Elektromagnetyczne silniki indukcyjne i silniki prądu przemiennego: jak działają

Silniki elektryczne należą do najbardziej znaczących wynalazków w historii inżynierii, a zasada, która sprawia, że większość z nich działa – indukcja elektromagnetyczna – powstała prawie dwa wieki temu. Dziś ta sama zasada napędza wszystko, od sprężarek przemysłowych po rowery elektryczne. Zrozumienie, czym są silniki prądu przemiennego, w jaki sposób napędza je indukcja elektromagnetyczna oraz w jaki sposób technologia ewoluowała w kierunku silników bezszczotkowych stosowanych w nowoczesnej mobilności elektrycznej, daje pełny obraz jednego z najtrwalszych i najbardziej elastycznych pomysłów inżynierii.

Co to jest silnik prądu przemiennego?

Silnik prądu przemiennego to silnik elektryczny, który przekształca energię elektryczną prądu przemiennego (AC) w mechaniczną energię obrotową. W przeciwieństwie do silników prądu stałego (DC), które działają na prąd płynący w jednym kierunku, silniki prądu przemiennego działają na prąd, który okresowo zmienia kierunek – zwykle 50 lub 60 razy na sekundę, w zależności od częstotliwości sieci energetycznej w regionie.

Każdy silnik prądu przemiennego składa się z dwóch głównych elementów mechanicznych. The stojan to stacjonarny zespół zewnętrzny, utworzony z pierścienia cewek elektromagnesu nawiniętych na laminowany rdzeń stalowy. Kiedy prąd przemienny przepływa przez uzwojenia stojana, wytwarzają one pole magnetyczne. The wirnik to obrotowy zespół wewnętrzny, umieszczony wewnątrz cylindrycznej wnęki stojana. Interakcja między polem magnetycznym stojana a wirnikiem — osiągana poprzez indukcję elektromagnetyczną, magnesy trwałe lub wzbudzenie zewnętrzne w zależności od typu silnika — generuje moment obrotowy napędzający wał wyjściowy.

Silniki prądu przemiennego dzielą się na dwie podstawowe kategorie robocze: silniki indukcyjne (asynchroniczne) i silniki synchroniczne. Silniki indukcyjne są zdecydowanie bardziej powszechnym typem w zastosowaniach przemysłowych i komercyjnych i stanowią przeważającą większość silników używanych na całym świecie.

Zasada indukcji elektromagnetycznej

Indukcja elektromagnetyczna jest podstawą wytwarzania momentu obrotowego przez silniki indukcyjne bez żadnego połączenia elektrycznego z wirnikiem. Zasada ustanowiona przez Michaela Faradaya w 1831 roku głosi, że zmieniające się pole magnetyczne przechodzące przez przewodnik indukuje w nim prąd elektryczny. Ten indukowany prąd z kolei wytwarza własne pole magnetyczne.

W silniku indukcyjnym uzwojenia stojana zasilane prądem przemiennym wytwarzają pole magnetyczne, które w sposób ciągły wiruje wokół otworu stojana. To pole wirujące przechodzi przez przewodniki wirnika, indukując w nich prąd zgodnie z prawem Faradaya. Indukowany prąd wytwarza wtórne pole magnetyczne w wirniku. Zgodnie z prawem Lenza to pole wtórne przeciwstawia się zmianie, która je wytworzyła — co oznacza, że ​​próbuje wyeliminować względny ruch pomiędzy wirującym polem stojana a nieruchomym wirnikiem, powodując obrót wirnika w tym samym kierunku co pole stojana.

Rezultat: wirnik obraca się zgodnie z wirującym polem magnetycznym, bez fizycznego połączenia elektrycznego pomiędzy stojanem a wirnikiem. Żadnych szczotek, żadnych pierścieni ślizgowych po stronie wirnika, żadnego komutatora – transfer energii odbywa się całkowicie poprzez zmienne pole magnetyczne w szczelinie powietrznej. Właśnie dlatego silniki indukcyjne są tak proste mechanicznie, wytrzymałe i trwałe w porównaniu z silnikami szczotkowymi: na wirniku nie ma elementów stykowych, które mogłyby się zużywać.

Jak powstaje wirujące pole magnetyczne

Wirujące pole magnetyczne jest kluczowym mechanizmem napędzającym indukcję elektromagnetyczną w silniku prądu przemiennego i jest wyłaniającą się właściwością trójfazowego zasilania prądem przemiennym. W systemie trójfazowym trzy oddzielne napięcia prądu przemiennego są dostarczane jednocześnie do trzech zestawów uzwojeń stojana, przy czym każda para uzwojeń jest fizycznie przesunięta względem pozostałych o 120 stopni wokół otworu stojana. Te trzy napięcia są również elektrycznie przesunięte o 120 stopni, co oznacza, że ​​osiągają wartości szczytowe w różnych momentach każdego cyklu.

Gdy każda faza osiąga swój szczyt, elektromagnesy zasilane przez tę fazę stają się najsilniejsze, przyciągając efektywne pole magnetyczne stojana w kierunku tego zestawu biegunów. W miarę postępu cyklu i szczytu następnej fazy pole przesuwa się do następnego zestawu biegunów — 120 stopni wokół stojana. Efektem netto trzech zestawów elektromagnesów osiągających szczyt w sekwencji, równomiernie rozmieszczonych na obwodzie, jest pole magnetyczne, które wydaje się wirować płynnie wokół stojana z prędkością określoną przez częstotliwość zasilania i liczbę biegunów magnetycznych w uzwojeniu stojana.

Ta prędkość synchroniczna w obrotach na minutę jest określona wzorem: Ns = (120 × f) / P , gdzie f to częstotliwość zasilania w Hz, a P to liczba biegunów. Dwubiegunowy silnik zasilany częstotliwością 50 Hz obraca się z prędkością synchroniczną 3000 obr./min; czterobiegunowy silnik zasilany tym samym zasilaniem obraca się z prędkością 1500 obr./min. Silniki jednofazowe mogą również wytwarzać pole wirujące, ale wymagają pomocniczych uzwojeń rozruchowych lub kondensatorów, ponieważ samo zasilanie jednofazowe wytwarza pole pulsujące, a nie wirujące.

Wirnik i poślizg klatki wiewiórczej

Najpopularniejszą konstrukcją wirnika w silnikach indukcyjnych prądu przemiennego jest wirnik klatkowy — nazwany tak ze względu na jego podobieństwo do koła do ćwiczeń używanego przez małe zwierzęta. Składa się z szeregu aluminiowych lub miedzianych prętów przewodzących osadzonych w szczelinach w laminowanym żelaznym rdzeniu, przy czym pręty są zwarte na obu końcach przewodzącymi pierścieniami końcowymi. Nie ma uzwojeń, izolacji ani zewnętrznych połączeń elektrycznych — wirnik jest mechanicznie prosty w produkcji i praktycznie niezniszczalny w normalnych warunkach pracy.

Kiedy wirujące pole magnetyczne ze stojana omiata te pręty przewodzące, indukuje prądy przepływające przez pręty i wokół pierścieni końcowych. Te prądy krążące wytwarzają pole magnetyczne wirnika, które oddziałuje z polem stojana, generując moment obrotowy. Indukowany prąd – a co za tym idzie – moment obrotowy – zależy od szybkości, z jaką pole stojana przecina pręty wirnika. Gdyby wirnik osiągnął dokładnie tę samą prędkość, co wirujące pole stojana (prędkość synchroniczna), nie byłoby ruchu względnego, cięcia pola, prądu indukowanego ani momentu obrotowego. Dlatego też wirnik zawsze pracuje nieco wolniej niż prędkość synchroniczna.

Ta różnica prędkości nazywa się poślizg , wyrażona jako procent prędkości synchronicznej. Bez obciążenia poślizg jest bardzo mały — zwykle od 0,5% do 1%. Przy pełnym obciążeniu znamionowym poślizg wzrasta do około 3% do 8%, w zależności od konstrukcji silnika. Poślizg nie jest wadą; jest to niezbędny mechanizm, dzięki któremu silnik indukcyjny wytwarza moment obrotowy. Bez poślizgu nie ma indukcji elektromagnetycznej, a bez indukcji elektromagnetycznej nie ma momentu obrotowego.

Silniki indukcyjne a silniki synchroniczne

Silniki synchroniczne stanowią drugą główną gałąź konstrukcji silników prądu przemiennego. Tam, gdzie wirnik silnika indukcyjnego napędzany jest w całości prądem indukowanym elektromagnetycznie, wirnik silnika synchronicznego jest wyposażony w magnesy trwałe lub elektromagnesy wzbudzane oddzielnie, które blokują wirnik dokładnie do prędkości wirującego pola stojana – przy zerowym poślizgu.

Silniki synchroniczne stosuje się tam, gdzie wymagana jest precyzyjna, stała prędkość niezależnie od zmian obciążenia – w zegarach, generatorach sygnału i precyzyjnych napędach pozycjonujących. Silniki indukcyjne dominują w ogólnych zastosowaniach przemysłowych i komercyjnych ze względu na ich niższy koszt, większą wytrzymałość i zdolność do samorozruchu w konfiguracjach trójfazowych.

Silniki indukcyjne jednofazowe a trójfazowe

Trójfazowe silniki indukcyjne uruchamiają się samoczynnie: zasilanie trójfazowe w naturalny sposób wytwarza wirujące pole magnetyczne, które natychmiast po włączeniu zasilania zaczyna indukować moment obrotowy w wirniku klatkowym. Są bardziej wydajne, wytwarzają wyższy współczynnik mocy i są stosowane w praktycznie wszystkich zastosowaniach silników przemysłowych, od małych pomp po wielomegawatowe napędy.

Jednofazowe silniki indukcyjne stanowią podstawowe wyzwanie: jednofazowe zasilanie prądem przemiennym wytwarza pulsujące pole magnetyczne, a nie wirujące. Pulsujące pole może podtrzymać obrót, ale nie może go uruchomić — silnik nie ma preferowanego kierunku obrotu i zerowego momentu rozruchowego netto, gdy jest nieruchomy. Rozwiązuje się ten problem kilka strategii projektowych, z których każda tworzy odrębny wariant silnika.

Od indukcji prądu przemiennego do bezszczotkowego prądu stałego: nowoczesna ewolucja

Bezszczotkowy silnik prądu stałego (BLDC) – obecnie dominujący typ silnika w rowerach elektrycznych, hulajnogach elektrycznych, dronach i pomocniczych napędach pojazdów elektrycznych – nie jest silnikiem indukcyjnym prądu przemiennego w tradycyjnym znaczeniu. Zamiast polegać na elektromagnetycznie indukowanych prądach wirnika, silnik BLDC wykorzystuje magnesy trwałe na wirniku i elektronicznie sterowane przełączanie prądu w stojanie w celu wytworzenia obrotu. Pod tym względem bardziej przypomina silnik synchroniczny niż silnik indukcyjny.

Połączenie z zasadami silnika prądu przemiennego leży w stojanie: stojan silnika BLDC wytwarza wirujące pole magnetyczne poprzez precyzyjnie zsynchronizowane przełączanie prądu stałego przez uzwojenia — efekt funkcjonalnie równoważny temu, jaki osiąga trójfazowy prąd przemienny poprzez sinusoidalne zmiany prądu. Sterownik silnika wykonuje komutację elektroniczną, która zastępuje szczotki tradycyjnego silnika prądu stałego, wykorzystując sprzężenie zwrotne położenia wirnika (z czujników Halla lub czujnika przeciwselektywności elektromagnetycznej) w celu zasilenia prawidłowych uzwojeń stojana w każdym momencie cyklu obrotowego.

Rezultatem jest silnik, który łączy w sobie pracę synchroniczną i wysoką wydajność silnika synchronicznego z magnesami trwałymi ze sterownością i kompaktowością wymaganą w zastosowaniach zasilanych akumulatorowo. Silniki BLDC eliminują zużycie szczotek, które ogranicza żywotność tradycyjnych silników prądu stałego, działają efektywnie w szerokim zakresie prędkości i wytwarzają wysoką gęstość momentu obrotowego w kompaktowej obudowie, co czyni je inżynierskim fundamentem nowoczesnej mobilności elektrycznej.

Zastosowania w nowoczesnej mobilności elektrycznej

Zasady indukcji elektromagnetycznej i wirujących pól magnetycznych, opracowane w XIX wieku, są bezpośrednio zawarte w silnikach napędzających dzisiejsze rowery elektryczne i lekkie pojazdy elektryczne – aczkolwiek w ich nowoczesnej formie bezszczotkowych magnesów trwałych. Na rynku dominują dwie różne konfiguracje silników, każda o innej charakterystyce wydajności, dostosowanej do różnych stylów jazdy i wymagań.

Silniki piasty zintegrować silnik bezpośrednio z piastą koła — przednią lub tylną — ze stojanem przymocowanym do osi i wirnikiem tworzącym zewnętrzną powłokę napędzającą koło. Oddziaływanie elektromagnetyczne pomiędzy nieruchomymi uzwojeniami stojana a obracającym się wirnikiem z magnesami trwałymi bezpośrednio obraca koło, bez mechanicznego łańcucha przenoszenia mocy pomiędzy silnikiem a kołem. Ta prostota sprawia, że ​​silniki piastowe są łatwe w konserwacji i ciche. Silniki piasty for electric bicycles and light electric vehicles nadają się do zastosowań w transporcie dojazdowym, towarowym i rekreacyjnym, gdzie priorytetem jest prosta instalacja i niskie koszty utrzymania.

Silniki o średnim napędzie umieść silnik na suporcie roweru, napędzając korbę i łańcuch, a nie bezpośrednio koło. Takie rozwiązanie pozwala rowerzyście wykorzystać istniejącą przerzutkę roweru do zwielokrotnienia momentu obrotowego silnika, dzięki czemu systemy napędu środkowego są znacznie wydajniejsze na pagórkowatym terenie i lepiej dopasowane do warunków przy zmiennym obciążeniu. Silniki o średnim napędzie for high-performance electric bikes zapewniają moment obrotowy i wszechstronność terenową wymaganą przez górskie rowery elektryczne, rowery towarowe i wydajne aplikacje dojazdowe.

W obu konfiguracjach silnik nie może efektywnie działać bez odpowiedniego sterownika silnika. Sterownik wykonuje elektroniczną komutację, która zastępuje szczotki mechaniczne, zarządza dostarczaniem prądu do uzwojeń stojana w oparciu o sprzężenie zwrotne dotyczące położenia wirnika i przekształca dane wejściowe kierowcy (przepustnica, poziom wspomagania pedału) na precyzyjny wyjściowy moment obrotowy. Bezszczotkowe sterowniki silników prądu stałego do systemów z piastą i napędem środkowym zostały zaprojektowane tak, aby pasowały do konkretnych konfiguracji uzwojeń silnika, zakresów napięcia i protokołów komunikacyjnych. Dla inżynierów i integratorów budujących kompletne systemy napędowe, przewodnik parowania kontrolera i silnika zapewnia ramy dopasowywania specyfikacji potrzebne do wyboru zgodnych kombinacji kontrolera i silnika dla danej platformy pojazdu i docelowej wydajności.