromagneți și magneți permanenți ;
2. Motoare cu autoexcitare.

Motoarele autoexcitate sunt împărțite în:

1. Motoare cu excitație paralelă (înfășurarea armăturii este conectată în paralel cu înfășurarea de câmp);
2. Motoare cu excitație secvențială (înfășurarea armăturii este conectată în serie cu înfășurarea de excitație);
3. Motoare cu excitație mixtă (o parte a înfășurării de excitație este conectată în serie cu armătura, iar a doua parte este conectată în paralel cu înfășurarea armăturii sau în înfășurarea armăturii conectată în serie și prima înfășurare de excitație, în funcție de caracteristica de sarcină necesară).

Motoare fără perii ( motoare fără perii ) - motoare electrice în care comutarea fazelor se realizează folosind o unitate electronică specială ( invertor ), pot fi cu feedback folosind un senzor de poziție a rotorului sau fără feedback, de fapt, un analog al asincron.

Motoare cu curent pulsat

Motor cu curent pulsat - un motor electric alimentat de un curent electric pulsat . Este foarte asemănător ca design cu un motor de curent continuu. Diferențele sale de design față de un motor de curent continuu sunt inserția în cadru, poli suplimentari laminati, un număr mai mare de perechi de poli și prezența unei înfășurări de compensare. Se folosește la locomotivele electrice cu instalații de redresare a curentului alternativ [5]

Motoare AC

Motor AC  - un motor electric alimentat de curent alternativ . Conform principiului de funcționare, aceste motoare sunt împărțite în motoare sincrone și asincrone . Diferența fundamentală este că la mașinile sincrone prima armonică a forței magnetomotoare a statorului se mișcă cu viteza rotorului (datorită căreia rotorul însuși se rotește cu viteza de rotație a câmpului magnetic din stator), în timp ce la mașinile asincrone există este întotdeauna o diferență între viteza de rotație a rotorului și viteza de rotație a câmpurilor magnetice din stator (câmpul se rotește mai repede decât rotorul).

Motor electric sincron  - un motor electric cu curent alternativ, al cărui rotor se rotește sincron cu câmpul magnetic al tensiunii de alimentare.

Motoarele sincrone sunt împărțite în [6] :

• motor sincron cu înfăşurări de excitaţie. Aceste motoare sunt de obicei folosite la puteri mari (de sute de kilowați și mai mult). [7] [8]
• motor sincron cu magneți permanenți;
• motor sincron cu reluctanta;
• motor histerezis ;
• motor pas cu pas ;
• motor hibrid cu magnet permanent sincron cu reluctanta;
• motor cu reacție-histerezis.

Există motoare sincrone cu mișcare unghiulară discretă a motoarelor rotor-pas . Ele au o poziție dată a rotorului este fixată prin alimentarea cu energie a înfășurărilor corespunzătoare. Trecerea la o altă poziție se realizează prin eliminarea tensiunii de alimentare de la unele înfășurări și transferarea acesteia în altele. Un alt tip de motoare sincrone este un motor cu reluctanță de supapă , a cărui sursă de alimentare a înfășurărilor este formată folosind elemente semiconductoare.

Un motor electric asincron  este un motor electric cu curent alternativ la care turația rotorului diferă de frecvența câmpului magnetic rotativ creat de tensiunea de alimentare. Aceste motoare sunt cele mai comune în prezent.

În funcție de numărul de faze, motoarele de curent alternativ sunt împărțite în:

• monofazat  - pornit manual, are o înfășurare de pornire, un circuit de defazare sau poli ecranați ;
• bifazat  - inclusiv condensator ;
• trifazat ;
• multifazic ;

Motor electric colector universal

Motor colector universal - un motor electric de colector care poate funcționa atât cu curent continuu, cât și cu curent alternativ. Este fabricat numai cu o înfășurare de excitație în serie la o putere de până la 200 W. Statorul este laminat (din plăci individuale) din oțel electric special. Înfășurarea de excitație este pornită parțial cu curent alternativ și complet cu curent continuu. Pentru curent alternativ, tensiunea nominală este de 127, 220 V, pentru curent continuu 110, 220 V. Se folosește la aparate electrocasnice, scule electrice.

Motoarele de curent alternativ alimentate de o rețea industrială de 50 Hz nu permit o viteză mai mare de 3000 rpm. Prin urmare, pentru a obține frecvențe înalte se folosește un motor electric de colector care, de altfel, este mai ușor și mai mic decât un motor AC de aceeași putere, sau se folosesc mecanisme speciale de transmisie care modifică parametrii cinematici ai mecanismului la ceea ce avem nevoie ( multiplicatori).

Când se folosesc convertizoare de frecvență sau au o rețea de înaltă frecvență (100, 200, 400 Hz), motoarele de curent alternativ sunt mai ușoare și mai mici decât motoarele colectoare (ansamblul colector ocupă uneori jumătate din spațiu). Resursa motoarelor cu curent alternativ asincron este mult mai mare decât cea a motoarelor colectoare și este determinată de starea lagărelor și a izolației înfășurării.

Un motor sincron cu un senzor de poziție a rotorului și un invertor este un analog electronic al unui motor colector de curent continuu.

Strict vorbind, un motor de comutator universal este un motor de comutator de curent continuu cu înfășurări de excitație (stator) conectate în serie, optimizat pentru funcționarea pe curent alternativ al unei rețele electrice de uz casnic. Acest tip de motor, indiferent de polaritatea tensiunii aplicate, se rotește într-o singură direcție, deoarece datorită conexiunii în serie a înfășurărilor statorului și rotorului, schimbarea polilor câmpurilor lor magnetice are loc simultan, iar momentul rezultat rămâne îndreptat în O singura directie. Pentru a putea lucra pe curent alternativ, se folosește un stator dintr-un material moale magnetic cu o histereză mică (rezistență la remagnetizare). Pentru a reduce pierderile de curenți turbionari, statorul este realizat din plăci izolate. O caracteristică (în cele mai multe cazuri, un avantaj) a funcționării unui astfel de motor pe curent alternativ (și nu pe curent continuu de aceeași tensiune) este că în modul de viteză mică (pornire și suprasarcină), rezistența inductivă a înfășurărilor statorului limitează curentul consumat și, în consecință, cuplul maxim al motorului (estimat) până la 3-5 față de nominal (față de 5-10 când același motor este alimentat cu curent continuu). Pentru a aproxima caracteristicile mecanice ale motoarelor de uz general, se poate utiliza secţionarea înfăşurărilor statorului - concluzii separate (și un număr mai mic de spire ale înfăşurării statorului) pentru conectarea curentului alternativ.

Motor alternativ sincron

Principiul funcționării sale este că partea mobilă a motorului este un magnet permanent fixat pe tijă. Un curent alternativ este trecut prin înfășurările fixe și magneții permanenți, sub influența câmpului magnetic creat de înfășurări, mișcă tija într-o manieră alternativă. [9]

Istorie

Principiul conversiei energiei electrice în energie mecanică printr-un câmp electromagnetic a fost demonstrat de omul de știință britanic Michael Faraday în 1821 și a constat într-un fir care atârnă liber înmuiat în mercur. Un magnet permanent a fost instalat în mijlocul băii de mercur. Când trecea un curent prin fir, firul s-a rotit în jurul magnetului, arătând că curentul a provocat un câmp magnetic ciclic în jurul firului [10] . Acest dispozitiv este adesea demonstrat la orele de fizică din școală, folosind un electrolit în loc de mercur toxic. Aceasta este cea mai simplă formă a clasei de motoare electrice. O îmbunătățire ulterioară este Barlow Wheel . Era un dispozitiv demonstrativ, nepotrivit aplicațiilor practice din cauza puterii limitate.

Inventatorii au căutat să creeze un motor electric pentru nevoile industriale. Ei au încercat să facă miezul de fier să se miște în câmpul unui electromagnet alternativ, adică în modul în care se mișcă un piston într-un cilindru al unui motor cu abur. Omul de știință ruso-prusac B.S. Jacobi a mers pe cealaltă direcție. În 1834, a creat primul motor electric practic din lume cu o armătură rotativă și a publicat o lucrare teoretică „Despre utilizarea electromagnetismului pentru a propulsa o mașină”. B. S. Jacobi a scris că motorul său este simplu și „oferă o mișcare circulară directă, care este mult mai ușor de convertit în alte tipuri de mișcare decât alternativă”.

Mișcarea de rotație a armăturii în motorul Jacobi s-a datorat atracției și respingerii alternative a electromagneților. Un grup fix de electromagneți în formă de U era alimentat de curent direct de la o baterie galvanică, iar direcția curentului în acești electromagneți a rămas neschimbată. Grupul mobil de electromagneți era conectat la baterie printr-un comutator, cu ajutorul căruia direcția curentului din fiecare electromagnet era schimbată de opt ori pe rotație a discului. În acest caz, polaritatea electromagneților s-a schimbat în consecință și fiecare dintre electromagneții mobili a fost atras și respins alternativ de electromagnetul staționar corespunzător: arborele motorului a început să se rotească. Puterea unui astfel de motor era de doar 15 wați. Ulterior, Jacobi a adus puterea motorului electric la 550 de wați. Acest motor a fost instalat mai întâi pe o barcă și mai târziu pe o platformă feroviară.

În 1839, Jacobi a construit o barcă cu motor electromagnetic, care a dezvoltat 1 cai putere din 69 de elemente Grove și a mutat barca cu 14 pasageri de-a lungul Nevei împotriva curentului. Aceasta a fost prima aplicare a electromagnetismului la locomoție pe scară largă.

Note

1. ↑ Mașină electrică cu un stator auxiliar mobil cu autodirecționare  .
2. ↑ Rob Mead ultima actualizare. 15 cele mai bune invenții  tehnologice britanice vreodată . TechRadar (26 februarie 2009). Preluat: 3 decembrie 2021.
3. ↑ Vare, Ethlie Ann. Femeie patentă: de la AZT la cine TV, povești ale femeilor inventatoare și ideile lor inovatoare / Ethlie Ann Vare, Greg Ptacek. — Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, Inc, noiembrie 2001. — P. 28. — ISBN 978-0-471-02334-0 .
4. ↑ Belov și colab., 2007 , p. 27.
5. ↑ Sidorov N. I., Sidorova N. N. Cum funcționează și funcționează o locomotivă electrică - M .: Transport, 1988. - ISBN 5-277-00191-3 . – Tiraj 70.000 de exemplare. - S. 47.
6. ↑ Motoare electrice - tipuri, parametri, principiu de funcționare . engineering-solutions.ru Preluat: 7 septembrie 2016. (nedefinit)
7. ↑ Motoare electrice asincrone trifazate. Poveste. SISTEME DE plante . SYSTEMMAX . Preluat: 3 decembrie 2021. (Rusă)
8. ↑ Belov și colab., 2007 , p. 28.
9. ↑ Hiterer M. Ya., Ovchinnikov I. E. Synchronous electric machines of reciprocating motion, Sankt Petersburg, Crown, 2008, ISBN 978-5-7931-0493-7
10. ↑ Voinarovsky P.D .,. Motoare electrice // Dicționar enciclopedic al lui Brockhaus și Efron  : în 86 de volume (82 de volume și 4 suplimentare). - Sankt Petersburg. , 1890-1907.

Literatură

• Belov MP, Novikov VA, Rassudov LN Acționare electrică automată a mecanismelor de producție tipice și a complexelor tehnologice. - Ed. a 3-a, Rev. - M . : Centrul de Editură „Academia”, 2007. - 575 p. — (Învățămînt profesional superior). - 1000 de exemplare.  - ISBN 978-5-7695-4497-2 .
• Voinarovsky P.D .,. Motoare electrice // Dicționar enciclopedic al lui Brockhaus și Efron  : în 86 de volume (82 de volume și 4 suplimentare). - Sankt Petersburg. , 1890-1907.

Link -uri

• Motoarele electrice: ce sunt
• Control vectorial pentru un motor electric asincron „pe degete”