Industrie

Elektromotor

Elektromotor , eine Klasse von Geräten, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln , üblicherweise unter Verwendung elektromagnetischer Phänomene.

Die meisten Elektromotoren entwickeln ihr mechanisches Drehmoment durch die Wechselwirkung von Leitern, die Strom in einer Richtung rechtwinklig zu einem Magnetfeld führen . Die verschiedenen Arten von Elektromotoren unterscheiden sich in der Anordnung der Leiter und des Feldes sowie in der Steuerung, die über die mechanische Leistung ausgeübt werden kannDrehmoment , Geschwindigkeit und Position. Die meisten der großen Arten sind abgegrenzt unten.

Induktionsmotoren

Der einfachste Typ eines Induktionsmotors ist in der Abbildung im Querschnitt dargestellt . Ein dreiphasiger Satz vonStatorwicklungen werden in Schlitze im Statoreisen eingesetzt. Diese Wicklungen können entweder in einer Sternkonfiguration, normalerweise ohne externe Verbindung zum Neutralpunkt, oder in einer Dreieckkonfiguration angeschlossen werden. Der Rotor besteht aus einem zylindrischen Eisenkern mit Leitern, die in Schlitzen um die Oberfläche angeordnet sind. In der üblichsten Form sind diese Rotorleiter an jedem Ende des Rotors durch einen leitenden Endring miteinander verbunden.

Die Betriebsgrundlage des Induktionsmotors kann entwickelt werden, indem zunächst angenommen wird, dass die Statorwicklungen mit a verbunden sind dreiphasige Stromversorgung und dass ein Satz von drei sinusförmigen Strömen der in der Abbildung gezeigten Form in den Statorwicklungen fließt. Diese Abbildung zeigt die Wirkung dieser Ströme bei der Erzeugung eines Magnetfelds über den Luftspalt der Maschine für sechs Momente in einem Zyklus. Der Einfachheit halber ist nur die zentrale Leiterschleife für jede Phasenwicklung gezeigt. Zum Zeitpunkt t 1 in der Figur ist der Strom in Phase a maximal positiv, während der in den Phasen b und cist die Hälfte dieses Wertes negativ. Das Ergebnis ist ein Magnetfeld mit einer annähernd sinusförmigen Verteilung um den Luftspalt mit einem maximalen Wert nach außen oben und einem maximalen Wert nach innen unten. Zum Zeitpunkt t 2 in der Figur (dh ein Sechstel eines Zyklus später) ist der Strom in Phase c maximal negativ, während der sowohl in Phase b als auch in Phase a ein halber positiver Wert ist. Das Ergebnis ist, wie in der Figur für t 2 gezeigt , wieder ein sinusförmig verteiltes Magnetfeld, das jedoch um 60 ° gegen den Uhrzeigersinn gedreht ist. Untersuchung der Stromverteilung für t 3 , t 4 ,t 5 und t 6 zeigen, dass sich das Magnetfeld im Laufe der Zeit weiter dreht. Das Feld vollendet eine Umdrehung in einem Zyklus der Statorströme. Somit besteht der kombinierte Effekt von drei gleichen sinusförmigen Strömen, die zeitlich gleichmäßig verschoben sind und in drei Statorwicklungen fließen, die gleichmäßig in Winkelposition verschoben sind, darin, a zu erzeugenrotierendes Magnetfeld mit konstanter Größe und mechanischer Winkelgeschwindigkeit , die von der Frequenz der Stromversorgung abhängt.

Erhalten Sie mit Ihrem Abonnement exklusiven Zugriff auf Inhalte aus unserer 1768 First Edition. Abonnieren Sie noch heute

Die Drehbewegung des Magnetfeldes in Bezug auf die Rotorleiter bewirkt, dass in jedem eine Spannung induziert wird, die proportional zur Größe und Geschwindigkeit des Feldes relativ zu den Leitern ist. Da die Rotorleiter an jedem Ende miteinander kurzgeschlossen sind, bewirkt dies, dass Ströme in diesen Leitern fließen. In der einfachsten Betriebsart sind diese Ströme ungefähr gleich der induzierten Spannung geteilt durch den Leiterwiderstand. Das Muster der Rotorströme für den Moment t 1 der Figur ist in dieser Figur gezeigt . Die Ströme werden gesehen um den Rotor verteilt etwa sinus werden Peripherieund so angeordnet zu sein, dass ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn am Rotor erzeugt wird (dh ein Drehmoment in der gleichen Richtung wie die Felddrehung). Dieses Drehmoment beschleunigt den Rotor und die mechanische Last. Wenn die Drehzahl des Rotors zunimmt, nimmt seine Geschwindigkeit relativ zu der des Drehfelds ab. Somit wird die induzierte Spannung verringert, was zu einer proportionalen Verringerung des Rotorleiterstroms und des Drehmoments führt. Die Rotordrehzahl erreicht einen konstanten Wert, wenn das von den Rotorströmen erzeugte Drehmoment dem Drehmoment entspricht, das bei dieser Drehzahl von der Last benötigt wird, ohne dass ein übermäßiges Drehmoment zum Beschleunigen der kombinierten Trägheit der Last und des Motors verfügbar ist.

Die mechanische Ausgangsleistung muss durch eine elektrische Eingangsleistung bereitgestellt werden. Die in der Abbildung gezeigten ursprünglichen Statorströme reichen gerade aus, um das rotierende Magnetfeld zu erzeugen. Um dieses Drehfeld in Gegenwart der Rotorströme der Figur aufrechtzuerhalten , ist es notwendig, dass die Statorwicklungen eine zusätzliche Komponente des Sinusstroms mit einer solchen Größe und Phase führen, dass die Wirkung des Magnetfelds, das sonst erzeugt würde, aufgehoben wird durch die Rotorströme in der Figur. Der gesamte Statorstrom in jeder Phasenwicklung ist dann die Summe einer sinusförmigen Komponente zur Erzeugung des Magnetfelds und einer weiteren sinusförmigen Komponente, die den ersten um ein Viertel eines Zyklus oder 90 ° führt, um die erforderliche elektrische Leistung bereitzustellen. Die zweite oder Leistungskomponente des Stroms ist in Phase mit der an den Stator angelegten Spannung, während die erste oder magnetisierende Komponente der angelegten Spannung um einen Viertelzyklus oder 90 ° nacheilt. Bei Nennlast liegt diese Magnetisierungskomponente üblicherweise im Bereich von 0,4 bis 0,6 der Größe der Leistungskomponente.

A majority of three-phase induction motors operate with their stator windings connected directly to a three-phase electric supply of constant voltage and constant frequency. Typical supply voltages range from 230 volts line-to-line for motors of relatively low power (e.g., 0.5 to 50 kilowatts) to about 15 kilovolts line-to-line for high-power motors up to about 10 megawatts.

Except for a small voltage drop in the resistance of the stator winding, the supply voltage is matched by the time rate of change of the magnetic flux in the stator of the machine. Thus, with a constant-frequency, constant-voltage supply, the magnitude of the rotating magnetic field is held constant, and the torque is roughly proportional to the power component of the supply current.

With the induction motor shown in the foregoing figures, the magnetic field rotates through one revolution for each cycle of the supply frequency. For a 60-hertz supply, the field speed is then 60 revolutions per second, or 3,600 per minute. The rotor speed is less than the speed of the field by an amount that is just enough to induce the required voltage in the rotor conductors to produce the rotor current needed for the load torque. At full load, the speed is typically 0.5 to 5 percent lower than the field speed (often called synchronous speed), with the higher percentage applying to smaller motors. This difference in speed is frequently referred to as the slip.

Other synchronous speeds can be obtained with a constant frequency supply by building a machine with a larger number of pairs of magnetic poles, as opposed to the two-pole construction of the figure. The possible values of magnetic-field speed in revolutions per minute are 120 f/p, where f is the frequency in hertz (cycles per second) and p is the number of poles (which must be an even number). A given iron frame can be wound for any one of several possible numbers of pole pairs by using coils that span an angle of approximately (360/p) °. Das vom Maschinenrahmen verfügbare Drehmoment bleibt unverändert, da es proportional zum Produkt aus Magnetfeld und zulässigem Spulenstrom ist. Somit ist die Nennleistung für den Rahmen, die das Produkt aus Drehmoment und Geschwindigkeit ist, ungefähr umgekehrt proportional zur Anzahl der Polpaare. Die gebräuchlichsten Synchrondrehzahlen für 60-Hertz-Motoren sind 1.800 und 1.200 Umdrehungen pro Minute.