Elektromotor

Animation, die den Betrieb eines gebürsteten Gleichstrommotors zeigt.

Ein Elektromotor ist ein elektrische Maschine das konvertiert elektrische Energie hinein mechanische Energie. Die meisten Elektromotoren arbeiten durch die Wechselwirkung zwischen dem Motor des Motors Magnetfeld und elektrischer Strom in einem Drahtwicklung Kraft in Form von Drehmoment auf die Welle des Motors aufgetragen. Ein Stromgenerator ist mechanisch identisch mit einem Elektromotor, arbeitet jedoch mit einem umgekehrten Stromfluss und wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um.

Elektromotoren können von angetrieben werden von Gleichstrom (DC) Quellen wie aus Batterien oder Gleichrichter, oder von Wechselstrom (AC) Quellen wie ein Stromnetz, Wechselrichter oder elektrische Generatoren.

Elektromotoren können durch Überlegungen wie Stromquellentyp, Konstruktion, Anwendung und Art der Bewegungsleistung klassifiziert werden. Sie können von AC oder DC angetrieben werden, seien gebürstet oder bürstenlos, einzelphase, Zweiphasige, oder Drei Phasen, axial oder radialer Fluss und kann luftgekühlt oder flüssig gekühlt sein.

Standardisierte Motoren bieten eine bequeme mechanische Kraft für den industriellen Gebrauch. Die größten werden für Schiffsantrieb, Pipeline -Komprimierung und verwendet gepumptes Storage Anwendungen mit Ausgang von mehr als 100 Megawatt.

Zu den Anwendungen gehören Industrieventilatoren, Gebläse und Pumpen, Werkzeugmaschinen, Haushaltsgeräte, Elektrowerkzeuge, Fahrzeuge und Festplatten. Kleine Motoren können in elektrischen Uhren gefunden werden. In bestimmten Anwendungen wie in Regenerative Bremsung mit TraktionsmotorenElektromotoren können als Generatoren umgekehrt verwendet werden, um Energie wiederherzustellen, die ansonsten als Wärme und Reibung verloren gehen kann.

Elektromotoren erzeugen lineare oder rotierende Kraft (Drehmoment) beabsichtigt, einen externen Mechanismus wie einen Lüfter oder einen Aufzug voranzutreiben. Ein Elektromotor ist im Allgemeinen für die kontinuierliche Drehung oder für lineare Bewegungen über einen erheblichen Abstand im Vergleich zu seiner Größe ausgelegt. Magnetisch Magnetoide sind auch Wandler, die die elektrische Leistung in mechanische Bewegungen umwandeln, aber nur einen begrenzten Abstand erzeugen können.

Geschichte

Frühe Motoren

Faradays elektromagnetisches Experiment, 1821, die erste Demonstration der Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegung.^[1]

Vor modernen elektromagnetischen Motoren wurden experimentelle Motoren untersucht, die durch elektrostatische Kraft arbeiteten. Die ersten Elektromotoren waren einfach elektrostatische Geräte beschrieben in Experimenten von schottischer Mönch Andrew Gordon und amerikanischer Experimentator Benjamin Franklin In den 1740er Jahren.^[2][3] Das theoretische Prinzip hinter ihnen, Coulomb-Gesetzwurde entdeckt, aber nicht veröffentlicht, von Henry Cavendish 1771. Dieses Gesetz wurde unabhängig voneinander entdeckt von Charles-Augustin de Coulomb 1785 veröffentlichte es es so, dass es jetzt mit seinem Namen bekannt ist.^[4] Aufgrund der Schwierigkeit, die von ihnen erforderlichen Hochspannungen zu erzeugen, wurden elektrostatische Motoren nie für praktische Zwecke verwendet.

Die Erfindung der elektrochemischen Batterie von Alessandro Volta 1799^[5] ermöglicht die Produktion anhaltender elektrischer Ströme. Hans Christian Ørsted Entdeckt 1820, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt, das eine Kraft auf einen Magneten ausüben kann. Es dauerte nur ein paar Wochen für André-Marie Ampère Entwicklung der ersten Formulierung der elektromagnetischen Wechselwirkung und Präsentation der Ampère -Kraftgesetz, das beschrieb die Produktion von mechanischer Kraft durch die Wechselwirkung eines elektrischen Stroms und eines Magnetfeldes.^[6]

Die erste Demonstration des Effekts mit einer Drehbewegung wurde gegeben Michael Faraday am 3. September 1821 im Keller des Königliche Institution.^[7] Ein frei hängender Draht wurde in einen Quecksilberbecken getaucht, auf dem a Permanenter Magnet (PM) wurde platziert. Als ein Strom durch den Draht geleitet wurde, drehte sich der Draht um den Magneten und zeigt, dass der Strom zu einem engen kreisförmigen Magnetfeld um den Draht führte.^[8] Faraday veröffentlichte die Ergebnisse seiner Entdeckung in der Vierteljährliches Journal of Scienceund schickte Kopien seines Papiers zusammen mit Taschengröße seines Geräts an Kollegen auf der ganzen Welt, damit sie auch das Phänomen der elektromagnetischen Rotationen erleben konnten.^[7] Dieser Motor wird häufig in Physikversuche nachgewiesen, indem er ersetzt Sole für (giftiges) Quecksilber. Barlows Rad war eine frühe Verfeinerung dieser Faraday -Demonstration, obwohl diese und ähnlich Homopolare Motoren blieb bis Ende des Jahrhunderts nicht geeignet für die praktische Anwendung.

Jedlik's "Electromagnetic Self-Rotor", 1827 (Museum der angewandten Künste, Budapest). Der historische Motor funktioniert heute noch perfekt.^[9]

Ein Elektromotor, der vorgestellt wird Kelvin durch James Joule 1842 das Hunterian Museum, Glasgow

Im Jahr 1827, ungarisch Physiker Ányos Jedlik begann zu experimentieren mit elektromagnetische Spulen. Nachdem Jedlik die technischen Probleme der kontinuierlichen Rotation mit der Erfindung des KommutatorEr nannte seine frühen Geräte "elektromagnetische Selbstrotoren". Obwohl sie nur für den Unterricht verwendet wurden, zeigte Jedlik 1828 das erste Gerät, das die drei Hauptkomponenten von Praktikum enthielt DC Motoren: die Stator, Rotor und Kommutator. Das Gerät verwendete keine dauerhaften Magnete, da die Magnetfelder sowohl der stationären als auch der revolvierenden Komponenten ausschließlich durch die Ströme hergestellt wurden, die durch ihre Wicklungen fließen.^{[10][11][12][13][14][15][16]}

DC -Motoren

Der Erste Kommutator DC Elektromotor Die Maschinerie fähig wurde von britischem Wissenschaftler erfunden William Sturgeon 1832.^[17] Nach Störgeräte wurde ein Direktstrom-Elektromotor vom amerikanischen Erfinder ein Direktstrommotor vom Kommutatoren gebaut Thomas Davenport und Emily Davenport,^[18] was er 1837 patentierte. Die Motoren lief auf bis zu 600 Revolutionen pro Minute und Strommaschinen und eine Druckmaschine.^[19] Aufgrund der hohen Kosten von PrimärbatterieDie Motoren waren kommerziell erfolglos und bankrottes Davenport. Mehrere Erfinder folgten Stör bei der Entwicklung von DC -Motoren, aber alle trafen die gleichen Batteriekostenprobleme. Als nein Stromverteilung Das System war zu dieser Zeit verfügbar, für diese Motoren entstand kein praktischer kommerzieller Markt.^[20]

Nach vielen anderen oder weniger erfolgreichen Versuchen mit relativ schwachem rotierenden und rezipierenden Apparaten preußisch/russisch Moritz von Jacobi Erstellte im Mai 1834 den ersten realen rotierenden Elektromotor. Er entwickelte eine bemerkenswerte mechanische Ausgangsleistung. Sein Motor stellte einen Weltrekord auf, den Jacobi vier Jahre später im September 1838 verbesserte.^[21] Sein zweiter Motor war mächtig genug, um ein Boot mit 14 Menschen über einen weiten Fluss zu fahren. Auch 1839/40 gelang es anderen Entwicklern, Motoren mit ähnlicher und dann höherer Leistung zu bauen.

Im Jahr 1855 baute Jedlik ein Gerät auf, das ähnliche Prinzipien wie in seinen elektromagnetischen Selbstrotoren verwendete, die nützliche Arbeiten in der Lage waren.^[10][16] Er baute ein Modell elektrisches Fahrzeug das selbe Jahr.^[22]

Ein großer Wendepunkt kam 1864, wann Antonio Pacinotti beschrieben zuerst den Ringarmatur (obwohl zunächst in einem DC -Generator, d. H. Ein Dynamo).^[6] Dies enthielt symmetrisch gruppierte Spulen, die sich selbst geschlossen und an die Balken eines Kommutators angeschlossen waren, deren Bürsten praktisch nicht fluktuierende Strom lieferten.^[23][24] Die ersten kommerziell erfolgreichen DC -Motoren folgten den Entwicklungen von Zénobe Gramme WHER 1871 Pacinottis Design neu erfunden und einige Lösungen übernommen von Werner Siemens.

Ein Vorteil von DC -Maschinen kam aus der Entdeckung der Reversibilität der elektrischen Maschine, die von Siemens 1867 angekündigt und 1869 von Pacinotti beobachtet wurde.^[6] Gramme demonstrierte es versehentlich anlässlich der Wiener Weltmesse von 1873, als er zwei solcher DC -Geräte bis zu 2 km voneinander voneinander verband, wobei eines von ihnen als Generator und den anderen als Motor verwendet wurde.^[25]

Der Drum -Rotor wurde von vorgestellt von Friedrich von Hefner-Alteneck von Siemens & Halske ersetzt 1872 Pacinottis Ringarmatur, wodurch die Maschineneffizienz verbessert wird.^[6] Der laminierte Rotor wurde im folgenden Jahr von Siemens & Halske eingeführt, wodurch reduzierte Eisenverluste und erhöhte induzierte Spannungen erreicht wurden. Im Jahr 1880, Jonas Wenström Vorausgesetzt, den Rotor mit Slots für die Unterbringung der Wicklung, wodurch die Effizienz weiter erhöht wird.

1886, Frank Julian Sprague Erfunden Sie den ersten praktischen DC-Motor, ein nicht festgelegtes Gerät, das unter variablen Lasten eine relativ konstante Geschwindigkeit aufrechterhielt. Andere elektrische Erfindungen von Sprague in dieser Zeit verbesserten die elektrische Verteilung des Netzes (frühere Arbeiten, während er bei beschäftigt ist Thomas Edison), Die Stromversorgung von Elektromotoren in das elektrische Netz, die für die elektrische Verteilung an Trolleys über Overhead -Drähte und den Trolleypol zur Verfügung gestellt werden, und stellten Steuerungssysteme für den elektrischen Betrieb bereit. Dies ermöglichte Sprague, Elektromotoren zu verwenden, um das erste elektrische Trolley -System in den Jahren 1887 bis 1888 zu erfinden Richmond, Virginia, das elektrische Aufzug und das Steuerungssystem im Jahr 1892 und die elektrische U-Bahn mit unabhängig betriebenen zentral kontrollierten Autos. Letztere wurden erstmals 1892 in Chicago von der installiert Südseite erhöhte Eisenbahn, wo es im Volksmund als The "bekannt wurde"L". Spragues motorische und verwandte Erfindungen führten zu einer Explosion des Interesses und der Verwendung in Elektromotoren für die Industrie. Die Entwicklung von Elektromotoren akzeptabler Effizienz wurde mehrere Jahrzehnte lang verzögert, indem die extreme Bedeutung eines Luftspalts zwischen Rotor und Stator nicht erkannt wurde Effiziente Konstruktionen haben einen vergleichsweise kleinen Luftspalt.^[26][a] Der St. Louis -Motor, der lange in Klassenzimmern verwendet wird, um motorische Prinzipien zu veranschaulichen, ist aus dem gleichen Grund ineffizient und erscheinen nichts wie ein moderner Motor.^[28]

Elektromotoren revolutionierte Industrie. Industrielle Prozesse wurden durch Stromübertragung unter Verwendung von Linienwellen, Riemen, Druckluft oder Hydraulikdruck nicht mehr eingeschränkt. Stattdessen könnte jede Maschine mit einer eigenen Stromquelle ausgestattet werden, die am Gebrauchsort eine einfache Kontrolle liefert und die Effizienz der Stromübertragung verbessert. Elektrische Motoren, die in der Landwirtschaft aufgetragen wurden, eliminierte die menschliche und tierische Muskelkraft aus Aufgaben wie Getreide oder Pumpenwasser. Haushaltsnutzungen (wie in Waschmaschinen, Geschirrspülern, Lüfter, Klimaanlagen und Kühlschränken (Ersetzen Eisboxen)) von Elektromotoren reduzierte schwere Arbeitskräfte im Haushalt und machte höhere Bequemlichkeitsnormen, Komfort und Sicherheit möglich. Heute verbrauchen Elektromotoren mehr als die Hälfte der in den USA hergestellten elektrischen Energie.^[29]

Wechselstrommotoren

1824 der französische Physiker François Arago formulierte die Existenz von rotierende Magnetfelder, bezeichnet Aragos Rotationen, was Walter Baily durch manuelles Ein- und Ausschalten des Ein- und Ausschaltens 1879 als der erste Primitive demonstrierte Induktionsmotor.^{[30][31][32][33]} In den 1880er Jahren versuchten viele Erfinder, praktikable Wechselstrommotoren zu entwickeln^[34] Da die Vorteile von AC bei der Fernübertragung von Fernstöcken durch die Unfähigkeit, Motoren auf AC zu betreiben, ausgeglichen wurden.

Der erste wechselstromübergreifende putschustratorlose Induktionsmotor wurde von erfunden Galileo Ferraris 1885. Ferraris konnte sein erstes Design verbessern, indem er 1886 fortschrittlichere Setups produzierte.^[35] 1888 die Royal Academy of Science of Turin Veröffentlichte Ferraris 'Forschungsarbeiten, in denen die Grundlagen des motorischen Betriebs beschrieben wurden, während er zu diesem Zeitpunkt zu dem Schluss kam, dass "der auf diesem Prinzip basierende Apparat keine kommerzielle Bedeutung als motorisch sein konnte".^[33][36][37]

Mögliche industrielle Entwicklung wurde von vorgestellt von Nikola Tesla, der 1887 unabhängig seinen Induktionsmotor erfand und im Mai 1888 ein Patent erhielt. Im selben Jahr präsentierte Tesla seine Zeitung Ein neues System alternativer aktueller Motoren und Transformatoren zum Aiee Das beschrieb drei patentierte zweiphasige Vier-Stator-Pole Zurückhaltungsmotor, ein anderer mit einem Wundrotor, der eine Selbststart bildet Induktionsmotorund der dritte ein wahr Synchronmotor mit separat angeregter Gleichstromversorgung zur Rotorwicklung. Eines der 1887 eingereichten Patente, die Tesla eingereicht wurde, beschrieb jedoch auch einen Kurzfilm-Rotorinduktionsmotor. George Westinghouse, der bereits Rechte von Ferraris erworben hatte (1.000 US -Dollar), kaufte die Patente von Tesla umgehend (60.000 US -Dollar plus 2,50 USD pro verkauftes HP, bezahlt bis 1897).^[35] beschäftigt Tesla, um seine Motoren zu entwickeln, und beauftragt C.F. Scott Tesla zu helfen; Tesla verließ jedoch 1889 andere Aktivitäten.^{[38][39][40][41]} Es wurde festgestellt^[34] Aber Westinghouse -Ingenieure haben es 1891 erfolgreich an einen Bergbaubetrieb in Telluride, Colorado, angeschlossen.^[42][43][44] Westinghouse erreichte 1892 seinen ersten praktischen Induktionsmotor und entwickelte 1893 eine Linie von Polyphase 60 Hertz-Induktionsmotoren, aber diese frühen Westinghouse-Motoren waren zweiphasige Motoren mit Wundrotoren. B.G. Lamme Später entwickelte ein rotierender Stabswickelrotor.^[38]

Standhaft in seiner Förderung der Drei-Phasen-Entwicklung, Mikhail Dolivo-dobrovolsky erfand den dreiphasigen Induktionsmotor im Jahr 1889 von beiden Typen Käfig-Rotor und Wundrotor mit einem Start-Rheostat und dem Drei-Limb Transformator im Jahr 1890. nach einer Vereinbarung zwischen AEG und Maschinenfabrik Oerlikon, Doliwo-dobrowolski und Charles Eugene Lancelot Brown entwickelten größere Modelle, nämlich einen 20-PS-Eichhörnchenkäfig und einen 100-PS-Wundrotor mit einem Start-Rheostat. Dies waren die ersten dreiphasigen asynchronen Motoren, die für den praktischen Betrieb geeignet waren.^[35] Seit 1889 wurden ähnliche Entwicklungen von dreiphasigen Maschinen mit Verfenster gestartet. Auf der Frankfurter International Electrotechnical Exhibition 1891 wurde das erste Dreiphasen-System des ersten Fernstreckens erfolgreich vorgestellt. Es wurde mit 15 kV bewertet und über 175 km vom Lauffen -Wasserfall am Neckar River entfernt. Das Lauffen-Kraftwerk umfasste einen 240 kW 86 V 40-Hz-Lichtmaschine und einen STOP-UP-Transformator, während in der Ausstellung ein Step-Down-Transformator mit einem 100-PS-Induktionsmotor gefüttert wurde, der einen künstlichen Wasserfall antrat, der die Übertragung des Originals darstellt Energiequelle.^[35] Die dreiphasige Induktion wird jetzt für die überwiegende Mehrheit der kommerziellen Anwendungen verwendet.^[45][46] Mikhail Dolivo-dobrovolsky behauptete, Teslas Motor sei wegen zweiphasiger Pulsationen nicht praktisch, was ihn dazu veranlasste, in seiner dreiphasigen Arbeit bestehen zu bleiben.^[47]

Das Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft begann 1891 mit der Entwicklung von Dreiphasen-Induktionsmotoren.^[38] Bis 1896 unterzeichneten General Electric und Westinghouse ein Vergleich für das Bar-Winding-rotorische Design, das später als The Bar-Winding-Rotor-Design genannt wird Eichhörnchen-Cage-Rotor.^[38] Ein Induktionsmotorverbesserungen, der aus diesen Erfindungen und Innovationen fließt, waren so 100-Pferdestärke Der Induktionsmotor hat derzeit 1897 die gleichen Montageabmessungen wie ein 7,5-PS-Motor.^[38]

Einundzwanzigstes Jahrhundert

Im Jahr 2022 wurde der Verkauf von Elektromotoren auf 800 Millionen Einheiten geschätzt, was jährlich um 10% stieg. Elektromotoren verbrauchen ~ 50% des Weltstroms.^[48]

Komponenten

Elektromotorrotor (links) und Stator (rechts)

Die beiden mechanischen Teile eines Elektromotors sind der Rotor, der sich bewegt, und der Stator, der dies nicht tut. Es enthält auch zwei elektrische Teile, einen Satz von Magneten und einen Anker, von denen einer am Rotor und das andere am Stator angebracht ist und zusammen a Magnetschaltung:^[49]

• Feldmagnete - Die Magnete erzeugen ein Magnetfeld, das durch den Anker fließt. Diese können sein Elektromagnetze oder Permanentmagnete. Der Feldmagnet befindet sich normalerweise am Stator und auf dem Anker am Rotor, in einigen Motorarten werden diese jedoch umgekehrt.

Lager

Der Rotor wird von gestützt von Lager, die es dem Rotor ermöglichen, seine Achse einzuschalten. Die Lager werden wiederum vom Motorgehäuse getragen.^[50]

Rotor

Der Rotor ist der sich bewegende Teil, der die mechanische Leistung liefert. Der Rotor enthält typischerweise Leiter, die Ströme tragen, auf die das Magnetfeld des Stators Kraft ausübt, um die Welle zu drehen. Alternativ tragen einige Rotoren dauerhafte Magnete und der Stator hält die Leiter. Permanente Magnete bieten eine hohe Effizienz gegenüber einer größeren Betriebsgeschwindigkeit und einem größeren Leistungsbereich.^[51]

Ein Luftspalt zwischen Stator und Rotor ermöglicht es, sich zu drehen. Die Breite der Lücke wirkt sich erheblich auf die elektrischen Eigenschaften des Motors aus. Es wird im Allgemeinen so klein wie möglich gemacht, da eine große Lücke die Leistung schwächt. Es ist die Hauptquelle des Tiefs Leistungsfaktor bei welchen Motoren arbeiten. Das Magnetisierungsstrom Erhöht sich und der Leistungsfaktor nimmt mit dem Luftspalt ab, sodass enge Lücken besser sind. Umgekehrt können zu kleine Lücken zusätzlich zu Rauschen und Verlusten mechanische Probleme aufweisen.

Die Motorwelle erstreckt sich durch die Lager an der Außenseite des Motors, wo die Last aufgetragen wird. Da die Kräfte der Last jenseits des äußersten Lageres ausgeübt werden, soll die Belastung überlagt werden.^[50]

Stator

Der Stator umgibt den Rotor und hält normalerweise Feldmagnete, die entweder sind Elektromagnetze bestehend aus Drahtwicklungen um einen ferromagnetischen Eisenkern oder Permanentmagnete. Diese erzeugen a Magnetfeld Das verläuft durch die Rotorarmatur und übt die Wicklungen aus. Der Statorkern besteht aus vielen dünnen Metallblättern, die voneinander isoliert sind, als Laminationen bezeichnet. Laminierungen werden verwendet, um Energieverluste zu reduzieren, die dazu führen würden, dass ein fester Kern verwendet würde. Harzgepackte Motoren, die in Waschmaschinen und Klimaanlagen verwendet werden, verwenden die Dämpfungseigenschaften von Harz (Kunststoff), um Rauschen und Vibrationen zu reduzieren. Diese Motoren Einkapseln Sie den Stator in Kunststoff ein.^[52]

Ausdruckstem-rotes Rotor

Anker

Das Anker besteht aus Drahtwicklungen auf a ferromagnetisch Ader. Elektrischer Strom, der durch den Draht verläuft Magnetfeld aus dem Feldmagneten, um eine Kraft auszuüben (Lorentz Force) drehen Sie den Rotor, der den mechanischen Ausgang liefert. Wicklungen sind Drähte, die hineingelegt werden Spulen, normalerweise um ein laminiertes, weich, Eisen, umgewickelt, ferromagnetischer Kern um magnetische Pole zu bilden, wenn sie mit Strom energetisiert werden.

Elektrische Maschinen sind in hervorstechenden und nichtalient-poligen Konfigurationen erhältlich. In einem hervorsticht-pole-Motor haben die ferromagnetischen Kerne auf dem Rotor und Stator Projektionen, die als Pole bezeichnet werden, wobei sich ein Draht um jeden Pol unter der Pole befindet, die Nord- oder Südpolen des Magnetfeld Wenn der Strom durch den Draht fließt. In einem motorischen Motor ohne Altpole (oder verteiltes Feld oder Rundrotor) ist der ferromagnetische Kern ein glatter Zylinder, wobei die Wicklungen gleichmäßig in Schlägen um den Umfang verteilt sind. Durch die Versorgung von abwechselnden Strom in den Wicklungen werden Pole im Kern erzeugt, die sich kontinuierlich drehen.^[53] A schattiertem Motor hat eine Wicklung um einen Teil des Pols, der die Phase des Magnetfelds für diesen Pol verzögert.

Kommutator

Kommutator in a Universalmotor von einem Staubsauger. Teile: (EIN) Kommutator, (B) Bürste

A Kommutator ist ein Rotary Stromschalter Das liefert dem Rotor Strom. Es kehrt regelmäßig den Stromfluss in den Rotorwicklungen um, wenn sich die Welle dreht. Es besteht aus einem Zylinder, der aus mehreren Metallkontaktsegmenten auf dem besteht Anker. Zwei oder mehr elektrische Kontakte genannt "Bürsten"Aus einem weichen leitfähigen Material wie Kohlenstoff Drücken Sie gegen den Kommutator. Die Bürsten stellen den Schieber mit aufeinanderfolgenden Kommutatorsegmenten beim Drehen auf und liefern dem Rotor Strom. Die Wicklungen am Rotor sind mit den Kommutatorsegmenten verbunden. Der Kommutator kehrt regelmäßig die um aktuell Richtung in den Rotorwicklungen mit jeder Hälfte (180 °), so dass das auf den Rotor aufgetragene Drehmoment immer in der gleichen Richtung ist.^[54] Ohne diese Stromumkehr würde sich die Drehmomentrichtung bei jeder Rotorwicklung mit jeder Hälfte umkehren, sodass der Rotor anhalten würde. Die Kommutatoren sind ineffizient und übertragene Motoren wurden größtenteils durch ersetzt durch bürstenlose Gleichstrommotoren, Permanente Magnetmotoren, und Induktionsmotoren.

Motorische Versorgung und Kontrolle

Motorversorgung

Ein Gleichstrommotor wird normalerweise wie oben beschrieben über einen Split -Ring -Kommutator geliefert.

Die Kommutierung von AC Motors kann entweder mit einem Slip -Ring -Kommutator oder einer externen Kommutierung erreicht werden. Es kann festgezeilte oder variable Geschwindigkeitstyp sein und synchron oder asynchron sein. Universelle Motoren kann entweder AC oder DC laufen.

Motorsteuerung

DC -Motoren können mit variablen Geschwindigkeiten betrieben werden Pulsweitenmodulation (PWM).

Wechselstrommotoren, die mit fester Geschwindigkeit betrieben werden Motor weicher Starter.

Wechselstrommotoren, die mit variablen Geschwindigkeiten betrieben werden Power -Wechselrichter, Variable-Frequenz-Laufwerk oder elektronische Kommutatortechnologien.

Der Begriff elektronischer Kommutator ist normalerweise mit Selbstverpflichtung verbunden bürstenloser Gleichstrommotor und Relugenmotor umgeschaltet Anwendungen.

Typen

Elektromotoren arbeiten nach einem von drei physikalischen Prinzipien: Magnetismus, Elektrostatik und Piezoelektrizität.

In Magnetmotoren werden Magnetfelder sowohl im Rotor als auch im Stator gebildet. Das Produkt zwischen diesen beiden Feldern führt zu einer Kraft und damit zu einem Drehmoment auf der Motorwelle. Ein oder beides dieser Felder muss sich mit der Rotation des Rotors ändern. Dies geschieht durch Ein- und Ausschalten der Pole zum richtigen Zeitpunkt oder durch Variation der Festigkeit des Pols.

Die Haupttypen sind DC -Motoren und Wechselstrommotoren.^[55] wobei letztere erstere ersetzt.

Wechselstrom -Elektromotoren sind entweder asynchron oder synchron.^[56]

Sobald ein synchroner Motor begonnen wurde, benötigt Synchronität mit der Geschwindigkeit des sich bewegenden Magnetfeldes für alle normalen Drehmomentbedingungen.

In synchronen Maschinen muss das Magnetfeld mit anderen Mitteln als Induktion bereitgestellt werden, wie z. B. von separat angeregten Wicklungen oder permanenten Magneten.

A Fractional-Pay-Kraftmotor Entweder hat eine Bewertung unter 1 PS (0,746 kW) oder wird mit einer Standard-Frame-Größe hergestellt, die kleiner als ein Standardmotor von 1 PS ist. Viele Haushalts- und Industriemotoren befinden sich in der Bruchpreiskraftklasse.

Anmerkungen:

• Die Rotation ist unabhängig von der Frequenz der Wechselspannung.
• Die Drehung ist gleich der Synchrongeschwindigkeit (Motor-Statorfeldgeschwindigkeit).
• Bei SCIM ist die Rotation mit fester Geschwindigkeit gleich der Synchrongeschwindigkeit und einer geringeren Schlupfgeschwindigkeit.
• In Nicht-Schlupf Energierückgewinnung Systeme, WRIM wird normalerweise zum Motorstart verwendet, kann jedoch zur Variation der Lastgeschwindigkeit verwendet werden.
• Vorgang der Variablengeschwindigkeit.
• Während Induktions- und Synchronmotor-Laufwerke typischerweise entweder mit sechsschritt- oder sinusoidaler Wellenform-Ausgangsausgang erfolgen, sind die BLDC-Motor-Laufwerke normalerweise mit Trapez-Stromwellenform; Das Verhalten sowohl sinusförmiger als auch trapeziger PM -Maschinen ist jedoch in Bezug auf ihre grundlegenden Aspekte identisch.^[67]
• Beim Vorgang der Variablengeschwindigkeit wird WRIM für die Wiederherstellung von Slip-Energy und doppelte Induktions-Maschinenanwendungen verwendet.
• Eine Käfigwicklung ist ein Kurzfilmrotor mit Kurzschluss. Eine Wundwicklung wird äußerlich durch Schlupfringe angeschlossen.
• Meistens einphasige mit etwas dreiphasige.

Abkürzungen:

• Blac - Bürstenloser Wechselstrom
• Bldc - Bürstenloser Gleichstrom
• Bldm - bürstenloser Gleichstrommotor
• EC - Elektronischer Kommutator
• PM - Dauermagnet
• IPMSM-Synchronmotor innenmagnet innenmagnet
• PMSM - Permanenter Magnetsynchronmotor
• SPMSM - Oberflächenmagnet Synchronmotor
• SCIM - Eichhörnchen Käfig Induktionsmotor
• SRM - Relugenmotor umgeschaltet
• SYRM - Synchronen Zurückhaltungsmotor
• VFD - Variable-Frequenz-Laufwerk
• Wrim - Wund-Rotor-Induktionsmotor
• WRSM - Wund-Rotor-Synchronmotor
• LRA-Verrückteverrückteverstärker: Der Strom, den Sie unter Startbedingungen erwarten können, wenn Sie die volle Spannung anwenden. Es tritt beim Start sofort auf.
• RLA-Verstärker mit Nennladung: Der maximale Strom, den ein Motor unter den Betriebsbedingungen zeichnen sollte. Oft fälschlicherweise als Running-Load-Verstärker bezeichnet, was dazu führt, dass die Menschen fälschlicherweise glauben, dass der Motor diese Verstärker immer ziehen sollte.
• FLA-Volllastverstärker: 1976 in "RLA-Nennladungsverstärker" geändert.

Selbstkommutierter Motor

DC -Motor gebürstet

Die meisten DC -Motoren sind kleine Permanent Magnet (PM) -Typen. Sie enthalten a gebürstet Interne mechanische Kommutierung, um den Strom der Motorwicklungen im Synchronismus mit Rotation umzukehren.^[68]

Elektrisch angeregter Gleichstrommotor

Funktionen eines gebürsteten Elektromotors mit zweipoligen Rotor und PM-Stator. ("N" und "S" bezeichnen Polaritäten auf den Innenflächen der Magnete; die Außenflächen haben entgegengesetzte Polaritäten.)

Ein übertragener DC -Motor hat eine Reihe von rotierenden Wicklungen mit einer Wunde Anker auf einer rotierenden Schacht montiert. Der Schaft trägt auch den Kommutator. Somit hat jeder gebürstete Gleichstrommotor Wechselstrom, der durch seine Wicklungen fließt. Der Strom fließt durch ein oder mehrere Bürstenpaare, die den Kommutator berühren; Die Bürsten verbinden eine externe Stromquelle mit elektrischer Leistung mit dem rotierenden Anker.

Der rotierende Anker besteht aus einer oder mehreren Drahtspulen, die um einen laminierten Laminierten verwundet sind, Magnetisch "weich" ferromagnetischer Kern. Strom aus den Bürsten fließt durch den Kommutator und eine Wicklung des Ankers, was ihn zu einem temporären Magneten macht (ein Elektromagnet). Das erzeugte Magnetfeld interagiert mit einem stationären Magnetfeld, das entweder von PMS oder einer anderen Wicklung (eine Feldspule) als Teil des Motorrahmens erzeugt wird. Die Kraft zwischen den beiden Magnetfeldern dreht die Welle. Der Kommutator schaltet die Stromversorgung auf die Spulen, während sich der Rotor dreht, und verhindert, dass die Pole immer vollständig mit den Magnetpolen des Statorfeldes ausgerichtet sind, so dass sich der Rotor so lange dreht, wie angewendet wird.

Viele der Einschränkungen des klassischen Kommutators DC -Motor sind auf die Notwendigkeit der Pinsel zurückzuführen, um den Kontakt mit dem Kommutator aufrechtzuerhalten und Reibung zu erzeugen. Die Bürsten erzeugen Funken, während sie die Isolierlücken zwischen den Kommutatorabschnitten überqueren. Abhängig vom Design des Kommutators können die Bürsten erzeugen Kurzstrecken zwischen benachbarten Abschnitten - und daher endet die Spule. Darüber hinaus die Rotorspulen ' Induktivität verursacht die Spannung über jeden, wenn sich ihre Schaltung öffnet, und erhöht das Funking. Dies begrenzt die maximale Geschwindigkeit der Maschine, da das zu rapidische Funkenparking den Kommutator überhitzt, erodiert oder sogar schmilzt. Die Stromdichte pro Einheitsbereich der Bürsten in Kombination mit ihrer Widerstandbegrenzt den Motorausgang. Das Überqueren der Lücken erzeugt auch elektrisches Geräusch; Sparking erzeugt RFI. Die Bürsten tragen schließlich ab und erfordern den Austausch, und der Kommutator selbst unterliegt Verschleiß und Wartung oder Austausch. Die Kommutatorbaugruppe an einem großen Motor ist ein kostspieliges Element, das Präzisionsbaugruppe vieler Teile erfordert. Bei kleinen Motoren wird der Kommutator normalerweise dauerhaft in den Rotor integriert, sodass er normalerweise den Rotor ersetzt.

Während die meisten Kommutatoren zylindrisch sind, sind einige flache, segmentierte Scheiben auf einem Isolator.

Große Bürsten erzeugen einen großen Kontaktbereich, der den Motorausgang maximiert, während kleine Bürsten eine geringe Masse haben, um die Geschwindigkeit zu maximieren, mit der der Motor ohne übermäßiges Funkenlauf laufen kann. (Kleine Bürsten sind für ihre geringeren Kosten wünschenswert.) Steifere Pinselfedern können verwendet werden, um Pinsel einer bestimmten Masse mit höherer Geschwindigkeit zu erzeugen, trotz größerer Reibungsverluste (geringere Effizienz) und beschleunigten Bürsten- und Kommutatorverschleiß. Daher beinhaltet DC Motor Brush Design einen Kompromiss zwischen Ausgangsleistung, Geschwindigkeit und Effizienz/Verschleiß.

DC -Maschinen sind wie folgt definiert:^[69]

• Ankerschaltung - Eine Wicklung, die die Last entweder stationär oder rotierend trägt.
• Feldkreis - eine Reihe von Wicklungen, die ein Magnetfeld erzeugen.
• Kommutierung: Eine mechanische Technik, bei der die Gleichberechtigung erreicht werden kann oder von der DC abgeleitet werden kann.

A: Shunt B: Serie C: Verbindung F = Feldspule

Die fünf Arten von gebürstetem Gleichstrommotor sind:

• Shunt-Wunde
• Serienwunde
• Verbindung (zwei Konfigurationen):
  • Kumulative Verbindung
  • Unterschiedlich verschärft
• Permanenter Magnet (nicht gezeigt)
• Getrennt angeregt (nicht gezeigt).

Dauermagnet

Ein permanenter Magnet (PM) -Motor hat keine Feldwicklung am Statorrahmen, der sich stattdessen auf PMS stützt, um das Magnetfeld bereitzustellen. Das Ausgleich von Wicklungen in Reihe mit der Anker kann bei großen Motoren verwendet werden, um die Kommutierung unter Last zu verbessern. Dieses Feld ist festgelegt und kann nicht für die Geschwindigkeitsregelung eingestellt werden. PM -Felder (Statoren) sind in Miniaturmotoren bequem, um den Stromverbrauch der Feldwicklung zu beseitigen. Die meisten größeren DC -Motoren sind vom Typ "Dynamo" mit Statorwicklungen. Historisch gesehen konnten PMS nicht dazu geführt werden, einen hohen Fluss zu halten, wenn sie zerlegt würden. Feldwicklungen waren praktischer, um den benötigten Fluss zu erhalten. Große PMs sind jedoch kostspielig sowie gefährlich und schwer zu versammeln. Dies bevorzugt Wundfelder für große Maschinen.

Um das Gesamtgewicht und die Gesamtgröße zu minimieren, können Miniatur -PM -Motoren mit hohen Energiemagneten mit hergestelltem Maschinen verwenden Neodym; Die meisten sind Neodym-Eisen-Bor-Boron-Legierung. Mit ihrer höheren Flussdichte sind elektrische Maschinen mit energiereicher PMs zumindest wettbewerbsfähig mit allen optimal gestalteten einzeln gefüttert Synchron- und Induktions -Elektromaschinen. Miniaturmotoren ähneln der Struktur in der Abbildung, mit der Ausnahme, dass sie mindestens drei Rotorpolen haben (um einen Start zu gewährleisten, unabhängig von der Rotorposition), und ihr äußeres Gehäuse ist ein Stahlrohr, das die Außenseiter der gekrümmten Feldmagnete magnetisch verbindet.

Elektronischer Kommutator (EC)

Bürstenloser Gleichstrom

Einige der Probleme des gebürsteten DC -Motors werden im Bldc -Design beseitigt. In diesem Motor wird der mechanische "rotierende Schalter" oder der Kommutator durch einen externen elektronischen Schalter ersetzt, der an der Position des Rotors synchronisiert ist. BLDC -Motoren sind in der Regel 85%+ effizient und erreichen bis zu 96,5%.^[70] während gebürstete DC -Motoren typischerweise 75–80% effizient sind.

Das charakteristische Trapez des BLDC Motors Gegenelektromotivkraft (CEMF) Die Wellenform wird teilweise von den Statorwicklungen abgeleitet, die gleichmäßig verteilt sind, und teilweise aus der Platzierung der permanenten Magnete des Rotors. Auch als elektronisch übernommene DC- oder Inside-Out-DC-Motoren bezeichnet, können die Statorwicklungen von Trapez-Bldc-Motoren einphasige, zweiphasige oder dreiphasige sein und verwenden Hall -Effekt -Sensoren montiert auf ihren Wicklungen für Rotorpositionserfindung und niedrige Kosten Kommutatorenkontrolle mit geschlossener Schleife.

BLDC -Motoren werden häufig verwendet, wenn eine präzise Geschwindigkeitskontrolle erforderlich ist, wie bei Computer -Festplatten oder Video -Kassetten -Rekordern. Die Spindeln innerhalb von CD, CD-ROM (usw.) und Mechanismen innerhalb von Büroprodukten wie Lüfter, Laserdrucker und Fotokopierern. Sie haben mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Motoren:

• Sie sind effizienter als Wechselstromventilatoren, die schattierte Motoren verwenden und viel kühler als die AC-Äquivalente laufen. Diese coole Operation führt zu viel verbessertem Leben der Lager des Lüfters.
• Ohne einen Kommutator kann die Lebensdauer eines Bldc -Motors im Vergleich zu einem gebürsteten Gleichstrommotor mit einem Kommutator deutlich länger sein. Kommutierung neigt dazu, elektrische und HF -Rauschen zu verursachen; Ohne einen Kommutator oder Bürsten kann ein Bldc -Motor in elektrisch empfindlichen Geräten wie Audiogeräten oder Computern verwendet werden.
• Das Gleiche Hall-Effekt Sensoren, die die Kommutierung anbieten Geschwindigkeitsmesser Signal für Closed-Loop-Steuerungsanwendungen (servo-kontrollierte) Anwendungen. Bei Lüfter kann das Tachometer -Signal verwendet werden, um ein "Lüfter OK" -Signal abzuleiten und laufende Geschwindigkeitsfeedback zu bieten.
• Der Motor kann mit einer internen oder externen Uhr synchronisiert werden, wodurch eine präzise Geschwindigkeitsregelung gewährleistet ist.
• BLDC -Motoren treiben nicht aus, was sie besser für Umgebungen mit flüchtigen Chemikalien und Kraftstoffen eignet. Das Sparking erzeugt auch Ozon, das sich in schlecht belüfteten Gebäuden ansammeln kann.
• BLDC -Motoren werden normalerweise in kleinen Geräten wie Computern verwendet und in der Regel in Lüftern zum Entfernen von Wärme verwendet.
• Sie verdienen wenig Geräusche, was bei Ausrüstungen von Schwingungen beeinflusst wird.

Moderne Bldc -Motoren sind von einem Bruchteil eines Watts bis zu vielen Kilowatt. In Elektrofahrzeugen werden größere BLDC -Motoren mit einer Bewertung von bis zu 100 kW verwendet. Sie finden auch in Elektro Modellflugzeug.

Relugenmotor umgeschaltet

6/4 -Pole -Relugenmotor umgeschaltet

Der SWM -Reluktanzmotor (SRM) hat keine Bürsten oder dauerhaften Magnete, und der Rotor hat keine elektrischen Ströme. Das Drehmoment ergibt sich aus einer leichten Fehlausrichtung der Pole am Rotor mit Polen am Stator. Der Rotor richtet sich mit dem Magnetfeld des Stators aus, während die Statorfeldwicklungen nacheinander verbunden sind, um das Statorfeld zu drehen.

Der durch die Feldwicklungen erzeugte magnetische Fluss folgt dem Pfad des geringsten magnetischen Sendens des Flusses durch Rotorpolen, die den energiegeladenen Polen des Stators am nächsten sind, wodurch die Pole des Rotors Magnetisierung und das Drehmoment entsteht. Wenn sich der Rotor dreht, werden unterschiedliche Wicklungen erregt, wodurch der Rotor dreht.

SRMs werden in einigen Geräten verwendet^[71] und Fahrzeuge.^[72]

Universal AC/Gleichstrommotor

Moderner kostengünstiger universeller Motor von einem Staubsauger. Feldwicklungen sind auf beiden Seiten dunkel kupferfarben, nach hinten. Der laminierte Kern des Rotors ist grau metallisch, mit dunklen Slots zum Wickeln der Spulen. Der Kommutator (teilweise versteckt) ist dunkel aus dem Gebrauch geworden; es ist nach vorne. Das große braun, geformte, geformtes Stück im Vordergrund stützt die Bürstenführer und Bürsten (beide Seiten) sowie das vordere Motor.

Ein pendeliger, elektrisch angeregter Serien oder paralleler Wundmotor wird als universeller Motor bezeichnet, da er für den Betrieb mit Wechselstrom- oder Gleichstromkraft ausgelegt werden kann. Ein universeller Motor kann bei AC gut funktionieren, da der Strom sowohl im Feld als auch im Ankerspulen (und damit die resultierenden Magnetfelder) die Polarität synchron umgekehrt ist, und daher tritt die resultierende mechanische Kraft in einer konstanten Drehrichtung auf.

Bei Normal operieren Stromleitungsfrequenzen, Universal Motoren werden häufig in Sub-Kilowatt-Anwendungen verwendet. Universalmotoren bildeten die Grundlage für den traditionellen Eisenbahntraktionsmotor in Elektrometerbahnen. In dieser Anwendung würde die Verwendung des Wechselstroms für einen Motor, der für DC ausgelegt ist Wirbelstrom Erhitzen ihrer magnetischen Komponenten, insbesondere der Motorfeldstangen, die für DC festgelegt hätten, hätten feste (nicht laminierte) Eisen verwendet. Sie werden jetzt selten verwendet.

Ein Vorteil ist, dass Wechselstromleistung für Motoren verwendet werden kann, die speziell ein hohes Startdrehmoment und ein kompaktes Design haben, wenn hohe Laufgeschwindigkeiten verwendet werden. Im Gegensatz dazu ist die Wartung höher und die Lebensdauer verkürzt. Solche Motoren werden in Geräten verwendet, die nicht stark eingesetzt werden und hohe Anforderungen an die Ausgangspunkte haben. Mehrere Wasserhähne auf der Feldspule liefern (ungenau) Stufengeschwindigkeitskontrolle. Haushaltsmischungen, die für viele Geschwindigkeiten werben, kombinieren typischerweise eine Feldspule mit mehreren Wasserhähne und einer Diode, die in Reihe mit dem Motor eingeführt werden kann (wodurch der Motor auf halbwellengerechtigkeitsgerichtetem Wechselstrom läuft). Universalmotoren eignen sich auch dafür elektronische Geschwindigkeitsregelung und als solche sind Geräte wie Haushaltswaschmaschinen eine Wahl. Der Motor kann die Trommel (sowohl nach vorne als auch in umgekehrt) durch Schalten der Feldwicklung in Bezug auf den Anker bewegen.

Während SCIMs eine Welle nicht schneller drehen können als durch die Stromleitungsfrequenz, können universelle Motoren mit viel höheren Geschwindigkeiten laufen. Dies macht sie nützlich für Geräte wie Mixer, Staubsauger und Haartrockner, bei denen hohe Geschwindigkeit und geringes Gewicht wünschenswert sind. Sie werden auch üblicherweise in tragbaren Elektrowerkzeugen wie Bohrern, Sander, kreisförmigen und Jigsägen verwendet, bei denen die Eigenschaften des Motors gut funktionieren. Viele Staubsauger- und Unkraut -Trimmermotoren übersteigen 10.000 U / min, während Miniaturschleife überschreiten können 30.000 U / min.

Extern umgestellte Wechselstrommaschine

Wechselstrominduktion und Synchronmotoren werden für den Betrieb auf einphasige oder Polyphase-sinusoidaler oder quasi-sinusoidaler Wellenformleistung optimiert Variable-Frequenz-Laufwerk (VFD) Controller.

Induktionsmotor

Ein Induktionsmotor ist ein asynchroner Wechselstrommotor, bei dem die Stromversorgung durch elektromagnetische Induktion auf den Rotor übertragen wird, ähnlich wie bei der Transformatorwirkung. Ein Induktionsmotor ähnelt einem rotierenden Transformator, da der Stator (stationärer Teil) im Wesentlichen die primäre Seite des Transformators ist und der Rotor (rotierender Teil) die sekundäre Seite ist. Polyphase -Induktionsmotoren werden in der Industrie häufig eingesetzt.

Großer 4.500 -PS -Wechselstrominduktionsmotor.

Käfig und Wundrotor

Induktionsmotoren können unterteilt sein in Eichhörnchen -Käfig -Induktionsmotoren (Scim) und Wundrotorinduktionsmotoren (Wrim). SCIMs haben eine schwere Wicklung aus festen Stäben, normalerweise Aluminium oder Kupfer, die elektrisch durch Ringe an den Enden des Rotors verbunden sind. Die Bars und Ringe insgesamt ähneln dem rotierenden Trainingskäfig eines Tieres.

In diese Wicklung induzierte Ströme liefern das Rotormagnetfeld. Die Form der Rotorstangen bestimmt die Geschwindigkeits-Drag-Eigenschaften. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist der im Eichhörnchenkäfig induzierte Strom nahezu bei Linienfrequenz und bleibt in den äußeren Teilen des Käfigs. Wenn sich der Motor beschleunigt, wird die Schlupffrequenz niedriger und mehr Strom erreicht den Innenraum. Durch die Gestaltung der Stäbe, um den Widerstand der Wickelabschnitte im Innen- und Außenbereich des Käfigs zu ändern, wird ein variabler Widerstand in den Rotorkreis effektiv eingeführt. Die meisten dieser Motoren verwenden jedoch einheitliche Balken.

In einem Drehkrim besteht die Rotorwicklung aus vielen Wendungen isolierter Draht und ist an verbunden mit Slipringe auf der Motorwelle. Ein externer Widerstand oder ein anderes Steuergerät kann in der Rotorschaltung angeschlossen werden. Widerstände ermöglichen die Kontrolle über die Motordrehzahl, obwohl es erhebliche Leistung abgeleitet hat. Ein Konverter kann vom Rotorkreis gefüttert werden und die Schlupffrequenzleistung zurückgeben, die ansonsten durch einen Wechselrichter oder einen separaten Motorgenerator in das Stromversorgungssystem verschwendet werden würde.

WRIMS werden hauptsächlich verwendet, um eine hohe Trägheitslast oder eine Last zu starten, die ein hohes Startdrehmoment über den gesamten Geschwindigkeitsbereich erfordert. Durch korrekte Auswahl der im Sekundärwiderstand oder des Schlupfringstarter verwendeten Widerstände kann der Motor ein maximales Drehmoment bei einem relativ niedrigen Versorgungsstrom von Null bis zu voller Geschwindigkeit erzeugen.

Die Motordrehzahl kann geändert werden, da die Drehmomentkurve des Motors durch die an den Rotorkreis angeschlossene Widerstandsmenge effektiv geändert wird. Der zunehmende Widerstand senkt die Geschwindigkeit des maximalen Drehmoments. Wenn der Widerstand über den Punkt hinaus erhöht wird, an dem das maximale Drehmoment bei Nullgeschwindigkeit auftritt, wird das Drehmoment weiter verringert.

Bei Verwendung einer Last mit einer Drehmomentkurve, die mit der Geschwindigkeit zunimmt, arbeitet der Motor mit der Geschwindigkeit, bei der das vom Motor entwickelte Drehmoment gleich dem Lastdrehmoment ist. Durch die Reduzierung der Last wird der Motor beschleunigt, während das Erhöhen der Last den Motor verlangsamt, bis das Last und das Motordrehmoment wieder gleich sind. Auf diese Weise betrieben werden die Schlupfverluste in den Sekundärwiderständen abgeleitet und können signifikant sein. Die Geschwindigkeitsregulierung und der Nettoeffizienz sind schlecht.

Drehmomentmotor

Ein Drehmomentmotor kann auf unbestimmte Zeit arbeiten, während der Rotor vor Drehen blockiert ist, ohne Schäden zu verursachen. In dieser Betriebsart wendet der Motor ein konstantes Drehmoment auf die Last an.

Eine übliche Anwendung ist die Versorgungs- und Aufnahmemotoren in einem Bandlaufwerk. In dieser Anwendung, die von einer niedrigen Spannung angetrieben wird Capstan Füttert Klebeband an den Klebebandköpfen vorbei. Drehmomentmotoren können aus einer höheren Spannung (mit einem höheren Drehmoment liefert) schneller Vorwärts- und Rückspulenbetrieb erzielen, ohne zusätzliche Mechaniker wie Zahnräder oder Kupplungen zu erfordern. In der Computer -Gaming -Welt werden Drehmomentmotoren in Force Feedback -Lenkrädern eingesetzt.

Eine weitere häufige Anwendung besteht darin, die Drossel eines Verbrennungsmotors mit einem elektronischen Gouverneur zu steuern. Der Motor arbeitet gegen eine Rücklaufquelle, um den Gasblech in Übereinstimmung mit dem Gouverneurausgang zu bewegen. Letztere überwacht die Motorgeschwindigkeit, indem er elektrische Impulse aus dem Zündsystem oder aus einem magnetischen Abholung zählt und je nach Geschwindigkeit kleine Anpassungen an die Strommenge vornimmt. Wenn der Motor relativ zur gewünschten Geschwindigkeit verlangsamt, nimmt der Strom zu, erzeugt mehr Drehmoment, zieht gegen die Rücklauffeder und öffnet den Gas. Sollte der Motor zu schnell laufen, reduziert der Gouverneur den Strom und lässt die Rücklauffeder zurückziehen und den Gas verringern.

Synchronmotor

Ein synchroner Elektromotor ist ein Wechselstrommotor. Es enthält einen Rotor, der sich mit Spulen spielt, die Magnete bei gleicher Frequenz wie der Wechselstrom übertragen und ein Magnetfeld erzeugt, um es zu fahren. Es hat Null -Slip unter typischen Betriebsbedingungen. Im Gegensatz dazu müssen die Induktionsmotoren ausrutschen, um das Drehmoment zu erzeugen. Eine Art von Synchronmotor ist wie ein Induktionsmotor, außer dass der Rotor von einem DC -Feld angeregt wird. Schlupfringe und Bürsten leiten Strom zum Rotor. Die Rotorpasten verbinden sich miteinander und bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit. Ein anderer Typ für das Drehmoment mit niedrigem Last hat Flates auf einem herkömmlichen Eichhörnchen-Rotor, um diskrete Pole zu erzeugen. Noch ein anderer, wie von Hammond für seine Uhren vor dem Zweiten Weltkrieg und in älteren Jahren gemacht Hammond Organe, hat keine Rotorwicklungen und diskrete Pole. Es ist nicht selbst zu starten. Die Uhr erfordert manuell, beginnend mit einem kleinen Knopf auf der Rückseite, während die älteren Hammond-Organe einen Hilfsmotor hatten, der durch einen federbelasteten manuell betätigten Schalter angeschlossen war.

Hysterese-Synchronmotoren sind typischerweise (im Wesentlichen) zweiphasige Motoren mit einem Phasenverschiebungskondensator für eine Phase. Sie beginnen wie Induktionsmotoren, aber wenn die Schlupfrate ausreichend abnimmt, wird der Rotor (ein glatte Zylinder) vorübergehend magnetisiert. Seine verteilten Pole lassen es sich wie ein permanenter Magnetsynchronmotor verhalten. Das Rotormaterial wie das eines gemeinsamen Nagels bleibt magnetisiert, kann aber mit wenig Schwierigkeiten entmagnetisiert werden. Sobald die Rotorstangen gelten, bleiben die Rotormasten an Ort und Stelle; Sie driften nicht.

Synchron mit geringer Leistung (z. Telechron Taktmotoren haben schattierte Stangen zum Startdrehmoment und einen Zwei-Speichen-Ringrotor, der wie ein diskreter Zwei-Pole-Rotor ausführt.

Doppelte Elektromaschine

Doppelte Elektromotoren haben zwei unabhängige Multiphasen -Wickelsätze, die eine aktive (d. H. Arbeits-) Stromversorgung zum Energieumwandlungsprozess beitragen, wobei mindestens eines der Wickelsätze für den Betrieb der variablen Geschwindigkeit elektronisch gesteuert werden. Zwei unabhängige Mehrphasen -Wicklungs -Sets (d. H. Dual -Anker) sind die maximalen in einem einzelnen Paket ohne Topologie -Duplikation bereitgestellt. Doppelte Elektromotoren haben einen effektiven konstanten Drehmomentgeschwindigkeitsbereich, der für eine gegebene Anregungsfrequenz zweimal synchron ist. Dies ist doppelt so hoch wie der konstante Drehmomentgeschwindigkeitsbereich als Elektrische Maschinen einzeln gefüttert, die nur einen aktiven Wickelsatz haben.

Ein doppelt gefütterter Motor ermöglicht einen kleineren elektronischen Konverter, aber die Kosten für die Rotorwicklung und die Schlupfringe können die Einsparung in den Leistungselektronikkomponenten ausgleichen. Schwierigkeiten beeinflussen die Steuerungsgeschwindigkeit in der Nähe von synchronen Geschwindigkeitsbegrenzungsanwendungen.^[73]

Spezielle magnetische Motoren

Rotation

Eisenloser oder kernloser Rotormotor

Ein miniaturloser Motor

Der coreless oder eisernlose Gleichstrommotor ist ein spezialisierter DC -DC -Motor für permanentes Magnet.^[68] Optimiert für Rapid BeschleunigungDer Rotor wird ohne Eisenkern konstruiert. Der Rotor kann die Form eines mit Wicklungen gefüllten Zylinders oder einer selbsttragenden Struktur mit nur Draht- und Bindungsmaterial annehmen. Der Rotor kann in die Statormagnete passen. Ein magnetisch weicher stationärer Zylinder im Rotor bietet einen Rückweg für den magnetischen Statorfluss. Eine zweite Anordnung hat den Rotorwickelkorb, der die Statormagnete umgibt. In diesem Design passt der Rotor in einen magnetisch weichen Zylinder, der als Motorgehäuse dienen kann, und bietet einen Rückweg für den Fluss.

Da der Rotor viel niedriger ist als ein herkömmlicher Rotor, kann er viel schneller beschleunigen und oft einen Mechanischen erreichen Zeitkonstante Unter einer Millisekunde. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Wicklungen eher Aluminium als (schwerer) Kupfer verwenden. Der Rotor hat keine Metallmasse, um als Kühlkörper zu wirken; Sogar kleine Motoren müssen abgekühlt werden. Überhitzung kann für diese Entwürfe ein Problem sein.

Das Vibrationsalarm von zellulären Telefonen können durch zylindrische Permanentmagnetmotoren oder Scheiben-förmige Typen erzeugt werden, die einen dünnen multipolaren Scheibenfeldmagnet haben, und eine absichtlich unausgeglichene geformt-plastische Rotorstruktur mit zwei gebundenen helllosen Spulen. Metallbürsten und ein flacher Kommutator schalten die Rotorspulen an.

Verwandte Aktuatoren mit begrenzten Reisen haben keinen Kern und eine gebundene Spule, die zwischen den Polen von dünnen permanenten Magneten mit hohem Flux platziert ist. Dies sind die schnellen Kopfpositionierer für Starr-DiSK-Laufwerke ("Festplatten"). Obwohl sich das zeitgenössische Design erheblich von dem von Lautsprechern unterscheidet, wird es immer noch lose (und falsch) als "Sprachspule" -Struktur bezeichnet, da einige früher das eines Lautsprechers.

Pfannkuchen- oder Axialrotormotor

Der gedruckte Anker oder Pfannkuchenmotor hat Wicklungen, die als Scheibe geformt sind, die zwischen Arrays von High-Flux-Magneten verläuft. Die Magnete sind in einem Kreis angeordnet, der dem Rotor zu einem axialen Luftspalt bildet.^[74] Dieses Design ist aufgrund seines flachen Profils allgemein als Pfannkuchenmotor bekannt.

Der Anker (ursprünglich auf einer gedruckten Leiterplatte gebildet) besteht aus gestanzten Kupferblättern, die mithilfe fortschrittlicher Verbundwerkstoffe zusammenlasiert werden, um eine dünne, starre Scheibe zu bilden. Der Anker hat keinen separaten Ringkommutator. Die Bürsten bewegen sich direkt auf der Ankeroberfläche, wodurch das gesamte Design kompakt ist.

Ein alternatives Design besteht darin, Wundkupferdraht mit einem zentralen konventionellen Kommutator in Blume und Blütenblatt flach zu verwenden. Die Wicklungen werden typischerweise mit elektrischen Epoxidfenstersystemen stabilisiert. Dies sind gefüllte Epoxides mit mäßiger, gemischter Viskosität und einer langen Gelzeit. Sie werden durch niedrige Schrumpfung und niedrige Exotherme hervorgehoben und werden typischerweise UL 1446 als eine mit 180 ° C (356 ° F) isolierte Blecheinsicht, Klasse H, erkannt.

Der einzigartige Vorteil von eiserlosen DC -Motoren ist das Fehlen von Zogging (Drehmomentschwankungen, die durch Änderung der Anziehung zwischen Eisen und Magneten verursacht werden). Parasitäre Wirbelströme können sich im Rotor nicht bilden, da er völlig Eisenlos ist, obwohl Eisenrotoren laminiert sind. Dies kann die Effizienz erheblich verbessern, aber es muss eine höhere Schaltungsrate (> 40 kHz) oder DC aufgrund von verringertem Umschaltrate (> 40 kHz) oder DC verwenden Elektromagnetische Induktion.

Diese Motoren wurden erfunden, um die Capstan (en) von Magnetbandantrieben zu treiben, wo die minimale Zeit für die Betriebsgeschwindigkeit und die minimale Stoppentfernung kritisch waren. Pfannkuchenmotoren werden häufig in leistungsstarken Servosenteuersystemen, Robotersystemen, industriellen Automatisierung und medizinischen Geräten eingesetzt. Aufgrund der jetzt verfügbaren Vielfalt der jetzt verfügbaren Konstruktionen wird die Technologie in Anwendungen von hoher Temperatur -Militär bis zu kostengünstiger Pumpe und grundlegenden Servos verwendet.

Ein anderer Ansatz (Magnax) ist die Verwendung eines einzelnen Stators zwischen zwei Rotoren. Ein solches Design hat eine Spitzenleistung von 15 kW/kg erzeugt und eine anhaltende Leistung von etwa 7,5 kW/kg erzeugt. Dieser axiale axiale Flussmotor von jokellos bietet einen kürzeren Flussweg, der die Magnete weiter von der Achse entfernt. Das Design ermöglicht einen Überhang von Null; 100 Prozent der Wicklungen sind aktiv. Dies wird durch die Verwendung von Kupferdraht mit rechteckiger Kreuzung verbessert. Die Motoren können parallel gestapelt werden. Instabilitäten werden minimiert, indem sichergestellt wird, dass die beiden Rotorscheiben gleiche und entgegengesetzte Kräfte auf die Statorscheibe versehen. Die Rotoren sind über einen Wellenring direkt miteinander verbunden, wodurch die magnetischen Kräfte abgebrochen werden.^[75]

Magnax -Motoren haben eine Größe von 0,15 bis 5,4 Metern (5,9 in - 17 Fuß 8,6 Zoll) im Durchmesser.^[75]

Servomotor

A Servomotor ist ein Motor, der innerhalb eines Positions-Kontroll- oder Geschwindigkeitskontroll-Feedback-Systems verwendet wird. Servomotoren werden in Anwendungen wie Werkzeugmaschinen, Stiftplotter und anderen Prozesssystemen verwendet. Motoren, die für die Verwendung in einem Servomechanismus bestimmt sind, müssen vorhersehbare Eigenschaften für Geschwindigkeit, Drehmoment und Kraft haben. Die Geschwindigkeits-/Drehmomentkurve ist wichtig und ist ein hohes Verhältnis für einen Servomotor. Dynamische Reaktionsmerkmale wie Wicklungsinduktivität und Rotorträglichkeit sind wichtig; Diese Faktoren begrenzen die Leistung. Große, leistungsstarke, aber langsam reagierende Servoschleifen können herkömmliche Wechselstrom- oder DC-Motoren und Antriebssysteme mit Position oder Geschwindigkeitsrückkopplung verwenden. Mit zunehmender dynamischer Reaktionsanforderungen werden spezifischere motorische Konstruktionen wie Coreless Motors verwendet. Die überlegenen Leistungsdichte- und Beschleunigungsmerkmale der Wechselstrommotoren bevorzugen tendenziell dauerhafte Magnetsynchron-, BLDC-, Induktions- und SRM -Antriebsansätze.^[74]

Ein Servosystem unterscheidet sich von einigen Stepper -Motoranwendungen in dieser Position feedback ist kontinuierlich, während der Motor ausgeführt wird. Ein Stepper-System betreibt inhärent von Open-Loop-auf dem Motor, nicht "Schritte für kurzfristige Genauigkeit zu verpassen-mit jedem Feedback wie einem" Home "-Schalter oder Positionscodierer extern zum Motorsystem.^[76]

Schrittmotor

Ein Schrittmotor mit einem weichen Eisenrotor mit aktiven Wicklungen. In 'a' neigen die aktiven Wicklungen dazu, den Rotor in Position zu halten. In 'B' trägt eine andere Menge von Wicklungen einen Strom, der Drehmoment und Rotation erzeugt.

Steppermotoren werden normalerweise verwendet, um präzise Rotationen bereitzustellen. Ein interner Rotor, der dauerhafte Magnete oder ein magnetisch weicher Rotor mit hervorstechenden Polen enthält, wird durch einen Satz elektronisch geschalteter externer Magneten gesteuert. Ein Schrittmotor kann auch als Kreuzung zwischen einem Gleichstrom -Elektromotor und einem Rotationsmagnet angesehen werden. Da jede Spule wiederum mit Energie versorgt wird, richtet sich der Rotor selbst mit dem Magnetfeld aus, das durch die energiegeladene Feldwicklung erzeugt wird. Im Gegensatz zu einem synchronen Motor dreht sich der Schrittmotor möglicherweise nicht kontinuierlich. Stattdessen bewegt es sich in Schritten-starten und dann aufhören-von einer Position zur nächsten, wenn Feldwicklungen mit Energie versorgt und nacheinander verbunden sind. Abhängig von der Sequenz kann der Rotor nach vorne oder rückwärts drehen und die Richtung ändern, stoppen, beschleunigen oder verlangsamen.

Einfache Schrittmotorfahrer haben die Feldwicklungen vollständig anregen oder vollständig entstern, was den Rotor zum "Zahnrad" zu einer begrenzten Anzahl von Positionen führt. Mikrostrepping Die Fahrer können die Leistung der Feldwicklungen proportional steuern, sodass die Rotoren zwischen Zahnradpunkten positionieren und reibungslos drehen können. Computergesteuerte Steppermotoren sind eines der vielseitigsten Positionierungssysteme, insbesondere als Teil eines Digitals Servo-kontrolliert System.

Steppermotoren können in diskreten Schritten mit Leichtigkeit in einen bestimmten Winkel gedreht werden, und daher werden Steppermotoren für Lese-/Schreibkopfpositionierung in früh Laufwerke, wo die Präzision und Geschwindigkeit, die sie angeboten haben, den Lese-/Schreibkopf korrekt positionieren können. Als die Antriebsdichte zunahm, machten die Präzisions- und Geschwindigkeitsbeschränkungen sie für Festplatten überholt-die Präzisionsbeschränkung machte sie unbrauchbar und die Geschwindigkeitsbeschränkung, die sie wettbewerbswidrig machten-, wobei neuere Festplatten-Laufwerke Sprachspulenbasis-Hauptaktuatorsysteme verwenden. (Der Begriff "Sprachspule" in diesem Zusammenhang ist historisch; er bezieht sich auf die Struktur in einem Kegeltyp Lautsprecher.))

Steppermotoren werden häufig in Computerdruckern, optischen Scannern und digitalen Fotokopierern verwendet, um das aktive Element, den Druckkopfwagen, zu verschieben (Tintenstrahldrucker), und die Platten oder Futterrollen.

Sogenannte Quarz-analoge Armbanduhren enthalten die kleinsten alltäglichen Sprungbrettmotoren. Sie haben eine Spule, ziehen wenig Strom und einen permanenten Magnetrotor. Die gleiche Art von Motor treibt batteriebetriebene Quarzuhren an. Einige dieser Uhren, wie z. Chronographien, enthalten mehr als einen Schrittmotor.

Stepper-Motoren und SRMs sind eng mit dreiphasigen Wechselstrom-Synchronmotoren verwandt, und SRMs werden als variabler Zurückhaltungsmotor-Typ eingestuft.^[77]

Linearer Motor

Ein linearer Motor ist im Wesentlichen ein Elektromotor, der "abgerollt" wurde, so dass anstatt zu produzieren, anstatt zu produzieren Drehmoment (Rotation) erzeugt es eine geradlinige Kraft entlang seiner Länge.

Lineare Motoren sind am häufigsten Induktionsmotoren oder Schrittmotoren. Lineare Motoren finden sich häufig in Roller-Koastern, bei denen die schnelle Bewegung des motorlosen Eisenbahnwagens über die Schiene gesteuert wird. Sie werden auch in verwendet Maglev -Züge, wo der Zug "fliegt" über den Boden. In kleinerem Maßstab verwendete der HP 7225A -Stift von 1978 zwei lineare Schrittmotoren, um den Stift entlang der X- und Y -Achsen zu bewegen.^[78]

Vergleich der Hauptkategorien

Elektromagnetismus

Kraft und Drehmoment

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie durch die Kraft zwischen zwei entgegengesetzten Magnetfeldern in mechanische Energie um. Mindestens eines der beiden Magnetfelder muss durch ein Elektromagnet durch das durch einen elektrische Strom verursachte Magnetfeld erzeugt werden.

Die Kraft zwischen einem Strom ${\ displayStyle i}$ in einem Leiter der Länge ${\ displayStyle \ ell}$ senkrecht zu einem Magnetfeld ${\ displaystyle \ mathbf {b}}$ kann mit dem berechnet werden Lorentz Force Law:

${\ displaystyle \ mathbf {f} = i \ ell \ times \ mathbf {b} \, \!}$

Hinweis: X bezeichnet den Vektor Kreuzprodukt.

Die allgemeinsten Ansätze zur Berechnung der Kräfte in Motoren verwenden Tensornotation.^[89]

Leistung

Wo ${\ displayStyle \ Omega _ {rpm}}$ Ist die Schachtgeschwindigkeit in Drehzahl und T ist Drehmoment, die mechanische Ausgabe eines Motors p_em wird gegeben durch,^[90]

in imperiale Einheiten mit T in Fußpfund ausdrückt,

${\ displayStyle p_ {em} = {\ frac {\ Omega _ {rpm} t} {5252}}}$ (Pferdestärke) und,

in SI-Einheiten mit Welle Winkelgeschwindigkeit, ${\ displayStyle \ Omega}$, ausgedrückt in Radians pro Sekunde und T in Newton-Metern, ausgedrückt,

${\ displayStyle p_ {em} = \ Omega t}$ (Watts).

Für einen linearen Motor, mit Kraft F in Newtons und Geschwindigkeit V in Messgeräten pro Sekunde ausgedrückt,

${\ displayStyle p_ {em} = f {v}}$ (Watts).

In einem asynchronen oder Induktionsmotor die Beziehung zwischen Motorgeschwindigkeit und Luftspaltleistung^{[Klarstellung erforderlich]} wird durch Folgendes gegeben:

${\ displayStyle p_ {airgap} = {\ frac {r_ {r}} {s}} i_ {r}^{2}}$, wo

R_r - Rotorwiderstand

I_r² - im Rotor induzierter Strom induziert

S - Motorrutsche^{[Klarstellung erforderlich]}; d.h. Unterschied zwischen synchroner Geschwindigkeit und Schlupfgeschwindigkeit, die die relative Bewegung liefert, die für die Strominduktion im Rotor erforderlich ist.

Zurück EMF

Die Bewegung von Ankerwicklungen eines direkten oder universellen Motors durch ein Magnetfeld induziert eine Spannung. Diese Spannung neigt dazu, sich der Motorversorgungsspannung zu widersetzen und wird so genannt ""Rückenelektromotive Kraft (EMF)". Die Spannung ist proportional zur Laufgeschwindigkeit des Motors. Die hintere EMK des Motors sowie der Spannungsabfall über den Wickelwiderstand und die Pinsel müssen der Spannung an den Bürsten gleich sein. Dies liefert den grundlegenden Mechanismus der Geschwindigkeitsregulation in Ein Gleichstrommotor. Wenn die mechanische Belastung zunimmt, verlangsamt sich der Motor nach unten; ein EMK -Ergebnis unterer Rücken und mehr Strom aus der Versorgung. Dieser erhöhte Strom liefert das zusätzliche Drehmoment, um die Last auszugleichen.^[91]

In Wechselstrommaschinen ist es manchmal nützlich, eine Rücken -EMF -Quelle innerhalb der Maschine zu berücksichtigen. Dies ist von besonderer Bedeutung für die enge Geschwindigkeitsregulierung von Induktionsmotoren für VFDs.^[91]

Verluste

Motorverluste sind hauptsächlich aufgrund Widerstandsverluste Bei Wicklungen, Kernverlusten und mechanischen Verlusten bei Lagern und aerodynamischen Verlusten, insbesondere wenn Kühlventilatoren vorhanden sind, treten auch auf.

Verluste treten auch in der Kommutierung auf, mechanische Kommutatoren fördern; Elektronische Kommutatoren und auch Wärme leiten.

Effizienz

Um die Effizienz eines Motors zu berechnen, wird die mechanische Ausgangsleistung durch die elektrische Eingangsleistung geteilt:

${\ displayStyle \ eta = {\ frac {p_ {m}} {p_ {e}}}}}$,

wo ${\ displayStyle \ eta}$ ist Energieumwandlungseffizienz, ${\ displayStyle p_ {e}}$ ist elektrische Eingangsleistung und ${\ displayStyle p_ {m}}$ ist mechanische Ausgangsleistung:

${\ displayStyle p_ {e} = iv}$

${\ displayStyle p_ {m} = t \ omega}$

wo ${\ displayStyle v}$ ist Eingangsspannung, ${\ displayStyle i}$ ist Eingangsstrom, ${\ displayStyle t}$ ist Ausgangsdrehmoment und ${\ displayStyle \ Omega}$ ist Ausgangswinkelgeschwindigkeit. Es ist möglich, den Punkt der maximalen Effizienz analytisch abzuleiten. Es ist normalerweise bei weniger als 1/2 die Kippmoment.

Verschiedene nationale Aufsichtsbehörden haben Gesetze erlassen, um die Herstellung und Verwendung von Motoren mit höherem Effizienz zu fördern. Elektromotoren haben Effizienz von mindestens 15% für schattierte Polmotoren, bis zu 98% für permanente Magnetmotoren.^[92][93] mit Effizienz auch abhängig von der Last. Die Spitzeneffizienz liegt normalerweise bei 75% der Nennlast. Also ist (als Beispiel) ein 10 -PS -Motor am effizientesten beim Fahren einer Last, die 7,5 PS benötigt.^[94] Die Effizienz hängt auch von der Motorgröße ab. Größere Motoren sind in der Regel effizienter.^[95] Einige Motoren können nicht länger als einen bestimmten Zeitraum kontinuierlich arbeiten (z. B. mehr als eine Stunde pro Lauf)^[96]

Gütefaktor

Eric Laithwaite^[97] schlug eine Metrik vor, um die "Güte" eines Elektromotors zu bestimmen:^[98] $oder }$

Wo:

${\ displayStyle g}$ ist der Gütefaktor (Faktoren über 1 sind wahrscheinlich effizient)

${\ displayStyle a_ {m}, a_ {e}}$ sind die Querschnittsbereiche des magnetischen und elektrischen Stromkreises

${\ displayStyle l_ {m}, l_ {e}}$ sind die Längen der magnetischen und elektrischen Schaltungen

${\ displayStyle \ mu}$ ist die Permeabilität des Kerns

${\ displayStyle \ Omega}$ ist die Winkelfrequenz, bei der der Motor gefahren wird

Aus diesem Grund zeigte er, dass die effizientesten Motoren wahrscheinlich relativ große Magnetpolen haben. Die Gleichung bezieht sich jedoch nur direkt auf Nicht -PM -Motoren.

Leistungsparameter

Drehmoment

Elektromagnetische Motoren leiten das Drehmoment des Vektorprodukts der wechselwirkenden Felder ab. Das Berechnen des Drehmoments erfordert Kenntnisse der Felder im Luftspalt. Sobald diese festgestellt wurden, ist das Drehmoment das Integral aller Kraftvektoren, die mit dem Radius des Vektors multipliziert werden. Der in der Wicklung fließende Strom erzeugt die Felder. Für einen Motor mit einem magnetischen Material ist das Feld nicht proportional zum Strom.

Eine Zahl, die den Strom mit dem Drehmoment in Verbindung bringt, kann die motorische Auswahl beeinflussen. Das maximale Drehmoment für einen Motor hängt vom maximalen Strom ab und fehlt thermische Überlegungen.

Bei optimal konzipiert innerhalb einer gegebenen Kernsättigungsbeschränkung und für einen gegebenen aktiven Strom (d. H. Drehmomentstrom), Spannung, Pol-Pair-Zahl, Anregungsfrequenz (d. H. Synchrongeschwindigkeit) und Luftgap-Flussdichte, alle Kategorien von Elektromotoren /Generatoren weisen praktisch das gleiche maximale kontinuierliche Wellendrehmoment (d. H. Betriebsdrehmoment) in einem gegebenen Luftverletzungsbereich mit Wickelschlitzen und Rückeisentiefe auf, die die physikalische Größe des elektromagnetischen Kerns bestimmt. Einige Anwendungen erfordern Drehmomentstups über das Maximum hinaus, wie z. B. Bursts, um ein Elektrofahrzeug aus dem Stillstand zu beschleunigen. Immer begrenzt von Magnetische Kernsättigung oder sicher Betriebstemperatur Anstieg und Spannung unterscheidet sich die Kapazität für Drehmoments über den maximalen Motor-/Generatortypen.

Elektrische Maschinen ohne Transformatorkreis -Topologie, wie z. Zu diesem Zeitpunkt kann zusätzlicher Strom kein Drehmoment erhöhen. Darüber hinaus kann die permanente Magnetanordnung von PMSMs irreparabel beschädigt werden.

Elektrische Maschinen mit einer Transformatorkreis-Topologie wie Induktionsmaschinen, doppelt gefütterte Elektromaschinen mit Induktion und Induktion oder synchrones Wundrotor-doppelt gefütterte (WRDF) Maschinen ermöglichen das Drehmoment-Bursts, da der EMF aktiven aktiven Strom auf beiden Seiten der Der Transformator lehnt sich gegenseitig ab und trägt somit nichts zur transformator gekoppelten magnetischen Kernflussdichte bei, wodurch die Kernsättigung vermieden wird.

Elektrische Maschinen, die auf Induktion oder asynchronen Prinzipien angewiesen sind, kurzschließen einen Port des Transformatorschaltkreises, und infolgedessen wird die reaktive Impedanz des Transformatorkreises mit zunehmendem Schlupf dominiert, was die Größe des aktiven (d. H. Realen) Stroms begrenzt. Das Drehmoment platzt zwei- bis dreimal höher als das maximale Designdrehmoment ist realisierbar.

Die bürstenlose Wund-rotor-synchrone, doppelt gefütterte (BWRSDF) -Maschine ist die einzige elektrische Maschine mit einer wirklich doppelte Topologie des transformatorischen Schaltungskreises (d. H. Beide Ports unabhängig voneinander ohne kurzfristig angeregte Port).^[99] Die doppelte Topologie des transformatorischen Stromkreises ist als instabil bekannt und erfordert eine Multiphas-Schlupf-Ring-Push-Baugruppe, um eine begrenzte Leistung an den Rotor-Wickelsatz zu verbreiten. Wenn ein Präzisionsmittel verfügbar wäre, um den Drehmomentwinkel und den Ausrutschen des Synchronenbetriebs während des Betriebs sofort zu steuern und gleichzeitig bürstenloser Leistung für den Rotor -Wickelsatz zu verleihen, wäre der aktive Strom der BWRSDF -Maschine unabhängig von der reaktiven Impedanz des Transformatorschaltkreises und der Ausbrüche von Stößen von Drehmoment signifikant höher als das maximale Betriebsdrehmoment und weit über die praktische Fähigkeit einer anderen Art von elektrischer Maschine hinaus wäre realisierbar. Drehmoment -Bursts mehr als achtmal Betriebsdrehmoment wurden berechnet.

Kontinuierliche Drehmomentdichte

Die kontinuierliche Drehmomentdichte herkömmlicher elektrischer Maschinen wird durch die Größe des Luftspiegelbereichs und die Rückeisentiefe bestimmt, die durch die Leistungsbewertung des Ankerwicklungssatzes, die Geschwindigkeit der Maschine und die erreichbare Luft- und Luftluft bestimmt werden. Lückenflussdichte vor der Kernsättigung. Trotz der hohen Koerzivität von Neodym oder Samarium-Cobalt Permanente Magnete, kontinuierliche Drehmomentdichte ist bei elektrischen Maschinen mit optimal gestalteten Wickelsätzen praktisch gleich. Die kontinuierliche Drehmomentdichte bezieht sich auf die Methode zur Kühl- und zulässige Betriebsdauer vor der Zerstörung durch Überhitzung von Wicklungen oder permanenten Magnetschäden.

Andere Quellen geben an, dass verschiedene E-Machine-Topologien unterschiedliche Drehmomentdichte aufweisen. Eine Quelle zeigt Folgendes:^[100]

Wobei - spezifische Drehmomentdichte für den permanenten Magneten (SPM) von Oberflächenmagneten (SPM) auf 1,0 normalisiert wird - brushlose Wechselstromleitungen von 180 °.

Die Drehmomentdichte ist für flüssiggekühlte Motoren ungefähr viermal höher als bei luftgekühlten Flüssigkeitsmotoren.

Eine Quelle zum Vergleich von Gleichstrom, Induktionsmotoren (IM), PMSM und SRM zeigten:^[101]

Eine andere Quelle stellt fest, dass PMSM bis zu 1 MW eine erheblich höhere Drehmomentdichte aufweist als Induktionsmaschinen.^[102]

Kontinuierliche Leistungsdichte

Die kontinuierliche Leistungsdichte wird durch das Produkt der kontinuierlichen Drehmomentdichte und des konstanten Drehmomentgeschwindigkeitsbereichs bestimmt. Elektromotoren können Dichten von bis zu 20 kW/kg erreichen, was 20 Kilowatt pro Kilogramm aus der Ausgangsleistung bedeutet.^[103]

Akustisches Rauschen und Vibrationen

Akustische Rauschen und Schwingungen werden normalerweise in drei Quellen klassifiziert:

• mechanische Quellen (z. B. aufgrund von Lager)
• aerodynamische Quellen (z. B. aufgrund von Wellenmontage Fans)
• magnetische Quellen (z. B. aufgrund magnetischer Kräfte wie z. Maxwell und Magnetostrhalt Kräfte, die auf Stator- und Rotorstrukturen wirken)

Die letztere Quelle, die für das "Jammern" von Elektromotoren verantwortlich sein kann, heißt elektromagnetisch induziertes akustisches Rauschen.

Standards

Das Folgende sind wichtige Design-, Herstellungs- und Teststandards für Elektromotoren:

• American Petroleum Institute: API 541 Formen-Wund-Eichhörnchen-Käfig-Induktionsmotoren-375 kW (500 PS) und größer
• American Petroleum Institute: API 546 bürstenlose synchrone Maschinen - 500 kVA und größer
• American Petroleum Institute: API 547 Allzwecke Formen-Eichhörnchen-Käfig-Induktionsmotoren-250 PS und größer
• Institut für Elektro- und Elektronikingenieure: IEEE STD 112 Standard -Testverfahren für Polyphase -Induktionsmotoren und Generatoren
• Institut für Elektro- und Elektronikingenieure: IEEE STD 115 Leitfaden für Testverfahren für synchrone Maschinen
• Institut für Elektro- und Elektronikingenieure: IEEE STD 841 Standard für Petroleum and Chemical Industry-Premium-Effizienz schwere Aufgabe Völlig geschlossener Lüfter (TEFC) Eichhörnchen-Käfig-Induktionsmotoren-bis einschließlich 370 kW (500 PS)
• Internationale Elektrotechnische Kommission: IEC 60034 rotierende elektrische Maschinen
• Internationale Elektrotechnische Kommission: IEC 60072 Abmessungen und Ausgangsserien für rotierende elektrische Maschinen
• National Electrical Manufacturers Association: MG-1-Motoren und Generatoren
• Underwriters Laboratories: UL 1004 - Standard für Elektromotoren
• Indischer Standard: IS: 12615-2018-Linie betrieben drei Phase A.C. Motoren (IE -Code) „Effizienzklassen und Leistungsspezifikation“ (dritte Revision)

Nichtmagnetische Motoren

Ein elektrostatischer Motor basiert auf der Attraktion und Abstoßung der elektrischen Ladung. Normalerweise sind elektrostatische Motoren das Dual herkömmlicher Spulenmotoren. Sie benötigen in der Regel eine Hochspannungsstromversorgung, obwohl kleine Motoren niedrigere Spannungen verwenden. Herkömmliche Elektromotoren verwenden stattdessen magnetische Anziehungskraft und Abstoßung und erfordern einen hohen Strom bei niedrigen Spannungen. In den 1750er Jahren wurden die ersten elektrostatischen Motoren von Benjamin Franklin und Andrew Gordon entwickelt. Elektrostatische Motoren finden in mikroelektro-mechanischen Systemen häufig verwendet (Mems) Wenn ihre Antriebsspannungen unter 100 Volt liegen und wo sich bewegte, sind geladene Platten weitaus einfacher zu fertigen als Spulen und Eisenkernen. Die molekulare Maschinerie, die lebende Zellen betreibt, basiert häufig auf linearen und rotierenden elektrostatischen Motoren.

Ein piezoelektrischer Motor oder Piezo -Motor ist eine Art Elektromotor, der auf der Formänderung von a basiert piezoelektrisches Material wenn ein elektrisches Feld wird angewandt. Piezoelektrische Motoren nutzen den umgekehrten piezoelektrischen Effekt, bei dem das Material akustisch erzeugt oder Ultraschall- Vibrationen zur Erzeugung einer linearen oder rotierenden Bewegung.^[104] In einem Mechanismus wird die Dehnung in einer einzelnen Ebene verwendet, um eine Reihe von Strecken und Position zu erstellen, ähnlich der Art und Weise, wie sich eine Raupe bewegt.^[105]

Ein elektrisch angetriebenes Antriebssystem für Raumfahrzeuge verwendet die elektrische Motorechnologie, um Raumfahrzeuge im Weltraum voranzutreiben. Die meisten Systeme basieren auf dem elektrisch beschleunigenden Treibmittel auf hohe Geschwindigkeit, während einige Systeme auf basieren Elektrodynamische Tethers Prinzipien des Antriebs an die Magnetosphäre.^[106]

Siehe auch

• Stromgenerator
• Regenerative Bremse
• Gütefaktor
• Motorkondensator
• Traktionsmotor
• Motorregler

Anmerkungen

Verweise

Literaturverzeichnis

Weitere Lektüre

Externe Links

• Sparkmuseum: frühe Elektromotoren
• Die Erfindung des Elektromotors 1800 bis 1893, moderiert vom Karlsrushe Institute of Technology's Martin Doppelbauer
• Mas.865 2018 wie man etwas macht, das (fast) alles macht, Zeitlupe GIFs und Oszilogramme für viele Arten von Motoren.