Elektromagnetski indukcijski motori i izmjenični motori: kako rade

Električni motori spadaju među najuspješnije izume u povijesti inženjerstva, a princip koji omogućuje rad većine njih — elektromagnetska indukcija — uspostavljen je prije gotovo dva stoljeća. Danas isti princip pokreće sve, od industrijskih kompresora do električnih bicikala. Razumijevanje što su izmjenični motori, kako ih pokreće elektromagnetska indukcija i kako je tehnologija evoluirala u motore bez četkica koji se koriste u modernoj električnoj mobilnosti daje cjelovitu sliku jedne od najtrajnijih i najprilagodljivijih inženjerskih ideja.

Što je AC motor?

AC motor je električni motor koji pretvara električnu energiju izmjenične struje (AC) u mehaničku energiju rotacije. Za razliku od istosmjernih (DC) motora, koji rade na struji koja teče u jednom smjeru, AC motori rade na struji koja povremeno mijenja smjer - obično 50 ili 60 puta u sekundi, ovisno o frekvenciji električne mreže u regiji.

Svaki AC motor sastoji se od dvije glavne mehaničke komponente. The stator je nepomični vanjski sklop, formiran od prstena elektromagnetskih zavojnica umotanih u laminiranu čeličnu jezgru. Kada izmjenična struja teče kroz namote statora, oni stvaraju magnetsko polje. The rotor je rotirajući unutarnji sklop, smješten unutar cilindrične šupljine statora. Interakcija između magnetskog polja statora i rotora — postignuta elektromagnetskom indukcijom, trajnim magnetima ili vanjskom pobudom, ovisno o vrsti motora — stvara okretni moment koji pokreće izlaznu osovinu.

AC motori se dijele u dvije osnovne radne kategorije: indukcijski (asinkroni) motori i sinkroni motori. Indukcijski motori daleko su češći tip u industrijskim i komercijalnim primjenama, čineći veliku većinu motora koji se koriste diljem svijeta.

Princip elektromagnetske indukcije

Elektromagnetska indukcija temelj je načina na koji indukcijski motori stvaraju moment bez ikakve električne veze s rotorom. Princip, koji je uspostavio Michael Faraday 1831. godine, kaže da promjenjivo magnetsko polje koje prolazi kroz vodič inducira električnu struju u tom vodiču. Ova inducirana struja pak proizvodi vlastito magnetsko polje.

U indukcijskom motoru, namoti statora koji se napajaju izmjeničnom strujom stvaraju magnetsko polje koje neprekidno rotira oko provrta statora. Ovo okretno polje prolazi kroz vodiče rotora, inducirajući u njima struju prema Faradayevom zakonu. Ta inducirana struja stvara sekundarno magnetsko polje u rotoru. Prema Lenzovom zakonu, ovo sekundarno polje suprotstavlja se promjeni koja ga je stvorila — što znači da pokušava eliminirati relativno gibanje između polja rotirajućeg statora i stacionarnog rotora uzrokujući rotaciju rotora u istom smjeru kao i polje statora.

Rezultat: rotor se vrti prateći rotirajuće magnetsko polje, bez ikakve fizičke električne veze između statora i rotora. Bez četkica, bez kliznih prstenova na strani rotora, bez komutatora — prijenos energije u potpunosti se odvija kroz promjenjivo magnetsko polje preko zračnog raspora. Zbog toga su indukcijski motori tako mehanički jednostavni, robusni i dugovječni u usporedbi s motorima s četkom: na rotoru nema kontaktnih komponenti koje bi se istrošile.

Kako se stvara rotirajuće magnetsko polje

Rotirajuće magnetsko polje ključni je mehanizam koji pokreće elektromagnetsku indukciju u izmjeničnom motoru — i novo je svojstvo trofazne izmjenične struje. U trofaznom sustavu, tri odvojena izmjenična napona dovode se istovremeno na tri skupa namota statora, pri čemu je svaki par namota fizički odmaknut od ostalih za 120 stupnjeva oko provrta statora. Tri napona su također električno pomaknuta za 120 stupnjeva — što znači da dostižu svoje vršne vrijednosti u različitim trenucima u svakom ciklusu.

Kako svaka faza doseže svoj vrhunac, elektromagneti koje ta faza napaja postaju najjači, povlačeći efektivno magnetsko polje statora prema tom nizu polova. Kako ciklus napreduje i sljedeća faza dostiže vrhunac, polje se pomiče na sljedeći skup polova - 120 stupnjeva oko statora. Ukupni učinak triju nizova elektromagneta koji imaju vrhunac u nizu, jednako raspoređenih po obodu, je magnetsko polje koje se čini da glatko rotira oko statora brzinom određenom frekvencijom napajanja i brojem magnetskih polova u namotu statora.

Ova sinkrona brzina u okretajima u minuti dana je kao: Ns = (120 × f) / P , gdje je f frekvencija napajanja u Hz, a P broj polova. Dvopolni motor na napajanju od 50 Hz rotira sinkronom brzinom od 3000 okr/min; četveropolni motor na istom izvoru vrti se brzinom od 1500 okr/min. Jednofazni motori također mogu proizvesti okretno polje, ali zahtijevaju pomoćne namotaje za pokretanje ili kondenzatore jer samo jednofazno napajanje proizvodi pulsirajuće, a ne okretno polje.

Kavezni rotor i skliznuti

Najčešća konstrukcija rotora u AC indukcijskim motorima je kavezni rotor — nazvan po sličnosti s kotačem za vježbanje koji koriste male životinje. Sastoji se od niza aluminijskih ili bakrenih vodiča umetnutih u utore u laminiranoj željeznoj jezgri, pri čemu su šipke kratko spojene na oba kraja provodnim krajnjim prstenovima. Nema namota, nema izolacije niti vanjskih električnih priključaka — rotor je mehanički jednostavan za proizvodnju i praktički neuništiv u normalnim radnim uvjetima.

Kada rotirajuće magnetsko polje iz statora prelazi preko ovih vodiča, inducira struje koje teku kroz šipke i oko krajnjih prstenova. Ove kružne struje proizvode magnetsko polje rotora, koje u interakciji s poljem statora stvara zakretni moment. Inducirana struja - a time i okretni moment - ovisi o brzini kojom polje statora presijeca poluge rotora. Kad bi rotor postigao točno istu brzinu kao polje rotirajućeg statora (sinkrona brzina), ne bi bilo relativnog gibanja, ne bi bilo rezanja polja, ne bi bilo inducirane struje niti momenta. Rotor stoga uvijek radi malo sporije od sinkrone brzine.

Ova razlika brzina se zove slip , izraženo kao postotak sinkrone brzine. Bez opterećenja, klizanje je vrlo malo — obično 0,5% do 1%. Pod punim nazivnim opterećenjem, klizanje se povećava na oko 3% do 8%, ovisno o dizajnu motora. Klizanje nije nedostatak; to je neophodan mehanizam kojim indukcijski motor stvara moment. Bez klizanja nema elektromagnetske indukcije, a bez elektromagnetske indukcije nema momenta.

Indukcijski motori nasuprot sinkronim motorima

Sinkroni motori predstavljaju drugu glavnu granu dizajna AC motora. Tamo gdje je rotor indukcijskog motora u potpunosti pokretan elektromagnetski induciranim strujama, rotor sinkronog motora opremljen je trajnim magnetima ili zasebno pobuđenim elektromagnetima koji zaključavaju rotor točno na brzinu rotirajućeg polja statora — s nultim klizanjem.

Sinkroni motori se koriste tamo gdje je potrebna precizna, stalna brzina bez obzira na varijacije opterećenja - u satovima, generatorima signala i pogonima za pozicioniranje visoke preciznosti. Indukcijski motori dominiraju općom industrijskom i komercijalnom primjenom zbog niže cijene, veće robusnosti i mogućnosti samopokretanja u trofaznim konfiguracijama.

Jednofazni u odnosu na trofazne indukcijske motore

Trofazni indukcijski motori se sami pokreću: trofazno napajanje prirodno proizvodi rotirajuće magnetsko polje, koje odmah počinje inducirati moment u kaveznom rotoru čim se priključi napajanje. Učinkovitiji su, proizvode veći faktor snage i koriste se u gotovo svim industrijskim motornim aplikacijama od malih pumpi do pogona od više megavata.

Jednofazni indukcijski motori predstavljaju temeljni izazov: jednofazno napajanje izmjeničnom strujom proizvodi pulsirajuće magnetsko polje, a ne rotirajuće. Pulsirajuće polje može održati rotaciju, ali je ne može pokrenuti — motor nema željeni smjer rotacije i nula neto početnog momenta kada miruje. Nekoliko strategija dizajna rješava ovo, a svaka proizvodi različitu varijantu motora.

Od AC indukcije do istosmjerne struje bez četkica: moderna evolucija

DC (BLDC) motor bez četkica — sada dominantan tip motora u električnim biciklima, e-skuterima, dronovima i pomoćnim pogonima električnih vozila — nije AC indukcijski motor u tradicionalnom smislu. Umjesto da se oslanja na elektromagnetski inducirane struje rotora, BLDC motor koristi trajne magnete na rotoru i elektronički kontrolirano preklapanje struje u statoru za proizvodnju rotacije. U tom smislu više nalikuje sinkronom motoru nego asinkronom motoru.

Povezanost s principima izmjeničnog motora leži u statoru: stator BLDC motora proizvodi rotirajuće magnetsko polje kroz precizno podešeno prebacivanje istosmjerne struje kroz svoje namote — učinak koji je funkcionalno ekvivalentan onome što trofazna izmjenična struja postiže varijacijom sinusne struje. Kontroler motora obavlja elektroničku komutaciju koja zamjenjuje četkice tradicionalnog istosmjernog motora, koristeći povratnu informaciju o položaju rotora (od senzora Hallovog efekta ili senzora povratnog EMF-a) za napajanje ispravnih namota statora u svakom trenutku ciklusa rotacije.

Rezultat je motor koji kombinira sinkroni rad i visoku učinkovitost sinkronog motora s trajnim magnetima s upravljivošću i kompaktnošću koju zahtijevaju aplikacije na baterije. BLDC motori eliminiraju trošenje četkica koje ograničava radni vijek tradicionalnih istosmjernih motora, rade učinkovito u širokom rasponu brzina i proizvode visoku gustoću okretnog momenta u kompaktnom paketu — što ih čini inženjerskim temeljem moderne električne mobilnosti.

Primjene u modernoj električnoj mobilnosti

Načela elektromagnetske indukcije i rotirajućih magnetskih polja, razvijena u devetnaestom stoljeću, izravno su utjelovljena u motorima koji pokreću današnje električne bicikle i laka električna vozila — iako u svom modernom obliku trajnog magneta bez četkica. Dvije različite konfiguracije motora dominiraju ovim tržištem, svaka s različitim karakteristikama performansi prilagođenim različitim stilovima vožnje i zahtjevima.

Motori glavčine integrirajte motor izravno u glavčinu kotača — prednju ili stražnju — sa statorom pričvršćenim na osovinu i rotorom koji tvori vanjsku školjku koja pokreće kotač. Elektromagnetska interakcija između fiksnih namota statora i rotirajućeg rotora s permanentnim magnetom izravno okreće kotač, bez mehaničkog lanca prijenosa snage između motora i kotača. Ova jednostavnost čini motore glavčine lakima za održavanje i tihim. Motori glavčine for electric bicycles and light electric vehicles odgovaraju primjenama na poslu, teretu i slobodno vrijeme gdje su prioriteti jednostavna instalacija i nisko održavanje.

Motori srednjeg pogona postavite motor na donji nosač bicikla, pokrećući polugu i lanac, a ne izravno kotač. Ovakav raspored omogućuje vozaču korištenje postojećeg sustava zupčanika bicikla za višestruki okretni moment motora, čineći sustave srednjeg pogona znatno učinkovitijima na brdovitom terenu i bolje usklađenim s uvjetima promjenjivog opterećenja. Motori srednjeg pogona for high-performance electric bikes isporučuju okretni moment i svestranost na terenu koju zahtijevaju brdski e-bicikli, teretni bicikli i učinkovite aplikacije za putovanje na posao.

U obje konfiguracije, motor ne može učinkovito raditi bez usklađenog regulatora motora. Upravljač obavlja elektroničku komutaciju koja zamjenjuje mehaničke četkice, upravlja isporukom struje do namota statora na temelju povratne informacije o položaju rotora i prevodi vozačev unos (gas, razina pomoći pedale) u precizan izlazni okretni moment. Kontroleri istosmjernog motora bez četkica za sustave glavčine i srednjeg pogona projektirani su tako da odgovaraju specifičnim konfiguracijama namota motora, rasponima napona i komunikacijskim protokolima. Za inženjere i integratore koji grade kompletne pogonske sustave, vodič za uparivanje kontrolera i motora pruža okvir za usklađivanje specifikacija potreban za odabir kompatibilnih kombinacija kontrolera i motora za danu platformu vozila i ciljane performanse.