Opis delovanja električnih motorjev

Posted on Posted in Koristne informacije
RAZDELITEV ELEKTRIČNIH MOTORJEV

Električne motorje lahko v splošnem delimo na več načinov.

Osnovna razdelitev (Slika 1) je razdelitev na:

  • enosmerne motorje
  • izmenične motorje

Ta razdelitev je najbolj splošna in jo avtorji v strokovni literaturi tudi najpogosteje podajajo. Podaja razdelitev glede na napajalno napetost, ki jo priključimo na sponke električnega motorja. Enosmerne motorje naprej delimo na enosmerne motorje s in brez ščetk, izmenične pa na asinhronske in sinhronske motorje, ki jih delimo na motorje s permanentnimi magneti, koračne motorje in reluktančne motorje.

Razdelitev_elektricnih_motorjev_glede_napajalno_napetost

 

Slika 1: Razdelitev električnih motorjev glede napajalno napetost

 

 

 

 

Druga razdelitev (Slika 2) deli motorje glede na strukturo. V osnovi imamo tako motorje s ščetkami in motorje brez ščetk. Motorji s ščetkami so enosmerni motorji, motorji brez ščetk pa se naprej delijo na asinhronske in sinhronske motorje, ki se naprej delijo na motorje s permanentnimi magneti, koračne motorje in reluktančne motorje. Motorje s permanentnimi magneti delimo na enosmerne motorje brez ščetk in sinhronske motorje s permanentnimi magneti.

Ta razdelitev se bolj kot na samo napajalno napetost nanaša na zasnovo motorja, upošteva pa tudi uporabljene materiale in princip vodenja. Seveda poleg teh dveh obstajajo tudi druge delitve, ki pa jih ne bomo navajali. Kot je razvidno iz podanih primerov, je mogoče nek tip motorja postaviti v dve precej različni družini, kar se v podanih primerih zgodi z enosmernim motorjem brez ščetk. Le-ta je namreč v osnovi enak sinhronskemu motorju s permanentnimi magneti, razlikujeta se le v obliki magnetnega polja in postopku vodenja. Podrobnosti bodo navedene ob opisu posameznih motorjev.

Razdelitev_elektricnih_motorjev_glede_na_zgradbo

 

Slika 2: Razdelitev električnih motorjev glede na zgradbo

 

 

 

OPISI MOTORJEV

Opis motorjev bo zajemal naslednje podatke:

  • opis delovanja,
  • dobre in slabe lastnosti motorja
  • področja uporabe

Pri samem opisu delovanja se ne bomo spuščali v podrobnosti, motor bo opisan le do te mere, da bo princip delovanja omogočal njegovo nadaljnjo obravnavo in bo v oporo pri izbiri motorja za neko aplikacijo. Podana predstavitev bo vključevala osnovni princip delovanja. K opisu sodijo tudi predstavitve dobrih in slabih lastnosti posameznih tipov motorjev, na podlagi katerih je mogoče soditi o njihovi uporabnosti in ceni.

 

ENOSMERNI MOTOR S ŠČETKAMI

Enosmerni motorji s ščetkami ali enosmerni motorji z mehansko komutacijo so še vedno najpogosteje uporabljani motorji v pogonih s spremenljivo hitrostjo. Razlog za to je v prvi vrsti preprost opis dinamičnega modela motorja in s tem povezan sorazmerno enostaven in cenen sistem vodenja. Mehanski komutator dejansko predstavlja preprost razsmernik (dc-ac pretvornik), ki omogoča izmenične tokove v rotorju, medtem ko je tok pretvornika enosmeren. S tem se ustvarja izmenično vrtilno polje, ki omogoča vrtenje rotorja.
V standardnih izvedbah je stator mirujoč zunanji del motorja, rotor pa je notranji del, ki se vrti. Obstajajo tudi izvedbe, kjer je stator notranji, rotor pa zunanji vrteči se del.
Osnovno sliko kaže Slika 3. Rdeča barva predstavlja severni, zelena pa južni magnetni pol navitja. Kot je splošno znano, se nasprotna pola privlačita, enaka pa odbijata.
Stator je sestavljen iz dveh ali več polov magneta, ki je lahko elektromagnet ali permanentni magnet. V splošnem je vzbujanje pogosteje izvedeno z elektromagneti, ki jih predstavljajo navitja v statorju.

Obstajajo različne izvedbe vzbujanja:

  • Tuje vzbujanje -vzbujalno navitje je neposredno priključeno na zunanji vir napetosti in je neodvisno od dogajanja v motorju.
  • Vzporedno (paralelno) vzbujanje -vzbujalno navitje je vezano paralelno k rotorskemu tokokrogu.
  • Zaporedno (serijsko) vzbujanje -vzbujalno navitje je vezano zaporedno z rotorskim tokokrogom.
  • Sestavljeno (kompaudno) vzbujanje -kombinacija serijskega in paralelnega vzbujanja glede na rotorski tokokrog.

Rotor predstavljajo navitja, ki so priključena na mehanski komutator. V računalniški animaciji prikazani rotor ima tri polove pare. Nasprotna pola se privlačita in rotor se vrti, dokler se ne poravnata. Ravno v tem položaju pa se ščetke pomaknejo na naslednji kontakt kolektorja in tok steče skozi navitja naslednjega pola rotorja. V animaciji so kontakti komutatorja rjavi, ščetke pa so temno sive barve. Rumene iskre označijo čas in položaj v katerem se ščetke preklopijo na naslednje navitje.

 

Prikaz_enosmernega_motorja_s_scetkami

 

 

 

Slika 3: Prikaz enosmernega motorja s ščetkami

 

 

 

 

 

Za opis motorja je nujno podati nekatere osnovne dobre in slabe lastnosti, ki bodo naštete v nadaljevanju.

Dobre lastnosti enosmernega motorja s ščetkami so predvsem:

  • enostavno vodenje
  • možno je vzporedno delovanje več pogonov
  • enostavno vezje za vodenje

Slabe lastnosti pa:

  • uporaba ščetk za komutacijo (umazanija in obraba)
  • težki in dragi (komutator in magnetni materiali)
  • nizke hitrosti
  • slab izkoristek
  • tudi pri izklopljenem pretvorniku lahko blokirajo (kratek stik)

Enosmerni motor z mehansko komutacijo je uporabljen v mnogih industrijskih aplikacijah, ki zahtevajo spremenljive hitrosti. Kjer je potrebno hitro zaustavljanje, lahko zmanjša velikost potrebne mehanske zavore ali jo celo odpravi. Njegovo hitrost je mogoče gladko voditi do vrednosti nič, čemur lahko takoj sledi pospeševanje v nasprotno smer. Časovne konstante gibanja so sorazmerno majhne, tako da se motor lahko zelo hitro odziva na spremembe regulacijskega signala. Hitrost vrtenja motorja je omejena z mehanskim komutatorjem, ki ga omejujejo ščetke. Težave se pojavijo tudi zaradi potrebe po vzdrževanju in elektromagnetnih motenj, ki jih povzročajo prehodi ščetk med lamelami komutatorja. Sorazmerno slab je tudi izkoristek. Kljub temu je še vedno najboljša izbira za mnoge aplikacije, kjer zadostuje dvokvadrantno vodenje pri majhnih močeh in hitrostih.

Tipični primeri uporabe so:

  • avtomatizacija v tovarnah
  • robotika
  • orodni stroji
  • pisarniška oprema
  • avtomobilska industrija
  • gospodinjski aparati
  • ročna orodja

V ne vodenih pogonih se redko uporablja, pa tudi na opisanih področjih uporabe ga vedno bolj pogosto izpodrivajo izmenični motorji. Verjetno se bo dolgoročno ohranil le v cenenih pogonih majhnih moči, ki imajo predvideno sorazmerno kratko življenjsko dobo. Prav mogoče pa je, da ga bo tudi tukaj izpodrinil enosmerni motor z elektronsko komutacijo (brez ščetk).

 

ASINHRONSKI MOTOR

Asinhronski motor je najpogosteje uporabljan motor v industriji in po pravici nosi naziv “delovne živali” med električnimi motorji. Njegova glavna prednost pred enosmernimi motorji s ščetkami je odsotnost mehanskega komutatorja, kar bistveno zmanjša ceno in stroške vzdrževanja, poleg tega pa omogoči enostavnejšo strukturo in poveča robustnost. V primerjavi z enosmernim motorjem ima asinhronski motor tudi bistveno večji izkoristek.

Teorija delovanja asinhronskega motorja je kompleksnejša kot je to primer pri enosmernem motorju, zato bo na tem mestu opisana zelo poenostavljeno. Bistveno je razumevanje osnovnega principa delovanja, podrobnejše opise pa je mogoče najti v literaturi, ki se z asinhronskim motorjem veliko ukvarja.

Grobo gledano je asinhronski motor transformator z vrtljivim sekundarjem (rotorjem). Primarno navitje (stator) je priključeno na vir napajanja, skozi kratko sklenjeno rotorsko navitje pa teče inducirani sekundarni tok. Vrtilni navor je rezultat delovanja sekundarnih (rotorskih) tokov na magnetni pretok (fluks) v zračni reži.

Na tem mestu je smiselno dodati, da imamo dve glavni vrsti asinhronskih motorjev, ki se razlikujeta glede na izvedbo rotorja, motorje s kratkostično kletko in motorje z navitim rotorjem.

Statorska navitja so porazdeljena po statorju s ciljem proizvajanja približno sinusno porazdeljenega polja. Ko na njih priključimo tri fazno izmenično napetost, nastane vrtljivo izmenično statorsko magnetno polje, ki zaradi medsebojnega delovanja z rotorskim magnetnim poljem zavrti rotor. Vendar pa se rotor ne vrti natančno s frekvenco statorskega polja, temveč za njim zaostaja za t.i. slipno frekvenco. Osnovo podaja Slika 4.

Prikaz_asinhronskega_motorja

 

 

Slika 4: Prikaz asinhronskega motorja

 

 

 

 

 

 

Tudi asinhronski motor bo opisan s pomočjo navedbe nekaterih dobrih in slabih lastnosti.

Dobre lastnosti asinhronskega motorja so:

  • na razpolago so stroji z majhnim stresanjem in širokim območjem slabljenja polja
  • senzor ni potreben (vektorsko vodenje ni potrebno)
  • možno je delovanje pri zelo visokih hitrostih
  • dober izkoristek nad nazivno hitrostjo

Slabe lastnosti asinhronskega motorja pa:

  • potrebna je jalova moč
  • slab izkoristek pri majhnih in počasnih motorjih
  • zahtevno vodenje v servo pogonih

Asinhronski motor je v praksi zelo razširjen. Največ ga uporabljajo v pogonih s konstantno hitrostjo, zadnje čase pa vedno bolj prodira tudi na področje vodenja servo pogonov. Izdelujejo ga v zelo širokem področju moči, omogoča pa tudi delovanje v širokem področju vrtljajev. Njegova največja težava je, da za vodeno delovanje potrebujemo sorazmerno kompleksen pretvornik.

Osnovna področja uporabe asinhronskega motorja so:

  • industrijski pogoni
  • obdelovalni stroji
  • dvigala
  • električna vozila

V prihodnosti je mogoče pričakovati povečanje števila aplikacij pogonov vozil različnih velikosti, saj ga kot pogonski motor električnega vozila vidita nemška in ameriška industrija. Ni verjetno, da bi se uveljavil pri manjših pogonih, ob nadaljnjem nižanju cen in izboljševanju lastnosti magnetnih materialov pa ga lahko z mnogih področij uporabe izrinejo sinhronski motorji s permanentnimi magneti.

 

SINHRONSKI MOTOR S PERMANENTNIMI MAGNETI

Sinhronski motor s permanentnimi magneti spominja na enosmerni motor s ščetkami, razlika je v tem, da so permanentni magneti pritrjeni na rotor. Obstajajo tudi izvedbe, kjer so uporabljeni naviti rotorji, ki jim enosmerni tok dovajamo preko drsnih obročev.

Stator sinhronskega motorja se ne razlikuje od statorja asinhronskega motorja. Tudi tukaj s priključitvijo tri fazne izmenične napetosti nastane vrtljivo magnetno polje, ki vrti rotor, le da se ta vrti s frekvenco ki je enaka frekvenci statorskega polja. Vrtilno polje ima v splošnem sinusno porazdelitev. Hitrost vrtenja je tako odvisna od frekvence napajalne napetosti in števila polovih parov. Osnovno sliko kaže Slika 5, ki predstavlja preprost opis delovanja sinhronskega motorja s permanentnimi magneti. Kot pri enosmernem motorju z mehansko komutacijo tudi tukaj rdeča barva predstavlja severni, zelena pa južni magnetni pol. Rotor se vrti sinhrono z vrtilnim poljem statorja. V praksi so magnetna polja motorjev mnogo kompleksnejša.

 

Prikaz_sinhronskega_motorja_s_permanentnimi_magneti

 

 

 

Slika 5: Prikaz sinhronskega motorja s permanentnimi magneti

 

 

 

 

 

Dobre lastnosti sinhronskega motorja s permanentnimi magneti so:

  • majhna teža
  • visok izkoristek
  • majhen jalovi tok
  • enostavno vezje za vodenje

Slabe lastnosti sinhronskega motorja s permanentnimi magneti pa so:

  • na razpolago so v glavnem motorji moči do 6 kW
  • največja hitrost je do 10000 rpm
  • če kot komutacije ni določen z meritvijo toka, potrebuje senzor
  • tudi pri izklopljenem pretvorniku lahko blokirajo (kratek stik)

Sinhronske motorje proizvajajo v zelo različnih velikostih -od zelo majhnih do zelo velikih motorjev. Motorji v industrijskih pogonih so zelo učinkovito sredstvo za pretvorbo električne energije v mehansko delo (izkoristek sinhronskih motorjev s permanentnimi magneti je od vseh električnih motorjev največji), poleg tega pa lahko zagotavljajo tudi korekcijo faktorja moči.

Področja uporabe sinhronskega motorja s permanentnimi magneti so:

  • industrijske aplikacije
  • črpalke, ventilatorji, … velikih moči
  • generatorji
  • servomotorji
  • avtomobilska industrija

Zadnje čase je opazno, da se sinhronski motorji s permanentnimi magneti uveljavljajo na področju servo pogonov srednjih moči, kjer bodo po vsej verjetnosti v kratkem izpodrinili enosmerne motorje s ščetkami. Velike možnosti se pojavljajo tudi pri izdelavi zelo majhnih motorjev. V avtomobilski industriji bodo verjetno prevladali v alternatorjih in zaganjačih, japonska industrija pa jih v veliki meri uvaja tudi v pogone električnih avtomobilov. Še posebno se uveljavlja podvrsta motorjev s permanentnimi magneti -enosmerni motorji brez ščetk.

 

ENOSMERNI MOTOR BREZ ŠČETK

Enosmerne motorje brez ščetk najpogosteje zasledimo pod imenom “brushless DC motorji” BLDC. Po konstrukciji in materialih so podobni sinhronskim motorjem s permanentnimi magneti, le da pri konstrukciji poudarek ni na oblikovanju sinusne porazdelitve polja, temveč je le-ta pretežno trapezna, kar omogoča enosmerni tok skozi statorska navitja. Motor pogosto imenujejo tudi motor z elektronsko komutacijo.

Dejansko gre tukaj za obrnjeni enosmerni motor s ščetkami, čigar delovanje je v marsičem enako delovanju enosmernega motorja s ščetkami. Na rotor so pritrjeni permanentni magneti, na statorju pa imamo večfazna navitja, skozi katera teče tok, ki povzroča vrtljivo magnetno polje. Statorska navitja so priključena na krmilno elektroniko, ki izvaja elektronsko komutacijo. Na zunaj je motor enosmeren, saj je enosmerna tudi napetost, s katero ga napajamo. Takšna konstrukcija v primerjavi z enosmernimi motorji s ščetkami pomeni boljše odvajanje toplote (hlajenje) in manjši vztrajnostni moment motorja. Pole rotorja s permanentnimi magneti (rdeča barva predstavlja severni, zelena pa južni magnetni pol) privlačijo nasprotni poli statorja, kar povzroči navor. Osnovno sliko kaže Slika 6. Navitja so napajana po vzorcu, ki omogoča vrtenje polja okoli osi statorja. Statorski poli privlačijo pole rotorja, do preklopa pride v trenutku, ko se pola poravnata.

Pri komutaciji ne pride do iskrenja, kar pa je le ena od prednosti tega motorja pred motorjem s ščetkami.

Dobre lastnosti enosmernega motorja brez ščetk so:

  • majhna valovitost navora
  • čistejše delovanje (ni praha)
  • visoka hitrost delovanja
  • manj elektromagnetnega šuma
  • tiho delovanje
  • visoka zanesljivost
  • preprosto vodenje po hitrosti (vodljiv v širokem področju hitrosti, možno obratovanje v obe smeri, nadzor navora, sunka, toka in hitrosti, hitro pospeševanje in zaviranje)
  • ščetke in komutator nista potrebna, ni obrabe

Slabe lastnosti enosmernega motorja brez ščetk pa:

  • potrebna je dodatna elektronska oprema
  • pogon je kompleksnejši

Prikaz_enosmernega_motorja_brez_scetk

 

 

 

Slika 6: Prikaz enosmernega motorja brez ščetk

 

 

 

 

 

Še posebno se je enosmerni motor brez ščetk uveljavil v osebnih računalnikih pa tudi v modelarstvu. Na splošno se pojavlja povsod, kjer se je v preteklosti uporabljal motor z mehansko komutacijo, ki mu predstavlja največjo konkurenco.

Glavna področja uporabe enosmernega motorja brez ščetk:

  • avtomatizacija v tovarnah
  • robotika
  • orodni stroji
  • pisarniška oprema
  • avtomobilska industrija
  • gospodinjski aparati
  • ročna orodja

V prihodnosti bo motor verjetno zamenjal enosmerni motor s ščetkami na skoraj vseh področjih delovanja. Pri tem bo ena od pomembnejših točk elektromagnetni vpliv na okolje. Razvoj je pričakovati v integraciji senzorjev in velikoserijski proizvodnji krmilne elektronike. Motor in njegovo delovanje bosta podrobneje opisana v nadaljevanju, kjer bodo podrobneje predstavljeni tudi uporabljeni materiali, senzorji in postopki vodenja, ki bodo prikazani na nekaterih posebnih primerih.

 

RELUKTANČNI MOTOR

Tudi reluktančni motorji sodijo med sinhronske električne motorje. Njihova posebnost je, da nimajo permanentnih magnetov, kar znižuje njihovo ceno in povečuje zanesljivost delovanja. Stator je podoben statorjem ostalih izmeničnih motorjev, rotor pa je izražen in sestavljen le iz železa. Železni rotor privlačijo napajani poli statorja (rdeča barva predstavlja severni, zelena pa južni magnetni pol). Polariteta statorskega polja tukaj ni pomembna, navor pa se pojavi zato, ker se najbližji pol rotorja poskuša poravnati s tistim polom statorja, skozi katerega navitje teče električni tok. V takem položaju je namreč reluktanca (od tod tudi izvira ime motorja) magnetnega kroga najmanjša (induktivnost vzbujalnega statorskega navitja pa največja). Osnovno sliko kaže Slika 7.

Rotor z napajanim statorskim polom tvori magnetni krog, čigar reluktanca je ekvivalent upornosti v električnem krogu. Ko sta rotor in statorski pol poravnana, je zračna reža med njima zelo majhna in na tej točki je tudi reluktanca minimalna.

Ko se rotor vrti, se spreminja tudi induktivnost napajanega statorskega navitja. Pri neporavnanem rotorju je zelo majhna in tok strmo naraste, pri poravnanem rotorju pa je induktivnost velika, kar se izrazi v majhni strmini toka. Opisano predstavlja enega od največjih problemov v vodenju reluktančnih motorjev.

Prikaz_reluktancnega_sinhronskega_motorja

 

 

 

Slika 7: Prikaz reluktančnega sinhronskega motorja

 

 

 

 

 

Dobre lastnosti reluktančnega sinhronskega motorja so:

  • robusten, visok faktor moč/masa
  • ni izgub v bakru na rotorju
  • dobro notranje hlajenje zaradi izraženih polov
  • poceni izdelava v velikih serijah
  • doseže lahko velike hitrosti
  • dolga življenjska doba
  • dobre dinamične lastnosti

Slabe lastnosti reluktančnega sinhronskega motorja pa:

  • hrup in pulzirajoč navor zahtevata kompleksno vodenje
  • za komutacijo je potreben senzor položaja
  • majhna razširjenost, malo industrijskih izkušenj, ni standardov
  • ne more obratovati v mreži
  • nelinearna karakteristika hitrost / navor

Medtem ko sinhronski motorji s permanentnimi magneti zavzemajo zelo široko področje trga, so reluktančni motorji prodrli le na njegov zelo ozek segment, predvsem na področju nižjih moči. Uveljavljajo se lahko tam, kjer je pomembna nizka cena pogona, ki je blizu ceni asinhronskih motorjev.

Področja uporabe reluktančnega sinhronskega motorja so:

  • električna vozila
  • pogoni s konstantnim bremenom

Poudariti je potrebno, da reluktančni motor ne more delovati brez pretvornika, pa tudi kvalitetno delovanje brez senzorja položaja predstavlja velik izziv. V prihodnosti je mogoče pričakovati večjo prisotnost teh motorjev na trgu, ki bo predvsem posledica napredka v razvoju postopkov vodenja. Zanimivo je, da se italijanski proizvajalci ukvarjajo z možnostjo uporabe reluktančnih motorjev kot pogonov za električna vozila, kar pa za enkrat še ni dalo dobrih rezultatov, pogon je namreč zelo glasen.

 

Povezava: Pa še nekaj o električnih motorjih v angleškem jeziku na Wikipediji