Motoare electromagnetice cu inducție și motoare AC: Cum funcționează

Motoarele electrice sunt printre cele mai importante invenții din istoria ingineriei, iar principiul care face ca majoritatea dintre ele să funcționeze – inducția electromagnetică – a fost stabilit cu aproape două secole în urmă. Astăzi, același principiu alimentează orice, de la compresoare industriale la biciclete electrice. Înțelegerea ce sunt motoarele AC, modul în care inducția electromagnetică le conduce și modul în care tehnologia a evoluat în motoarele fără perii utilizate în mobilitatea electrică modernă oferă o imagine completă a uneia dintre cele mai durabile și adaptabile idei ale ingineriei.

Ce este un motor AC?

Un motor AC este un motor electric care convertește energia electrică de curent alternativ (AC) în energie mecanică de rotație. Spre deosebire de motoarele de curent continuu (DC), care funcționează pe un curent care curge într-o singură direcție, motoarele de curent alternativ funcționează cu curent care inversează direcția periodic - de obicei de 50 sau 60 de ori pe secundă, în funcție de frecvența rețelei de alimentare din regiune.

Fiecare motor de curent alternativ este format din două componente mecanice principale. The stator este ansamblul exterior staționar, format dintr-un inel de bobine de electromagneți înfășurate într-un miez de oțel laminat. Când curentul de curent alternativ trece prin înfășurările statorului, acestea produc un câmp magnetic. The rotor este ansamblul interior rotativ, poziționat în interiorul cavității cilindrice a statorului. Interacțiunea dintre câmpul magnetic al statorului și rotor - realizată prin inducție electromagnetică, magneți permanenți sau excitație externă, în funcție de tipul de motor - generează cuplul care antrenează arborele de ieșire.

Motoarele de curent alternativ se împart în două categorii fundamentale de funcționare: motoare cu inducție (asincrone) și motoare sincrone. Motoarele cu inducție sunt de departe tipul cel mai comun în aplicațiile industriale și comerciale, reprezentând majoritatea covârșitoare a motoarelor utilizate în întreaga lume.

Principiul inducției electromagnetice

Inducția electromagnetică este baza modului în care motoarele cu inducție generează cuplu fără nicio conexiune electrică la rotor. Principiul, stabilit de Michael Faraday în 1831, afirmă că un câmp magnetic în schimbare care trece printr-un conductor induce un curent electric în acel conductor. Acest curent indus, la rândul său, produce propriul său câmp magnetic.

Într-un motor cu inducție, înfășurările alimentate cu curent alternativ ale statorului creează un câmp magnetic care se rotește continuu în jurul orificiului statorului. Acest câmp rotativ trece prin conductorii rotorului, inducând un curent în ei prin legea lui Faraday. Acest curent indus generează un câmp magnetic secundar în rotor. Prin legea lui Lenz, acest câmp secundar se opune schimbării care l-a creat - ceea ce înseamnă că încearcă să elimine mișcarea relativă dintre câmpul statorului rotativ și rotorul staționar, determinând rotorul să se rotească în aceeași direcție cu câmpul statorului.

Rezultatul: rotorul se rotește, urmând câmpul magnetic rotativ, fără nicio legătură electrică fizică între stator și rotor. Fără perii, fără inele colectoare pe partea rotorului, fără comutator - transferul de energie are loc în întregime prin câmpul magnetic în schimbare de-a lungul spațiului de aer. Acesta este motivul pentru care motoarele cu inducție sunt atât de simple din punct de vedere mecanic, robuste și de lungă durată în comparație cu motoarele de tip perie: nu există componente de contact pe rotor care să se uzeze.

Cum se creează un câmp magnetic rotativ

Câmpul magnetic rotativ este mecanismul cheie care antrenează inducția electromagnetică într-un motor AC - și este o proprietate emergentă a puterii AC trifazate. Într-un sistem trifazat, trei tensiuni alternative separate sunt furnizate simultan la trei seturi de înfășurări ale statorului, fiecare pereche de înfășurări decalată fizic față de celelalte cu 120 de grade în jurul orificiului statorului. Cele trei tensiuni sunt, de asemenea, compensate electric cu 120 de grade, ceea ce înseamnă că ating valorile de vârf în momente diferite ale fiecărui ciclu.

Pe măsură ce fiecare fază atinge apogeul, electromagneții activați de acea fază devin cei mai puternici, trăgând câmpul magnetic efectiv al statorului către acel set de poli. Pe măsură ce ciclul progresează și următoarea fază atinge vârfuri, câmpul se deplasează la următorul set de poli - 120 de grade în jurul statorului. Efectul net al a trei seturi de electromagneți care ajung la vârf în succesiune, distanțați egal în jurul circumferinței, este un câmp magnetic care pare să se rotească lin în jurul statorului la o viteză determinată de frecvența de alimentare și de numărul de poli magnetici din înfășurarea statorului.

Această viteză sincronă în rotații pe minut este dată de: Ns = (120 × f) / P , unde f este frecvența de alimentare în Hz și P este numărul de poli. Un motor cu doi poli pe o sursă de 50 Hz se rotește cu o viteză sincronă de 3.000 RPM; un motor cu patru poli pe aceeași sursă se rotește la 1.500 RPM. Motoarele monofazate pot produce, de asemenea, un câmp rotativ, dar necesită înfășurări sau condensatoare de pornire auxiliare, deoarece o sursă monofazată produce un câmp mai degrabă pulsatoriu decât rotativ.

Rotorul și alunecarea cuștii veverițelor

Cea mai obișnuită construcție a rotorului la motoarele de inducție cu curent alternativ este rotorul cușcă de veveriță - numit pentru asemănarea sa cu roata de exerciții folosită de animalele mici. Este alcătuit dintr-o serie de bare conductoare din aluminiu sau cupru încorporate în fante într-un miez de fier laminat, cu barele scurtcircuitate la ambele capete prin inele conducătoare de capăt. Nu există înfășurări, izolație și conexiuni electrice externe - rotorul este mecanic simplu de fabricat și practic indestructibil în condiții normale de funcționare.

Când câmpul magnetic rotativ de la stator trece prin aceste bare conductoare, acesta induce curenți care curg prin bare și în jurul inelelor de capăt. Acești curenți în circulație produc câmpul magnetic al rotorului, care interacționează cu câmpul statorului pentru a genera cuplu. Curentul indus - și, prin urmare, cuplul - depinde de viteza cu care câmpul statorului trece peste barele rotorului. Dacă rotorul ar atinge exact aceeași viteză ca și câmpul rotativ al statorului (viteză sincronă), nu ar exista nicio mișcare relativă, nicio tăiere a câmpului, nici un curent indus și nici un cuplu. Prin urmare, rotorul funcționează întotdeauna puțin mai lent decât viteza sincronă.

Această diferență de viteză se numește aluneca , exprimat ca procent din viteza sincronă. Fără sarcină, alunecarea este foarte mică - de obicei 0,5% până la 1%. La sarcina nominală maximă, alunecarea crește la aproximativ 3% până la 8%, în funcție de designul motorului. Alunecarea nu este o deficiență; este mecanismul necesar prin care un motor cu inducție generează cuplu. Fără alunecare, nu există inducție electromagnetică, iar fără inducție electromagnetică, nu există cuplu.

Motoare cu inducție vs motoare sincrone

Motoarele sincrone reprezintă cealaltă ramură principală a proiectării motoarelor de curent alternativ. În cazul în care rotorul unui motor cu inducție este antrenat în întregime de curenți induși electromagnetic, rotorul unui motor sincron este echipat cu magneți permanenți sau electromagneți excitați separat care blochează rotorul la exact viteza câmpului statorului rotativ - cu alunecare zero.

Motoarele sincrone sunt utilizate acolo unde este necesară o viteză precisă și constantă, indiferent de variația sarcinii - în ceasuri, generatoare de semnal și unități de poziționare de înaltă precizie. Motoarele cu inducție domină aplicațiile industriale și comerciale generale datorită costului lor mai mic, robusteței mai mari și capacității de pornire automată în configurații trifazate.

Motoare cu inducție monofazate vs trifazate

Motoarele cu inducție trifazate pornesc automat: alimentarea trifazată produce în mod natural un câmp magnetic rotativ, care începe imediat să inducă cuplu în rotorul cușcă de veveriță de îndată ce este aplicată puterea. Ele sunt mai eficiente, produc un factor de putere mai mare și sunt utilizate practic în toate aplicațiile de motoare industriale, de la pompe mici până la acționări multi-megawați.

Motoarele cu inducție monofazate prezintă o provocare fundamentală: o sursă de curent alternativ monofazată produce un câmp magnetic pulsatoriu, nu unul rotativ. Un câmp pulsatoriu poate susține rotația, dar nu o poate porni - motorul nu are o direcție preferată de rotație și un cuplu net de pornire zero atunci când staționează. Mai multe strategii de proiectare abordează acest lucru, fiecare producând o variantă motorie distinctă.

De la inducție AC la DC fără perii: Evoluția modernă

Motorul fără perii de curent continuu (BLDC) – acum tipul de motor dominant în bicicletele electrice, trotinete electrice, drone și acționări auxiliare pentru vehicule electrice – nu este un motor cu inducție AC în sensul tradițional. În loc să se bazeze pe curenții rotori induși electromagnetic, un motor BLDC folosește magneți permanenți pe rotor și comutarea curentului controlat electronic în stator pentru a produce rotație. În această privință, seamănă mai mult cu un motor sincron decât cu un motor cu inducție.

Conexiunea la principiile motoarelor AC se află în stator: statorul unui motor BLDC produce un câmp magnetic rotativ prin comutarea precisă a curentului DC prin înfășurările sale - un efect echivalent funcțional cu ceea ce realizează AC trifazat prin variația curentului sinusoidal. Controlerul motorului efectuează comutația electronică care înlocuiește periile unui motor de curent continuu tradițional, folosind feedback-ul de poziție a rotorului (de la senzori cu efect Hall sau de la senzori EMF invers) pentru a energiza înfășurările corecte ale statorului în fiecare moment al ciclului de rotație.

Rezultatul este un motor care combină funcționarea sincronă și eficiența ridicată a unui motor sincron cu magnet permanent cu controlabilitatea și compactitatea cerute de aplicațiile alimentate cu baterii. Motoarele BLDC elimină uzura periilor care limitează durata de viață a motoarelor de curent continuu tradiționale, funcționează eficient pe o gamă largă de viteze și produc o densitate mare de cuplu într-un pachet compact - făcându-le fundamentul ingineresc al mobilității electrice moderne.

Aplicații în mobilitatea electrică modernă

Principiile inducției electromagnetice și ale câmpurilor magnetice rotative, dezvoltate în secolul al XIX-lea, sunt concretizate direct în motoarele care alimentează bicicletele electrice și vehiculele electrice ușoare de astăzi, deși sub forma lor modernă de magnet permanent fără perii. Două configurații distincte de motor domină această piață, fiecare cu caracteristici de performanță diferite, potrivite pentru diferite stiluri și cerințe de conducere.

Motoare cu butuci se integrează motorul direct în butucul roții — față sau spate — cu statorul fixat pe ax și rotorul formând carcasa exterioară care antrenează roata. Interacțiunea electromagnetică dintre înfășurările fixe ale statorului și rotorul rotativ cu magnet permanent rotește direct roata, fără lanț de transmisie mecanică a puterii între motor și roată. Această simplitate face ca motoarele butucului să fie ușor de întreținut și silențioase. Motoare cu butuci for electric bicycles and light electric vehicles se potrivește aplicațiilor pentru navetiști, marfă și agrement, unde instalarea simplă și întreținerea redusă sunt priorități.

Motoare mijlocii poziționați motorul la pedala inferioară a bicicletei, acționând mai degrabă manivela și lanțul decât direct roata. Acest aranjament permite călărețului să folosească sistemul de viteze existent al bicicletei pentru a multiplica cuplul motorului, făcând sistemele de tracțiune mijlocie mult mai eficiente pe terenuri deluroase și mai bine adaptate la condițiile de sarcină variabilă. Motoare mijlocii for high-performance electric bikes oferă cuplul și versatilitatea terenului cerute de bicicletele electrice de munte, bicicletele cargo și aplicațiile de performanță pentru navetiști.

În ambele configurații, motorul nu poate funcționa eficient fără un controler de motor potrivit. Controlerul efectuează comutația electronică care înlocuiește periile mecanice, gestionează livrarea curentului către înfășurările statorului pe baza feedback-ului privind poziția rotorului și transpune intrarea pilotului (accelerație, nivelul de asistență la pedală) într-o ieșire precisă a cuplului. Controlere de motoare de curent continuu fără perii pentru sisteme hub și mijloc sunt proiectate pentru a se potrivi cu configurațiile specifice de înfășurare a motorului, intervalele de tensiune și protocoalele de comunicare. Pentru inginerii și integratorii care construiesc sisteme de acționare complete, sistemul controler și ghid de împerechere a motorului oferă cadrul de potrivire a specificațiilor necesar pentru a selecta combinații de controler și motor compatibile pentru o anumită platformă de vehicul și țintă de performanță.