موتورهای القایی الکترومغناطیسی و موتورهای AC: چگونه کار می کنند

موتورهای الکتریکی یکی از مهم ترین اختراعات در تاریخ مهندسی هستند و اصلی که باعث می شود اکثر آنها کار کنند - القایی الکترومغناطیسی - تقریباً دو قرن پیش ایجاد شد. امروزه، همین اصل همه چیز را از کمپرسورهای صنعتی گرفته تا دوچرخه های برقی نیرو می دهد. درک اینکه موتورهای AC چیست، چگونه القای الکترومغناطیسی آنها را به حرکت در می‌آورد، و چگونه این فناوری به موتورهای بدون جاروبک مورد استفاده در تحرک الکتریکی مدرن تبدیل شده است، تصویر کاملی از یکی از بادوام‌ترین و سازگارترین ایده‌های مهندسی ارائه می‌دهد.

موتور AC چیست؟

موتور AC موتور الکتریکی است که انرژی الکتریکی جریان متناوب (AC) را به انرژی چرخشی مکانیکی تبدیل می کند. برخلاف موتورهای جریان مستقیم (DC) که بر روی جریانی کار می‌کنند که در یک جهت جریان دارد، موتورهای AC با جریانی کار می‌کنند که به طور دوره‌ای جهت را معکوس می‌کند - معمولاً 50 یا 60 بار در ثانیه بسته به فرکانس شبکه برق منطقه.

هر موتور AC از دو جزء مکانیکی اصلی تشکیل شده است. را استاتور مجموعه بیرونی ثابتی است که از حلقه ای از سیم پیچ های آهنربای الکترومغناطیسی که به یک هسته فولادی چند لایه پیچیده شده است، تشکیل شده است. هنگامی که برق متناوب از طریق سیم پیچ های استاتور جریان می یابد، آنها یک میدان مغناطیسی تولید می کنند. را روتور مجموعه داخلی چرخان است که در داخل حفره استوانه ای استاتور قرار گرفته است. برهمکنش بین میدان مغناطیسی استاتور و روتور - که از طریق القای الکترومغناطیسی، آهنرباهای دائمی یا تحریک خارجی بسته به نوع موتور به دست می‌آید - گشتاوری را ایجاد می‌کند که شفت خروجی را به حرکت در می‌آورد.

موتورهای AC به دو دسته عملیاتی اساسی تقسیم می شوند: موتورهای القایی (ناهمزمان) و موتورهای سنکرون. موتورهای القایی بسیار رایج‌ترین نوع در کاربردهای صنعتی و تجاری هستند و اکثریت قریب به اتفاق موتورهای مورد استفاده در سراسر جهان را تشکیل می‌دهند.

اصل القای الکترومغناطیسی

القای الکترومغناطیسی پایه و اساس چگونگی تولید گشتاور موتورهای القایی بدون اتصال الکتریکی به روتور است. این اصل که توسط مایکل فارادی در سال 1831 ایجاد شد، بیان می‌کند که یک میدان مغناطیسی متغیر که از یک هادی عبور می‌کند، جریان الکتریکی را در آن رسانا القا می‌کند. این جریان القایی به نوبه خود میدان مغناطیسی خود را تولید می کند.

در موتور القایی، سیم‌پیچ‌های AC استاتور میدان مغناطیسی ایجاد می‌کنند که به طور مداوم در اطراف سوراخ استاتور می‌چرخد. این میدان دوار از هادی های روتور عبور می کند و با قانون فارادی جریانی را در آنها القا می کند. آن جریان القایی یک میدان مغناطیسی ثانویه در روتور ایجاد می کند. طبق قانون لنز، این میدان ثانویه با تغییری که آن را ایجاد کرده است مخالف است - به این معنی که سعی می‌کند حرکت نسبی بین میدان چرخان استاتور و روتور ثابت را با چرخش روتور در همان جهت میدان استاتور حذف کند.

نتیجه: روتور به دنبال میدان مغناطیسی در حال چرخش بدون هیچ گونه اتصال الکتریکی فیزیکی بین استاتور و روتور می چرخد. بدون برس، بدون حلقه های لغزنده در سمت روتور، بدون کموتاتور - انتقال انرژی به طور کامل از طریق میدان مغناطیسی متغیر در سراسر شکاف هوا انجام می شود. به همین دلیل است که موتورهای القایی از نظر مکانیکی بسیار ساده، مستحکم و در مقایسه با موتورهای نوع برس دار هستند: هیچ قطعه تماسی روی روتور وجود ندارد که فرسوده شود.

چگونه یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می شود

میدان مغناطیسی دوار مکانیزم کلیدی است که القای الکترومغناطیسی را در موتور AC به حرکت در می‌آورد - و این یک ویژگی اضطراری برق سه فاز AC است. در یک سیستم سه فاز، سه ولتاژ AC مجزا به طور همزمان به سه مجموعه سیم‌پیچ استاتور می‌رسد که هر جفت سیم‌پیچ از نظر فیزیکی ۱۲۰ درجه در اطراف سوراخ استاتور نسبت به سایر سیم‌پیچ‌ها فاصله دارد. این سه ولتاژ همچنین 120 درجه از نظر الکتریکی جبران می شوند - به این معنی که در لحظات مختلف در هر چرخه به حداکثر مقدار خود می رسند.

همانطور که هر فاز به اوج خود می رسد، الکترومغناطیس هایی که توسط آن فاز انرژی می گیرند قوی ترین می شوند و میدان مغناطیسی موثر استاتور را به سمت آن مجموعه از قطب ها می کشند. همانطور که چرخه پیشرفت می کند و فاز بعدی به اوج می رسد، میدان به مجموعه قطب های بعدی تغییر می کند - 120 درجه در اطراف استاتور. اثر خالص سه مجموعه از آهنرباهای الکترومغناطیسی که به ترتیب به اوج می رسند، با فاصله مساوی در اطراف محیط، یک میدان مغناطیسی است که به نظر می رسد به آرامی در اطراف استاتور با سرعتی که توسط فرکانس تغذیه و تعداد قطب های مغناطیسی در سیم پیچ استاتور می چرخد.

این سرعت همزمان بر حسب دور بر دقیقه به صورت زیر بدست می آید: Ns = (120 × f) / P ، که در آن f فرکانس عرضه در هرتز و P تعداد قطب ها است. یک موتور دو قطبی روی منبع تغذیه 50 هرتز با سرعت سنکرون 3000 RPM می چرخد. یک موتور چهار قطبی روی همان منبع با سرعت 1500 دور در دقیقه می چرخد. موتورهای تک فاز نیز می توانند میدان دوار تولید کنند، اما به سیم پیچ های راه اندازی یا خازن کمکی نیاز دارند زیرا منبع تغذیه تک فاز به تنهایی یک میدان ضربانی به جای دوار تولید می کند.

روتور و لغزش قفس سنجاب

رایج ترین ساخت روتور در موتورهای القایی AC، روتور قفس سنجابی است که به دلیل شباهت آن به چرخ ورزش مورد استفاده توسط حیوانات کوچک نامگذاری شده است. این شامل یک سری از میله‌های هادی آلومینیومی یا مسی است که در شکاف‌هایی در یک هسته آهنی چند لایه تعبیه شده‌اند و میله‌ها در دو انتها با حلقه‌های رسانای انتهایی اتصال کوتاه دارند. هیچ سیم پیچی، عایق و اتصالات الکتریکی خارجی وجود ندارد - ساخت روتور از نظر مکانیکی ساده است و عملاً در شرایط عملیاتی معمولی تخریب ناپذیر است.

هنگامی که میدان مغناطیسی دوار از استاتور روی این میله‌های رسانا می‌چرخد، جریان‌هایی را القا می‌کند که از طریق میله‌ها و اطراف حلقه‌های انتهایی جریان می‌یابند. این جریان‌های در گردش، میدان مغناطیسی روتور را تولید می‌کنند که با میدان استاتور تعامل می‌کند و گشتاور تولید می‌کند. جریان القایی - و در نتیجه گشتاور - به سرعتی بستگی دارد که میدان استاتور از روی میله‌های روتور قطع می‌کند. اگر روتور دقیقاً به همان سرعت میدان استاتور دوار (سرعت سنکرون) برسد، هیچ حرکت نسبی، برش میدانی، جریان القایی و گشتاور وجود نخواهد داشت. بنابراین روتور همیشه کمی کندتر از سرعت سنکرون کار می کند.

این اختلاف سرعت نامیده می شود لغزش ، به صورت درصدی از سرعت سنکرون بیان می شود. بدون بار، لغزش بسیار کوچک است - معمولاً 0.5٪ تا 1٪. تحت بار نامی کامل، لغزش بسته به طراحی موتور به حدود 3٪ تا 8٪ افزایش می یابد. لغزش کمبود نیست. این مکانیزم ضروری است که توسط آن یک موتور القایی گشتاور تولید می کند. بدون لغزش، القای الکترومغناطیسی و بدون القای الکترومغناطیسی، گشتاور وجود ندارد.

موتورهای القایی در مقابل موتورهای سنکرون

موتورهای سنکرون نشان دهنده شاخه اصلی دیگر طراحی موتور AC هستند. در جایی که روتور موتور القایی به طور کامل توسط جریان های القایی الکترومغناطیسی به حرکت در می آید، روتور موتور سنکرون مجهز به آهنرباهای دائمی یا آهنرباهای الکترومغناطیسی تحریک شده جداگانه است که روتور را دقیقاً به سرعت میدان چرخان استاتور - با لغزش صفر - قفل می کند.

موتورهای سنکرون در جایی استفاده می‌شوند که سرعت ثابت و دقیق بدون توجه به تغییرات بار مورد نیاز است - در ساعت‌ها، ژنراتورهای سیگنال و درایوهای موقعیت‌یابی با دقت بالا. موتورهای القایی به دلیل هزینه کمتر، استحکام بالاتر و قابلیت خود راه اندازی در پیکربندی های سه فاز، بر کاربردهای عمومی صنعتی و تجاری غالب هستند.

موتورهای القایی تک فاز در مقابل سه فاز

موتورهای القایی سه فاز خود راه اندازی می شوند: منبع تغذیه سه فاز به طور طبیعی یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می کند که بلافاصله به محض اعمال برق شروع به القای گشتاور در روتور قفس سنجابی می کند. آنها کارآمدتر هستند، ضریب توان بالاتری تولید می کنند و تقریباً در تمام کاربردهای موتور صنعتی از پمپ های کوچک تا درایوهای چند مگاواتی استفاده می شوند.

موتورهای القایی تک فاز یک چالش اساسی را ارائه می دهند: منبع تغذیه تک فاز AC یک میدان مغناطیسی ضربانی تولید می کند، نه یک میدان دوار. یک میدان ضربانی می‌تواند چرخش را حفظ کند اما نمی‌تواند آن را راه‌اندازی کند - موتور جهت چرخش ترجیحی ندارد و گشتاور خالص راه‌اندازی در حالت ساکن صفر است. چندین استراتژی طراحی به این موضوع می پردازند که هر کدام یک نوع موتور مجزا تولید می کنند.

از القای AC تا DC بدون جاروبک: تکامل مدرن

موتور DC بدون جاروبک (BLDC) - در حال حاضر نوع موتور غالب در دوچرخه‌های برقی، اسکوترهای الکترونیکی، پهپادها و درایوهای کمکی وسایل نقلیه الکتریکی - یک موتور القایی AC به معنای سنتی نیست. موتور BLDC به‌جای تکیه بر جریان‌های روتور القایی الکترومغناطیسی، از آهن‌رباهای دائمی روی روتور و سوئیچینگ جریان کنترل‌شده الکترونیکی در استاتور برای تولید چرخش استفاده می‌کند. از این نظر بیشتر شبیه موتور سنکرون است تا موتور القایی.

اتصال به اصول موتور AC در استاتور نهفته است: استاتور یک موتور BLDC یک میدان مغناطیسی دوار را از طریق سوئیچینگ دقیق زمان‌بندی شده جریان DC از طریق سیم‌پیچ‌های خود ایجاد می‌کند - اثری که از نظر عملکردی معادل آن چیزی است که AC سه فاز از طریق تغییرات جریان سینوسی به دست می‌آورد. کنترل‌کننده موتور با استفاده از بازخورد موقعیت روتور (از سنسورهای اثر هال یا حسگر EMF برگشتی) کموتاسیون الکترونیکی جایگزین برس‌های یک موتور DC سنتی را انجام می‌دهد تا سیم‌پیچ‌های صحیح استاتور را در هر لحظه در چرخه چرخش فعال کند.

نتیجه موتوری است که عملکرد همزمان و راندمان بالای یک موتور سنکرون آهنربای دائمی را با قابلیت کنترل و فشرده‌سازی مورد نیاز برنامه‌های کاربردی با باتری ترکیب می‌کند. موتورهای BLDC سایش برس را که طول عمر موتورهای DC سنتی را محدود می‌کند، از بین می‌برند، در محدوده سرعت وسیعی کار می‌کنند، و چگالی گشتاور بالایی را در بسته‌بندی فشرده تولید می‌کنند که آنها را به پایه مهندسی تحرک الکتریکی مدرن تبدیل می‌کند.

کاربردها در تحرک الکتریکی مدرن

اصول القای الکترومغناطیسی و میدان‌های مغناطیسی دوار، که در قرن نوزدهم توسعه یافتند، مستقیماً در موتورهایی که دوچرخه‌های برقی و وسایل نقلیه الکتریکی سبک امروزی را تغذیه می‌کنند، تجسم می‌یابند - البته به شکل آهنربای دائم بدون برس مدرن آنها. دو پیکربندی موتور متمایز بر این بازار مسلط هستند که هر کدام دارای ویژگی‌های عملکردی متفاوتی هستند که برای سبک‌ها و نیازهای مختلف سواری مناسب هستند.

موتورهای هاب موتور را مستقیماً در توپی چرخ - جلو یا عقب - با استاتور ثابت روی محور و روتور که پوسته بیرونی چرخ را تشکیل می دهد، ادغام کنید. برهمکنش الکترومغناطیسی بین سیم‌پیچ‌های ثابت استاتور و روتور آهنربای دائم دوار مستقیماً چرخ را می‌چرخاند، بدون زنجیره انتقال مکانیکی نیرو بین موتور و چرخ. این سادگی باعث می شود موتورهای هاب برای تعمیر و نگهداری راحت و بی صدا باشند. موتورهای هاب for electric bicycles and light electric vehicles مناسب برنامه های رفت و آمد، بار و اوقات فراغت که در آن نصب ساده و نگهداری کم اولویت هستند.

موتورهای درایو وسط موتور را در پایه پایینی دوچرخه قرار دهید و به جای چرخ مستقیم، میل لنگ و زنجیر را به حرکت در می آورد. این ترتیب به دوچرخه‌سوار اجازه می‌دهد تا از سیستم دنده‌ای موجود دوچرخه برای چند برابر کردن گشتاور موتور استفاده کند، که باعث می‌شود سیستم‌های رانندگی میانی به طور قابل‌توجهی در زمین‌های تپه‌ای کارآمدتر و بهتر با شرایط بار متغیر مطابقت داشته باشند. موتورهای درایو وسط for high-performance electric bikes گشتاور و تطبیق‌پذیری زمین مورد نیاز دوچرخه‌های الکترونیکی کوهستانی، دوچرخه‌های باری، و برنامه‌های کاربردی رفت و آمد را ارائه می‌کند.

در هر دو پیکربندی، موتور نمی تواند بدون کنترل کننده موتور منطبق به طور موثر عمل کند. کنترل‌کننده کموتاسیون الکترونیکی را انجام می‌دهد که جایگزین برس‌های مکانیکی می‌شود، تحویل جریان به سیم‌پیچ‌های استاتور را بر اساس بازخورد موقعیت روتور مدیریت می‌کند، و ورودی سوار (دریچه گاز، سطح کمک پدال) را به گشتاور خروجی دقیق تبدیل می‌کند. کنترل‌کننده‌های موتور DC بدون جاروبک برای سیستم‌های هاب و میان‌درایو برای مطابقت با پیکربندی های سیم پیچ موتور، محدوده ولتاژ و پروتکل های ارتباطی مهندسی شده اند. برای مهندسان و ادغام‌کنندگانی که سیستم‌های درایو کامل می‌سازند، راهنمای جفت شدن کنترلر و موتور چارچوب تطبیق مشخصات مورد نیاز برای انتخاب ترکیبات کنترل کننده و موتور سازگار برای یک پلت فرم خودرو و هدف عملکرد مشخص را فراهم می کند.