Egyfázisú elektromos motor: AC és DC alapelvek, vezetékek, nyomaték és hibaelhárítás

Működési elve egy AC motor

Egy váltakozó áramú motor a váltakozó elektromos energiát elektromágneses indukcióval mechanikus forgássá alakítja. Az alapelv egyértelmű: amikor váltakozó áram folyik át az állórész tekercselésein, az olyan mágneses teret hoz létre, amely a tápfrekvencia és a póluspárok száma által meghatározott sebességgel forog – ez az ún. szinkron sebesség . Egy 50 Hz-es rendszerben kétpólusú állórésszel a szinkron fordulatszám 3000 RPM; 60 Hz-en 3600 RPM. Négy pólus esetén mindkét figura ennek megfelelően feleződik.

Egy indukciós motor — a leggyakoribb váltakozó áramú motortípus — a forgórész nincs elektromosan csatlakoztatva a tápellátáshoz. Ehelyett a forgó mágneses tér végigsöpör a rotor vezetőin, és feszültséget indukál a Faraday-féle elektromágneses indukciós törvény szerint. Ez az indukált feszültség áramot vezet át a rotor vezetőin. Ezek a forgórészáramok viszont létrehozzák a saját mágneses mezőt, amely kölcsönhatásba lép az állórész mezőjével, és olyan nyomatékot hoz létre, amely a forgórészt a forgásirányba húzza. A rotor soha nem éri el a szinkron fordulatszámot – a különbséget úgy hívják csúszás , jellemzően 2–8% teljes terhelésnél – mert a forgórésznek folytatnia kell a mezővonalak vágását, hogy fenntartsa az indukált áramot és nyomatékot. A nincs csúszás azt jelenti, hogy nincs indukció, nincs áram, nincs nyomaték.

Az a szinkron motor , a forgórész külön gerjesztve van, és a forgó mezőhöz rögzül, pontosan szinkron fordulatszámmal, nulla csúszással jár. A szinkronmotorokat ott használják, ahol pontos állandó fordulatszámra van szükség – generátorok, nagy ipari hajtások és néhány szervo-alkalmazás.

A váltakozó áramú motor alkatrészei: alkatrészek és funkcióik

A váltakozó áramú motorok belső architektúrájának megértése elengedhetetlen a kiválasztáshoz, a hibaelhárításhoz és a karbantartáshoz. A fő alkotóelemek az indukciós motortípusok között egységesek, bár a konstrukció részletei az egyfázisú és a háromfázisú kivitelek között változnak.

Állórész

Az állórész az álló külső egység. Laminált szilícium-acél magból áll – vékony lapokból (0,35–0,65 mm), egymásra rakva és összeragasztva az örvényáram-veszteségek minimalizálása érdekében –, a belső furatba lyukasztott résekekkel, hogy befogadhassa a réztekercset. A tekercsek úgy vannak elrendezve, hogy feszültség alatt meghatározott számú mágneses pólust hozzanak létre. Az állórészkeret, jellemzően öntöttvas vagy fröccsöntött alumínium, mechanikus házat biztosít, és hőelvezető útként működik.

Rotor

A forgórész a tengelyre szerelt forgó belső egység. A mókuskalitkás indukciós motorban – a legelterjedtebb kivitelben – a forgórész egy laminált magból áll, öntött alumínium- vagy rézrudakkal a hornyokban, amelyek mindkét végén rövidre vannak zárva véggyűrűkkel. A név a mókus gyakorlókerékhez való hasonlóságból származik. Nincs szükség külső csatlakozásokra. A tekercses forgórészes motorokban a szigetelt réz tekercsek csúszógyűrűkkel vannak összekötve a külső ellenállással, lehetővé téve az indítónyomaték és a fordulatszám beállítását.

Csapágyak

A mélyhornyú golyóscsapágyak sugárirányban és axiálisan támasztják meg a tengelyt mind a hajtóoldali, mind a nem hajtásvégi végpajzsoknál. A csapágy minősége és a kenési intervallum a motor élettartamának elsődleges meghatározói. A szennyeződésből, helytelen beállításból vagy kenőanyag-hiányból eredő idő előtti csapágyhibák kb. Az összes motorhiba 40-50%-a ipari szolgáltatásban.

Végpajzsok és tengely

A zárópajzsok (végharangok) zárják le a motorkeretet mindkét végén, helyezik el a csapágyakat, a TEFC (teljesen zárt ventilátorhűtéses) motoroknál pedig megtámasztják a belső ventilátor terelőlapot. A kimenő tengely tengelykapcsolón, szíjtárcsán vagy közvetlen karimás csatlakozáson keresztül továbbítja a nyomatékot a meghajtott terhelésnek. A tengely anyaga jellemzően közepes széntartalmú acél; a rozsdamentes acél tengelyek élelmiszer-minőségű vagy korrozív környezetre vannak előírva.

Hűtőventilátor és csatlakozódoboz

A nem hajtott végű tengelyre szerelt külső ventilátor a TEFC motorok keretén kívüli hűtőbordákon keresztül szívja a levegőt. A kapocsdoboz időjárásálló burkolatot biztosít a tápcsatlakozásokhoz, illetve az egyfázisú motoroknál a kondenzátorkapcsokhoz. A sorkapocsdobozok behatolásvédelmi (IP) besorolásúak – az IP55 szabvány az általános ipari használatra; IP65 vagy magasabb, lemosható környezetekhez.

Egyfázisú villanymotor: miért van szüksége segítségre az indításhoz?

Az egyfázisú indukciós motor alapvető problémát jelent: az egyfázisú tápegység a lüktető mágneses mező, nem forgó. A pulzáló mező matematikailag felbontható két egyenlő és egymással ellentétes forgó mezőre, amelyek kioltják egymást – nulla nettó indítónyomatékot eredményezve. A motornak nincs előnyben részesített forgásiránya álló helyzetben, és nem indul el magától.

Miután forog (bármelyik irányban), a két ellentétes irányban forgó mezőelem egyike dominál, és a motor tovább gyorsul és jár. A kihívás kizárólag indításkor jelentkezik. Minden egyfázisú motorkonstrukció elvileg ezt ugyanúgy oldja meg: hozzon létre egy második tekercset az állórészben térben eltolva, ebben a tekercsben a fő tekercshez képest fáziseltolt áramot visz, és a két áram együttesen egy kétfázisú forgó mező közelítését hozza létre, amely elegendő az indítónyomaték létrehozásához. A módszerek különböznek a fáziseltolódás elérésének módjában.

Egyfázisú indukciós motor vezetékek és kondenzátorok csatlakozásai

Kondenzátor-indító motor

Az a capacitor-start motor, an electrolytic start capacitor is wired in series with the auxiliary (start) winding. The capacitor shifts the auxiliary winding current approximately 80–90° ahead of the main winding current in phase — close to the 90° ideal for maximum starting torque. Starting torques of A teljes terhelésű nyomaték 200-350%-a elérhetőek. Amikor a motor eléri a szinkron fordulatszám körülbelül 75%-át, egy centrifugális kapcsoló leválasztja az indító tekercset és a kondenzátort az áramkörről. A fő tekercselés önmagában is elegendő, mert a motor immár önfenntartó.

Szabványos huzalozás kondenzátor-indító egyfázisú motorokhoz: a fő tekercs közvetlenül csatlakozik a vonalhoz (L) és a nullához (N). Az indító tekercs a főtekerccsel párhuzamosan, de az indítótekercs ágába sorosan bekötött indítókondenzátorral csatlakozik. A centrifugális kapcsoló sorba áll az indító tekercseléssel (a kondenzátor után), hogy az áramkört a futási sebesség elérésekor kinyitja.

Állandó osztott kondenzátoros (PSC) motor: A működés magyarázata

Az állandó osztott kondenzátoros motor a egyjáratú kondenzátor amely folyamatosan az áramkörben marad – mind indításkor, mind normál működés közben. Nincs centrifugális kapcsoló és nincs indítókondenzátor. Az üzemi kondenzátor sorba van kötve a segédtekerccsel, és folyamatosan feszültség alatt marad, folyamatosan két fázisra osztva az egyfázisú tápellátást a gyenge forgótér fenntartása érdekében.

A kompromisszum a csökkentett indítónyomaték – jellemzően csak a teljes terhelési nyomaték 30–60%-a –, mivel a futási kondenzátorok a működési hatékonyságra vannak méretezve, nem az indítási teljesítményre. A PSC motorok ezért alkalmasak alacsony indítónyomatékú alkalmazások: ventilátorok, fúvók, kis szivattyúk és légkezelők , ahol a meghajtott terhelés minimális nyomatékot igényel a mozgás megkezdéséhez. Cserébe a PSC motorok sima, csendes működést, a centrifugális kapcsoló meghibásodását nem biztosítják, jobb teljesítménytényezőt kínálnak, mint más egyfázisú típusok, és nagyobb futási hatékonyságot kínálnak. Ezek a domináns motortípusok a HVAC fan coil egységekben és a lakossági kemencefúvókban.

PSC motor huzalozása 4 vezetékes egyfázisú csatlakozással és kondenzátorral: két kapocs csatlakozik a fő tekercshez (M1, M2 - jellemzően barna és kék); két kapocs csatlakozik a segédtekercshez (A1, A2 - jellemzően piros és fekete). Az üzemi kondenzátor egy fő tekercs kapcsa és egy segédkapocs közé csatlakozik, jellemzően M2 és A1. A vonal és a semleges csatlakozik az M1-hez és az M2-höz. A pontos bekötés a gyártó által a motor adattábláján található kapocsrajztól függ – a csatlakoztatás előtt mindig ellenőrizze az adattáblát.

Kondenzátor-indítás, kondenzátor-futás motor

Ez a kialakítás egy nagy elektrolit indítókondenzátort és egy kisebb filmfutási kondenzátort is használ. Az indítókondenzátor nagy indítónyomatékot biztosít; a centrifugális kapcsoló lekapcsolja, ha eléri a sebességet, és csak a futási kondenzátor marad sorba a segédtekerccsel. Ez mindkét típus közül a legjobbat éri el: erős indítónyomatékot és hatékony futási teljesítményt. Kompresszorokban, nagynyomású mosókban és más olyan terheléseknél használják, amelyek nagy indítónyomatékot és folyamatos működési hatékonyságot igényelnek.

Hogyan változtassuk meg az egyfázisú motor forgásirányát

Az egyfázisú indukciós motor megfordítása úgy érhető el a fő tekercs vagy a segédtekercs csatlakozásainak felcserélése a betápláláshoz képest - nem mindkettő . Mindkét tekercs egyidejű cseréje változatlan marad a fázisviszonyok között, és nem fordítja meg a forgást.

A gyakorlatban a segédtekercs vezetékeit leggyakrabban felcserélik, mert kevesebb áramot visznek, és a csatlakozások könnyebben hozzáférhetők. A szabványos 4 vezetékes elrendezésű PSC motoron:

• Forgatás előre: Fő tekercselés M1→L, M2→N; kondenzátor M2 és A1 között; A2→N
• Fordított forgás: Cserélje fel az A1-et és az A2-t – kondenzátor M2 és A2 között; A1→N

A kondenzátoros indítómotorokra ugyanez az elv érvényes: csak az indító tekercs vezetékeit fordítsa meg. Sok egyfázisú motor gyárilag meghatározott forgásirányra van beállítva, és az indítótekercs vezetékei belülről vannak bekötve – ezekben az esetekben a megfordítás csak a motor kinyitásával és belső újracsatlakoztatásával lehetséges, vagy előfordulhat, hogy egyáltalán nem lehet megfordítani. A megfordíthatóság feltételezése előtt mindig ellenőrizze az adattáblát vagy a kapcsolási rajzot.

A háromfázisú motorokon a megfordítás sokkal egyszerűbb: cserélje fel a három tápfázisú csatlakozás közül bármelyik kettőt (L1, L2, L3). Az L1 és L2 felcserélése megfordítja a forgó mágneses mező sorrendjét, azonnal megfordítva a rotor irányát.

Mi történik a túlmelegedett ventilátormotorral

A ventilátormotorok – jellemzően a PSC kivitelek – különösen ki vannak téve a túlmelegedésnek, mivel hűtésük az általuk meghajtott ventilátoron áthaladó légáramlástól függ. Ha a levegő áramlása korlátozott, vagy a motor forró környezetben működik megfelelő szellőzés nélkül, a következmények kiszámítható és káros sorrendben következnek be.

Az első védelmi vonal a legtöbb motorban a termikus túlterhelés védő — bimetál szalag vagy PTC termisztor, amely az állórész tekercsébe van beágyazva vagy azokra szerelve. Ha a tekercs hőmérséklete meghaladja a kioldási küszöbértéket (általában 130–150°C B osztályú szigetelés esetén), a védő nyitja az áramkört és leállítja a motort. Az automatikus visszaállítás típusai újraindulnak, amikor a motor lehűl; a kézi visszaállítású típusok szándékos beavatkozást igényelnek. Az ismételt hőciklus ezen a védőn keresztül – a motor felmelegszik, leold, lehűl, újraindul – önmagában is pusztító hatású: minden ciklus hőterhelésnek teszi ki a tekercsszigetelést és a kondenzátort.

Ha a hővédő hiányzik, megkerülik, vagy nem kapcsol ki időben, a kár fokozódik:

• A tekercsszigetelés károsodása: A motorszigetelési osztályok (A osztály: 105°C, B osztály: 130°C, F osztály: 155°C, H osztály: 180°C) határozzák meg a maximális tekercselési hőmérsékletet. A névleges hőmérsékleti osztály feletti tartós működés exponenciálisan felgyorsítja a szigetelés öregedését – az Arrhenius-ökölszabály szerint minden 10°C-kal a névleges hőmérséklet fölé emelkedik a szigetelés élettartama felére csökken . Ami 20 éves motor volt, mérsékelt túlmelegedés esetén 5 éves motor lesz.
• Kondenzátor hiba: Az elektrolit indító kondenzátorok és a filmes futású kondenzátorok egyaránt lebomlanak tartós hőhatás hatására. Az elektrolit kondenzátorok elveszítik kapacitásukat, amikor az elektrolit elpárolog; a burkolat kidudorodhat vagy elrepedhet. A PSC motor meghibásodott futási kondenzátora miatt a motor elveszíti a fázisosztó segédmezőt, túl sok áramot vesz fel a fő tekercsben, és tovább túlmelegszik egy destruktív visszacsatoló hurokban.
• Csapágyzsír bontás: A legtöbb motorcsapágy gyárilag 120–150°C-os zsírral van kenve. E küszöbérték felett a zsír oxidálódik és elszenesedik, és gyorsan elveszíti kenőképességét. Az eredmény a csapágyak felgyorsult kopása, megnövekedett súrlódás, további hőképződés és a csapágyak esetleges beékelődése.
• Tekercselési rövidzárlat vagy testzárlat: A teljes szigetelésbontás lehetővé teszi a fordulatról-fordulóra vagy tekercselés-keret rövidzárlatokat, amelyek nagy hibaáramot, potenciális ívkárosodást és tűzveszélyt okoznak, ha a felfelé irányuló védelem nem szünteti meg gyorsan a hibát.

A túlmelegedés korai felismerése – időszakos infravörös hőméréssel, áramfigyeléssel vagy rezgéselemzéssel – sokkal olcsóbb, mint a meghibásodott motor cseréje és a kiváltó ok meghibásodás utáni diagnosztizálása.

Az egyenáramú motor működési elve

Az egyenáramú motor alapvetően más elven működik, mint az AC indukciós motor. Ahol egy váltakozó áramú motor elektromágneses indukciót használ a forgórész áramának indukálására, az egyenáramú motor közvetlen elektromos kapcsolaton keresztül egyenáramot ad mind az állórész mezőjére, mind a forgórészre (armatúrára).

A működési elv a Lorentz erőtörvény : a mágneses térben lévő áramvezető vezető az áram irányára és a tér irányára is merőleges erőt fejt ki. Egyenáramú motorban az állórész álló mágneses teret hoz létre (permanens mágneseken vagy mezőtekercseken keresztül). Az armatúra tekercseinek keféken és kommutátoron keresztül jutó egyenáram hatására minden armatúravezető Lorentz-erőt fejt ki. Ezen erők összege az összes vezetőre forgó nyomatékot hoz létre az armatúrán.

A kommutátor az az alkatrész, amely pontosan a megfelelő pillanatban megfordítja az áramot az armatúra vezetőin keresztül, hogy az armatúra forgása közben állandó nyomatékirányt tartson fenn. Ez egy szegmentált hengeres érintkező a tengelyre szerelve, szénkefék nyomva. Ahogy az armatúra forog, az egymást követő kommutátorszegmensek érintkeznek a kefékkel, így biztosítva, hogy az egyes vezetékekben az áram mindig a megfelelő irányba haladjon az állórész mezőjéhez képest, hogy ugyanabban a forgásirányban hozzon létre nyomatékot. Kommutáció nélkül a vezető olyan helyzetbe kerülne, ahol a Lorentz-erő megfordította az irányt, és a nettó nyomaték átlagosan nulla lenne.

A kefe nélküli egyenáramú motorokban (BLDC) a kommutációt elektronikusan egy vezérlő végzi, amely az álló tekercseken keresztül irányítja az áramot, állandó mágnesekkel a forgórészen. Ez kiküszöböli a kefe és a kommutátor kopását a motorvezérlő elektronika szükségessége árán.

Egyenáramú motor nyomatéka: képlet és kulcskapcsolatok

A torque produced by a DC motor is directly proportional to the armature current and the magnetic field strength. The fundamental torque equation is:

T = K × Φ × I _a

Ahol T a nyomaték (N·m), K a motorállandó (amelyet az armatúra tekercselés geometriája, a pólusok száma és a vezetők száma határoz meg), Φ a pólusonkénti mágneses fluxus (Wb), és I _a az armatúra árama (A). A K motorállandót néha (PZA) / (2πA) formában írják le, ahol P a pólusok száma, Z az armatúra vezetők száma, A pedig az armatúra tekercsben lévő párhuzamos utak száma.

Ebből a képletből számos fontos gyakorlati összefüggés következik:

• Az a shunt DC motor , a Φ mező fluxus lényegében állandó (a terepi tekercselés közvetlenül a tápfeszültségre csatlakozik). A nyomaték tehát egyenesen arányos csak az armatúra áramával: kétszerese az armatúra áramának, kétszerese a nyomatéknak. A sebességet elsősorban az EMF szabályozza, amely viszonylag stabil marad a terhelés változásával – így a söntmotorok alkalmasak állandó fordulatszámú alkalmazásokhoz, például esztergagépekhez és szállítószalagokhoz.
• Az a series DC motor , a terepi tekercs ugyanazt az áramot viszi, mint az armatúra. Alacsony sebességnél és nagy terhelésnél Φ és I is _a nagyok és fázisban vannak – a nyomaték hozzávetőlegesen az áram négyzetével arányos, így keletkezik nagyon magas indítónyomaték . Ennek köszönhetően a sorozatmotorok ideálisak vontatási alkalmazásokhoz (villamos mozdonyok, indítómotorok). A veszély: terhelés nélkül, semmi sem korlátozza az armatúraáram emelkedését, a fordulatszám korlátlanul növekszik – a sorozatmotorokat soha nem szabad terhelés nélkül járatni.
• Nyomaték és sebesség kompromisszum: Adott bemeneti teljesítmény esetén a nyomaték és a fordulatszám fordítottan összefügg — P = T × ω, ahol ω a szögsebesség rad/s-ban. Az azonos tengelyteljesítmény mellett alacsony fordulatszámon nagy nyomatékot vagy nagy fordulatszámon alacsony nyomatékot produkáló motor ugyanazon a hatékonysági ponton működik; az alkalmazás határozza meg, hogy melyik kombinációra van szükség.

Alacsony nyomatékú, nagy sebességű motorok: tervezési jellemzők és alkalmazások

Az alacsony nyomatékú, nagy sebességű motorokat úgy tervezték, hogy maximalizálják a tengely forgási sebességét, miközben elfogadják a csökkentett nyomatékot. Ezt a profilt olyan speciális tervezési döntésekkel érik el, amelyek lényegesen különböznek a nagy nyomatékú motorok kivitelétől.

A váltakozó áramú indukciós motorokban a nagyobb szinkronsebességhez kevesebb póluspárra van szükség: a 2 pólusú motor 3000 RPM (50 Hz) vagy 3600 RPM (60 Hz), míg a 4 pólusú motor 1500 / 1800 RPM fordulatszámmal működik. A normál szinkron fordulatszámon túli sebesség növeléséhez az alapfrekvencia feletti frekvenciaváltó (VFD) működésre van szükség – ha a frekvencia a névleges érték fölé emelkedik, a motor a fluxusgyengítő tartományban működik, ahol a nyomatékkapacitás a frekvencia növekedésével arányosan csökken , miközben a sebesség tovább növekszik. Ez a gép alapvető korlátja: állandó feszültség mellett a fluxus az alapsebesség felett gyengül, és a nyomatékkapacitás csökken.

Egyenáramú és BLDC motorokban a nagy sebességű kivitelek a következőket használják:

• Alacsony armatúra induktivitás, amely lehetővé teszi a gyors áramváltozást magas kommutációs frekvenciákon
• Erősebb állandó mágnesek (NdFeB) nagyobb fluxussűrűséggel a vissza-EMF sebesség fenntartása érdekében anélkül, hogy nagy armatúra-méretekre lenne szükség
• A forgórész precíziós kiegyensúlyozása a vibráció megelőzésére magas fordulatszámon – a kiegyensúlyozatlan erők a forgási sebesség négyzetével skálázódnak, így az egyensúlytűrés 10-szer kritikusabb 30 000 RPM-nél, mint 3 000 RPM-nél
• Speciális csapágyak (szögérintkezős vagy kerámia hibrid) nagy DN-értékre (furatátmérő mm × fordulatszám RPM)

Az alkalmazások közé tartoznak a fogászati kézidarabok (400 000 RPM), CNC orsók (20 000–60 000 RPM), centrifugális fúvók, turbomolekuláris vákuumszivattyúk és nagy sebességű csiszolóorsók. Ennél a fordulatszámnál a hajtott szerszám vagy járókerék biztosítja az effektív terhelést; A nyomatékigény szerény, de a precíz fordulatszám fenntartása és a kifutás minimalizálása kritikus fontosságú.

Mi fordítja meg az áram áramlását az elektromos motoron keresztül

A answer depends on the motor type — and the question has different meanings in AC and DC contexts.

Az a DC motor , az áram irányát bármely egyedi armatúravezetőn megfordítja a kommutátor and brush assembly . Ahogy az armatúra forog, minden kommutátor szegmens sorban áthalad a kefeérintkező alatt. Amikor egy vezető keresztezi a semleges síkot – azt a pozíciót, ahol a mágneses mező nem fejt ki érintőleges erőt –, a kefeérintkező átmegy az egyik kommutátor szegmensből a másikba, és az abban a vezetőben lévő áram megfordítja az irányt. Ez a fordulatonként sokszor előforduló mechanikus kapcsolási művelet egyirányú nyomatékot tart fenn a vezetők fizikai forgása ellenére a váltakozó térpolaritáson keresztül. A szénkefék a forgó kommutátorhoz nyomódnak a rugófeszültség alatt; A kefe-kommutátor érintkezési ellenállása és a kefe anyaga (réz-szén, elektrografit vagy ezüst-grafit minőség) befolyásolja a kommutáció minőségét és a kefe élettartamát.

Egy AC indukciós motor , az állórész tekercseinek árama természetes módon megfordul a tápfrekvencián - másodpercenként 50 vagy 60-szor -, mivel maga a tápfeszültség váltakozó. Nincs szükség mechanikus kapcsolásra. A forgórész árama a csúszással arányosan indukálódik és önmagától visszafordul. Az AC indukciós motorban nincs kommutátor.

Az a kefe nélküli DC (BLDC) motor , a kommutátor funkcióját az elektronikus fordulatszám-szabályozó (ESC) vagy a motorhajtás látja el, amely teljesítménytranzisztorok (általában MOSFET-ek vagy IGBT-k) segítségével kapcsolja át az egyes állórészfázisokon áthaladó áramot a megfelelő sorrendben a forgórész helyzetének Hall-effektus-érzékelőktől kapott visszacsatolása vagy az EMF-visszajelzés alapján. A vezérlő minden tekercspárban megfordítja az áramirányt a megfelelő rotorszögben, megismételve azt, amit a kommutátor mechanikusan csinál – de kopás nélkül, ívképződés nélkül és 95% feletti hatásfokkal a prémium kivitelben.