فيزياء المحركات الكهربائية: كيف يكون عزم الدوران، والمجالات الكهرومغناطيسية الخلفية، وشكل الانزلاق للمحركات الحقيقية

إن ضاغط الهواء بقوة 2 حصان الذي يقوم بفصل قاطع بقوة 20 أمبير في صباح بارد ليس محركًا معيبًا. إنها فيزياء المحركات الكهربائية التي تفعل بالضبط ما يفترض أن تفعله: ملف مكثف أحادي الطور يسحب تيارًا ثقيلًا من الدوار المقفل، والزيت البارد في علبة المرافق يرفع عزم الدوران اللازم لرفع المضخة إلى السرعة. قم بتغيير طريقة البدء أو تصميم المحرك، وستختفي الرحلة المزعجة.

هذا المثال هو سبب وجود هذه المقالة. الجواب القصير وراء ذلك هو: يأتي عزم الدوران من قوة لورنتز التي تعمل على الموصلات الحاملة للتيار، وتأتي السرعة من التوازن بين جهد الإمداد والمجال الكهرومغناطيسي الخلفي الذي يولده الدوار، وكل ما تدفعه مقابل الكفاءة هو معركة ضد خسائر النحاس والحديد.

تحول بقية المقالة هذه البيانات الثلاثة إلى مواصفات تقارنها كل يوم - حجم الإطار، وعامل الخدمة، وعزم دوران الدوار المقفل، وفئة العزل، ونطاق الكفاءة - وتحدد الأماكن التي يتم فيها إساءة قراءة الفيزياء بشكل روتيني أثناء الاختيار.

ما الذي تحكمه فيزياء المحركات الكهربائية فعليًا؟

كل رقم في ورقة البيانات الحركية هو الناتج المرئي لمجموعة صغيرة من العلاقات الجسدية. بمجرد أن تتمكن من مطابقة أحد الأعراض الميدانية مع المبدأ الأساسي، يتوقف الاختيار عن التخمين.

ثلاثة قوانين تحدد ما إذا كان المحرك يبدأ وكيف يعمل

عزم الدوران هو قوة في نصف القطر، وليس رقمًا تسويقيًا

عزم دوران المحرك هو قوة لورنتز مضروبة في نصف قطر الدوار وعدد الموصلات، ولهذا السبب يرتفع عزم الدوران مع التيار - ولكن فقط حتى يتشبع الحديد أو ترتفع درجة حرارة الملف. تشرح هذه الجملة المفردة شكل كل منحنى السرعة وعزم الدوران الذي ستقرأه على الإطلاق.

بالنسبة لمحرك NEMA Design B، يبلغ عزم الدوران المقفل عادةً حوالي 150 إلى 200 بالمائة من عزم الدوران المقدر وعزم الدوران حوالي 200 إلى 300 بالمائة. لا تحتاج المروحة أو مضخة الطرد المركزي إلى أي شيء تقريبًا عند سرعة صفر، لذلك تبدأ بسهولة. قد يحتاج الناقل المحمل أو المضخة الترددية أو ضاغط الهواء الذي يقاوم الزيت البارد إلى 200 بالمائة أو أكثر للانفصال ببساطة. عندما يتعطل أحد التطبيقات، فإن السؤال المفيد ليس "هل المحرك كبير بما يكفي؟" ولكن "ما هي النقطة على منحنى عزم الدوران التي تفشل؟"

محرك تشغيل مكثف أحادي الطور مقاوم للتنقيط محرك ODP أحادي الطور يعمل بمكثف، 1/3–2 حصان عبر إطارات NEMA 56/140T، مناسب للمعدات التي تحتاج إلى عزم دوران منفصل عند الإمداد أحادي الطور. عرض المنتج →

الطريق العملي لمزيد من عزم الدوران الانفصالي على مصدر أحادي الطور هو تصميم بدء تشغيل مكثف: يقوم مكثف إلكتروليتي كبير في الملف المساعد بتوفير عزم بدء التشغيل الإضافي، ثم ينقطع بمجرد دوران الجزء المتحرك.

يقوم EMF الخلفي بتعيين نقطة التشغيل

يتسارع المحرك حتى يكاد الجهد الذي يولده داخليًا يلغي جهد الإمداد. هذا الجهد المولد يعود إلى EMF، والباقي الصغير هو ما يدفع التيار عبر الملف لتكوين عزم الدوران. وبالتالي فإن السرعة تخضع للتردد وعدد الأقطاب، وليس للحمل:

الانزلاق ليس عيبا. إنها الآلية التي تسمح بتدفق التيار على الإطلاق. ولكنه أيضًا مقياس للحمل. إن المحرك الذي يعمل بمعدل انزلاق 1 بالمائة يتم تفريغه تقريبًا ويعمل بمعامل طاقة ضعيف. يتم تحميل المحرك الذي يعمل بشكل جيد بعد انزلاق اللوحة الاسمية بشكل زائد ويحول الفرق إلى حرارة الدوار.

يتصرف الجهد بنفس المنطق. نظرًا لأن المجالات الكهرومغناطيسية الخلفية تتكيف مع السرعة وقوة المجال، فإن المحرك عند 90 بالمائة من الجهد المقنن يجب أن يسحب تيارًا أكبر بشكل ملحوظ للحفاظ على نفس عزم دوران العمود. يؤدي هذا التيار الزائد إلى فقدان النحاس، ويصبح الملف أكثر سخونة في اللحظة التي يكون فيها العرض أضعف.

تدور ثلاث مراحل. يجب خداع مرحلة واحدة للدوران

يُنتج الملف أحادي الطور مجالًا ينبض على طول محور واحد بدلًا من الدوران، لذلك في حالة التوقف التام، يُنتج عزم دوران صافيًا صفرًا ولا يبدأ الجزء المتحرك من تلقاء نفسه أبدًا. تؤدي إضافة ملف مساعد ومكثف إلى تغيير تيار الملف بمقدار 90 درجة كهربائية تقريبًا، مما يؤدي إلى إنشاء حقل ثانٍ مُزاح في المكان والزمان، وهو ما يكفي لبدء الدوران. بعد ذلك، يحمل الملف الرئيسي الحمل ويبقى الملف المساعد إما في شكل ملف تشغيل أو ينقطع من خلال مفتاح طرد مركزي أو مرحل.

لا تحتاج المحركات ثلاثية الطور إلى أي من هذه الحيل. تخلق ثلاث لفات متباعدة بمقدار 120 درجة مجالًا ذو حجم ثابت يدور بسرعة متزامنة، لذا فإن البدء متأصل، وعزم الدوران سلس، ولا يوجد مكثف يفشل في المجال. إذا كنت تريد الصورة التفصيلية لهذا التدوير، فانظر كيف يعمل محرك ثلاثي الطور .

محرك ذو كفاءة عالية وقوة حصانية جزئية ثلاثية الطور محرك عالي الكفاءة ثلاثي الطور بقوة حصانية جزئية مع 48-56 إطارًا، وعلبة ODP IP23، ولا يوجد مكثف بدء؛ عرض لمحركات الأقراص الصناعية الخفيفة. عرض المنتج →

تعد المحركات ثلاثية الطور ذات القدرة الحصانية الجزئية أوضح دليل: نفس خرج العمود، وإطار أصغر، وعزم دوران أعلى ولا يوجد مكثف بدء في أي مكان في قائمة المواد.

مرحلة واحدة أو ثلاث مراحل: ما تكلفك الفيزياء

إذا كانت الطاقة ثلاثية الطور متوفرة عند التركيب، فإن المحرك ثلاثي الطور هو دائمًا الخيار الهندسي الأفضل - إطار أصغر، وعزم دوران أعلى، وتيار أقل لكل قوة حصان، واهتزاز أقل بشكل ملحوظ.

حيث تتحول الفيزياء إلى حرارة: الخسائر والكفاءة

لا تتحول جميع المدخلات الكهربائية إلى قوة عمود، والنقص ليس خسارة واحدة بل أربع عائلات تتصرف بشكل مختلف مع تغير الحمل والسرعة.

عائلات الخسارة الأربعة

• فقدان النحاس الثابت (I²R) - يتناسب مع مربع التيار، لذلك يصعد بشكل حاد مع الحمل ومع أي نقص في الجهد.
• فقدان النحاس الدوار - يتناسب مع الانزلاق، وهذا هو السبب في أن المحرك المحمل بشكل زائد يسخن بشكل أسرع مما تشير إليه القراءة الحالية.
• فقدان الحديد - التباطؤ والتيارات الدوامة في القلب، تكون ثابتة تقريبًا بمجرد تنشيط المحرك، حتى في حالة عدم التحميل.
• الخسارة الميكانيكية — تتحمل الاحتكاك والرياح، وهي صغيرة ولكنها موجودة دائمًا وحساسة للتشحيم والتهوية.
• فقدان الحمل طائشة - تدفق التسرب والتأثيرات التوافقية التي يصعب حسابها ومن السهل التقليل من أهميتها.

الكفاءة هي قوة العمود مقسومة على طاقة الإدخال، لذا فإن كل واحدة من هذه الخسائر هي ضريبة مباشرة. كما أنه يفسر أيضًا مقايضة التصميم الحقيقية: المحرك عالي الكفاءة ليس محركًا قياسيًا مع طلاء أفضل. وعادةً ما تستخدم مواد أكثر نشاطًا - نواة أطول، ومزيد من النحاس، وفولاذ كهربائي منخفض الخسارة، وفجوة هوائية أكثر إحكامًا - على وجه التحديد لمهاجمة هذه الخسائر.

سلسلة المحركات ذات الكفاءة الممتازة IEC IE3 سلسلة المحركات ذات الكفاءة المتميزة IEC IE3 من 0.75 إلى 37 كيلووات، 2/4/6 أقطاب، TEFC IP55؛ عرض لتقليل الخسائر على مدى عمر الماكينة. عرض المنتج →

وهذا هو السبب وراء تصميمات الكفاءة المتميزة التي تقدمها IEC IE3: يتم دفع ثمن المواد الإضافية من خلال تقليل الخسائر على مدار عمر الماكينة، وليس من خلال مطالبة تسويقية.

درجة الحرارة هي المكان الذي يصبح فيه هذا مكلفًا. يتم تصنيف أنظمة العزل وفقًا لدرجة حرارة النقطة الساخنة القصوى، والقاعدة العامة المستخدمة على نطاق واسع هي أن عمر العزل ينخفض ​​تقريبًا إلى النصف لكل 10 درجات مئوية من التشغيل المستمر فوق الحد المقدر. لذلك يمكن أن يكون لمحركين لهما نفس القدرة الحصانية للوحة الاسم عمر خدمة مختلف تمامًا إذا كان أحدهما يجلس عند عامل خدمة 1.05 بشكل مستمر والآخر في وضع الخمول عند نصف الحمل.

خمسة مفاهيم خاطئة في الفيزياء تسبب اختيارات حركية سيئة

1. "المحرك الأكبر دائمًا أكثر أمانًا." يعمل محرك كبير الحجم بانزلاق منخفض جدًا وعامل طاقة منخفض، مما يجذب تيارًا مغنطيسيًا ولا يتحول أبدًا إلى عمل. والنتيجة هي تركيب أكثر سخونة، وأكثر ضجيجاً، وأقل كفاءة.
2. "المزيد من القدرة الحصانية يعني تلقائيًا المزيد من عزم الدوران عند الانطلاق." يتم ضبط عزم الدوران من خلال تصميم الدوار وترتيب الملفات، وليس من خلال عدد القدرة الحصانية وحده.
3. "جهد الإمداد بالكاد يهم، حيث أن المحرك يسحب ما يحتاج إليه." الجهد المنخفض يعني المزيد من التيار لنفس عزم الدوران، ويتحول هذا العجز مباشرة إلى فقدان النحاس والحرارة.
4. "الانزلاق يعني أن المحرك معطل." الانزلاق هو الآلية الطبيعية التي تسمح بتدفق التيار. تنزلق فقط وراء الحمل الزائد لإشارات قيمة اللوحة.
5. "الكفاءة تؤثر فقط على فاتورة الكهرباء." تظهر الخسائر على شكل حرارة، والحرارة هي ما يقلل من عمر العزل، مما يؤدي إلى عمر الشحوم وفي النهاية الجهاز بأكمله.

الأسئلة الشائعة: فيزياء المحركات الكهربائية في الاختيار اليومي

لماذا يسحب المحرك ستة إلى ثمانية أضعاف تياره المقنن عند بدء التشغيل؟

في حالة التوقف التام، لا يتحرك الجزء المتحرك، وبالتالي فإن المجال الكهرومغناطيسي الخلفي يساوي صفرًا والشيء الوحيد الذي يحد من التيار هو ممانعة الملف، وهي صغيرة. مع تسارع الجزء الدوار، يرتفع المجال المغناطيسي الخلفي وينخفض ​​التيار باتجاه القيمة الجارية. وهذا هو السبب في أن المحرك يستغرق وقتًا أطول بكثير للتخلص من الحمل الحراري الزائد مقارنةً بالكسارة المغناطيسية - ولهذا السبب توجد تصميمات لبدء التشغيل الناعم وبدء تشغيل المكثف.

هل يؤثر عامل الطاقة إذا تمت محاسبتي بالكيلووات؟

يخبرك عامل الطاقة بمقدار التيار الذي يقوم بعمل مفيد. يعني عامل الطاقة المنخفض أن نفس خرج العمود يتطلب تيارًا أكبر، مما يعني المزيد من فقدان I²R ومتطلبات موصل ومفاتيح كهربائية أكبر. غالبًا ما تعاقبها المرافق بشكل مباشر، ويعمل المحرك نفسه بشكل أكثر سخونة بغض النظر.

هل يمكن لمحرك 60 هرتز أن يعمل على 50 هرتز؟

فولت لكل هرتز هي النسبة الحاكمة. يؤدي تقليل التردد دون تقليل الجهد الكهربي بشكل متناسب إلى دفع القلب نحو التشبع، ويسحب المحرك تيارًا مغنطيسيًا مفرطًا ويسخن بشكل زائد. إذا انخفض كل من الجهد والتردد معًا، فإن المحرك يعمل بشكل أبطأ وأكثر برودة ولكنه ينتج قوة حصانية أقل.

ماذا يعني عامل الخدمة 1.15 جسديًا؟

ويعني ذلك أن الدائرة العازلة والمغناطيسية يمكن أن تتحمل ما يقرب من 15 بالمائة أعلى من الخرج المقنن دون تجاوز حدودها الحرارية، بافتراض الجهد المقدر والارتفاع ودرجة الحرارة المحيطة. إنه هامش لذروات عرضية أو ظروف غير عادية، وليس ترخيصًا دائمًا لتشغيل المحرك بنسبة 115 بالمائة.

هل المحرك ذو 4 أقطاب أفضل دائمًا من المحرك ثنائي القطب؟

لا، فالمحركات ثنائية القطب أخف وزنًا وأرخص لكل حصان ولكنها تعمل بشكل أسرع وتتآكل المحامل بشكل أسرع وتكون أكثر ضجيجًا. توفر المحركات رباعية الأقطاب توازنًا أفضل بين السرعة وعزم الدوران والحياة الميكانيكية، ولهذا السبب تهيمن على التطبيقات الصناعية ذات الأغراض العامة.

الوجبات السريعة الرئيسية

• عزم الدوران يأتي من قوة لورنتز. تأتي السرعة من التوازن بين جهد الإمداد والمجال الكهرومغناطيسي الخلفي.
• الانزلاق وظيفي وليس خطأ. استخدمه كمؤشر تحميل مقابل قيمة اللوحة.
• تحتاج المحركات أحادية الطور إلى تقسيم الطور للبدء؛ تبدأ المحركات ثلاثية الطور بطبيعتها وتعمل بشكل أكثر سلاسة.
• الكفاءة هي مجموع خسائر النحاس والحديد والميكانيكية والخسائر الطائشة - وتقليلها يكلف المادة الفعالة مقدمًا ويعوض في الحرارة والعمر.
• تصل الموصلات ذات الحجم الصغير والجهد المنخفض وعوامل الخدمة ذات التحميل الزائد إلى نفس الوجهة: درجة حرارة الملف الزائدة.

إن تحديد حجم المحرك بشكل جيد يعني قراءة الفيزياء بدلاً من قراءة ملصق القدرة الحصانية. إذا كنت تريد مقارنة التصاميم الخرسانية بهذه المبادئ، فإن نطاق المحرك WAYLEAD يغطي الآلات أحادية الطور وثلاثية الطور من 1/10 إلى 20 حصان في NEMA 48 إلى 250 إطارًا، لذلك يمكن التحقق من اختلافات عزم الدوران والانزلاق والكفاءة الموصوفة هنا مقابل أوراق البيانات الحقيقية بدلاً من النظرية وحدها.