Elektromágneses Nyomaték és a Virtuális Munka Elve Villamos Motorokban
A villamos motorok osztályozásának több különböző szempontja lehet. A felhasználó szempontjából az egyik legnagyobb különbség abban mutatkozik, hogy a motor milyen jellegű mozgást hoz létre. Egy fontos alapelvként kijelenthető, hogy minden motortípusnak elvben lehet lineáris és forgó mozgású változata, ez pusztán konstrukciós kérdés. A legtöbb motor forgómozgású, ezért a későbbiekben csupán a forgó mozgást végző motorokra koncentrálunk. A motorok működési elve szempontjából a legfontosabb kérdés, hogy milyen közeg segítségével közvetítjük a mozgási energiát az állórésztől a forgó(mozgó) rész felé. E kérdés tárgyalása csak a múlt évezred végétől vált fontossá, korábban a 20. században villamos motor alatt csak az elektromágneses működéselvű motorokat értettek.
Nem Elektromágneses Motorok: Elektrosztatikus és Piezo Motorok
Bár az elektrosztatikus motorok működési elvét kb. egy évszázaddal korábban dolgozták ki, mint az elektromágneses motorokét, valamikor a 18. század közepén, de elektrosztatikus motorokkal jelentős nyomatékot az akkori technológiai szinten nem lehetett létrehozni, így leginkább műszerként és nem energia átalakítóként használták. Jelentőségük a mikro-elektromechanikai rendszerben (MEMS-ekben) nőtt meg ismét, ahol általános szabályként kimondható, hogy a tekercseket kondenzátorokkal váltják ki. Azért lép a kondenzátor a tekercs helyébe, mert az elektrosztatikus motor olyan típusú villanymotor, amely az elektromos töltések vonzása és taszítása alapján működik.
Fontos különbség a két motor típus között, hogy az elektromágneses motorok esetén a motor teljesítménye kb. egyenes arányban változik a térfogattal, addig a térfogat egységre jutó teljesítmény a méret csökkenésével jelentősen megnőhet az elektrosztatikus motornál. Ennek oka, hogy a légrésben elérhető maximális mágneses indukció a motort alkotó ferromágneses anyag telítődésétől függ. Az elektrosztatikus motorokban a maximális térerőséget a levegő átütési szilárdsága korlátozza, ugyanakkor ismert, hogy a levegő átütési szilárdsága azonos fizikai jellemzők (hőmérséklet, nyomás páratartalom) mellett a Paschen törvény szerint a kis elektróda távolságoknál megnő. Ezért sok apró elektrosztatikus motor integrálása érdekes távlatokat nyithat. A jegyzet írásának időpontjában az elektrosztatikus motorok még kísérleti stádiumban vannak, ennek ellenére bíztató eredményként a piacon megjelent egy 100 W-os elektrosztatikus motor, amelynek a tömege kb. egy nagyságrenddel kisebb, mint egy hasonló elektromágneses motor tömege.
| Jellemző | Elektromágneses Motor | Elektrosztatikus Motor |
|---|---|---|
| Működési Elv | Mágneses tér és áramok kölcsönhatása | Elektromos töltések vonzása és taszítása |
| Teljesítmény/Térfogat Arány | Teljesítmény arányos a térfogattal | Térfogat egységre jutó teljesítmény a méret csökkenésével nőhet |
| Maximális Térerősség Korlátja | Ferromágneses anyag telítődése | Levegő átütési szilárdsága |
| Jelenlegi Alkalmazási Terület | Széles körben elterjedt ipari és fogyasztói termékekben | Kísérleti stádium, MEMS (mikro-elektromechanikai rendszerek) |
A villamos motorok legfiatalabb nemzedékébe sorolhatók a piezo-, más néven ultraszonikus motorok. Napjainkban szinte egyeduralkodóvá váltak a fényképezőgépek optikáinak mozgatásában. Előnyük a gyorsabb, halkabb fókuszálás. A mikro- és nanotechnológiában is kiemelt szerepük van a piezoaktuátoroknak. Piezo motorokat célszerű alkalmazni olyan helyeken, ahol egyéb okok miatt nem lehet ferromágneses anyagokat használni, például MRI berendezéseknél előfordulhat 9T nagyságú mágneses indukció, a ferromágneses anyagokban 2T is problémát okoz. De szupravezetők környezetében sem célszerű elektromágneses motorokat alkalmazni. A jegyzetben elsősorban az elektromágneses kölcsönhatású motorok szabályozott hajtásait tárgyaljuk.
Az Elektromágneses Motorok Működési Alapjai
A forgómozgású motorok egy csőszerű részből és egy hengerszerű részből állnak. A forgó mozgást csapágyazás teszi lehetővé. Általában a csőszerű rész a külső környezethez rögzített állórész, amelyben a hengerszerű rész forog, de a szerepek felcserélődhetnek, tipikusan a kerékagy motorok és a ventillátorok esetén, de ide tartoznak az ún. vasmag nélküli motorok is. Az elektromágneses motorok működése szempontjából a legfontosabb lépés a mágneses tér létrehozása (gerjesztése).
Útmutató az autóklíma kompresszor kuplung karbantartásához
Electric Motor Working Animation | AC Motor | DC Motor
Mágneses Tér Létrehozása és Ferromágneses Anyagok Szerepe
Vagy az állórészhez képest, vagy a forgórészhez képest a gerjesztést változtatni kell, és ezt csak külső áramforráshoz kapcsolt tekercs segítségével lehet csak megvalósítani, ezért az egyik gerjesztés mindig tekercs segítségével valósul meg, a másik gerjesztést létrehozhatja akár egy tekercs, akár egy permanens mágnes. Vagyis minden elektromágneses motoron van legalább egy tényleges tekercs, de általános értelemben minden elektromágneses motor modellezhető egy állórész és egy forgórész tekercsrendszerrel, amelyek induktív kölcsönhatásban vannak. A mágneses indukcióvonalak mindig zárt görbét alkotnak. Ismert, hogy a mágneses tér leírására két különböző fizikai mennyiséget használunk. Az egyik a mágneses indukció, amely a teljes mágneses teret írja le. A másik a mágneses térerősség, amely csak az ún. külső áramok hatását veszi figyelembe.
Az anyagon belül kialakulnak ún. domének, ahol az elemi mágneses momentumok teljesen párhuzamosak, ugyanakkor külső mágneses tér híján az egyes domének mágneses orientációja véletlenszerű, így az egyes domének egymás hatását lerontják és kívülről csak csekély mágneses tér mérhető. Külső mágneses tér hatására először a domének határa tolódik el úgy, hogy erősítse a külső mágneses teret. Ha minden domén befordult, akkor az anyag már nem tudja tovább erősíteni a külső mágneses teret, ezt nevezzük teljes telítődésnek. A nyomaték képzés szempontjából a mágneses indukció a meghatározó.
Az a cél, hogy a lehető legkisebb gerjesztéssel a lehető legnagyobb mágneses indukciót hozzuk létre és ez az oka, hogy az elektromágneses motorokat ferromágneses anyagból készítjük. Ferromágneses anyagok esetén a telítődés mentes állapotban ugyanazt a mágneses indukciót akár több nagyságrenddel kisebb gerjesztő árammal tudjuk létrehozni és a szórt fluxust is jelentősen le lehet csökkenteni, ha a mágneses körben ferromágneses anyagot alkalmazunk és a gépet úgy tervezzük, hogy a telítődés még ne következzen be. Természetesen konstrukciós okokból az álló- és forgórész között szükségszerűen van légrés, de a mágneses kör szempontjából az a cél, hogy a légrés legyen olyan kicsi, amennyire technológiailag megoldható. Mint később látni fogjuk a légrés indukció térbeli eloszlása is fontos konstrukciós szempont lehet, és ezért vannak olyan motorok, ahol a légrés nagysága nem állandó, de azokra a motorokra is igaz, hogy a minimális légrés legyen a lehető legkisebb.
A Virtuális Munka Elve az Elektromágneses Nyomaték Számításában
Az egységes gépelmélet háromféle állandósult (nem nulla középértékű) nyomatéktípust különböztet meg. Az első két nyomaték típust (az elektromágnesek behúzó erejéhez hasonlóan) az ún. virtuális munka elvét felhasználva számíthatjuk.
A Virtuális Munka Elve
A virtuális munka elve szerint a motor egy végtelenül kicsi elfordulása változatlan gerjesztés mellett megváltoztatja a motor mágneses terében tárolt energiát. Azt feltételezzük, hogy a mágneses tér a villamos áramkörből nem vesz fel és oda nem ad le energiát. Az energia megmaradás elve szerint a mágneses tér energiájának változása egyenlő az elforduláshoz tartozó mechanika energia megváltozásával állandó forgórész fordulatszámot feltételezve.
Mágneses Tér Energiája és Induktivitás
Tekercsek esetén a mágneses tér energiáját legegyszerűbben a tekercsekben, mint induktivitásában tárolt energiából tudjuk kiszámítani. Ha egy adott pillanatban az időt megállítjuk, akkor az áramokat állandónak kell tekinteni, és ezért az induktivitáson eső indukált feszültség nulla, vagyis a mágneses tér a villamos áramkörből tényleg nem vesz fel és oda nem ad le energiát. A mágneses tér energiájának változása kizárólag induktivitás megváltozásától származik. Az induktivitás a forgórész helyzetének megváltozása miatt változik.
Különböző Nyomatéktípusok és Frekvencia Feltételek
Hengeres Nyomaték és Frekvencia Feltétel
A frekvencia feltétel az induktív kapcsolódású, hengeres belső részű (állandó légrésű) és mindkét oldalon tekerccsel modellezett motorokra vonatkozik, ezért ennek megfelelő nyomatékot szokás hengeres nyomatéknak nevezni. Általános esetben lüktető (nulla középértékű) nyomatékot eredményez. Ez szoros összefüggésben van azzal, hogy az egyfázisú tekercs csak lüktető mágneses teret tud gerjeszteni. A frekvencia feltétel arra vonatkozik, hogy egy kifejezésnek milyen esetben van nullától különböző középértéke. Az első feltétel, hogy a terhelési szög szinusza ne legyen nulla.
Szinkron és Aszinkron Motorok Nyomatéka
Látható, hogy nincs elvi akadálya, hogy egy egyenáramú motort váltakozó árammal tápláljunk. Ez az elméleti alapja az univerzális motornak. Egy ilyen gépnek csak akkor van állandósult nyomatéka, ha az állórészt tápláló váltakozó áram körfrekvenciája, pontosabban az állórész tekercse által gerjesztett forgó mágneses mező fordulatszáma megegyezik a forgórész fordulatszámával, ezt a fordulatszámot nevezik szinkronfordulatszámnak. Ebből az is következik, hogy a szinkrongépeknek nincs indító nyomatéka, ha közvetlenül a szinuszos feszültségű hálózatra kapcsoljuk. Ezzel szemben, ha a szinkronfordulatszámot elektronika segítségével folyamatosan változtatjuk, akkor az üzemi tartományon belül tetszőleges fordulatszámot meg tudunk valósítani. Ennek az a feltétele, hogy ismerjük a forgórész pozícióját (pillanatnyi fordulatszámát).
Az aszinkronmotor forgórészén általában nincs külső táplálás (kivételt képez a kettős táplálású aszinkronmotor), így alaphelyzetben a forgórészen indukált feszültség körfrekvenciája megegyezik a szinkronfordulatszám és a forgórész fordulatszám különbségével. Szinkron fordulatszámon a motornak nincs nyomatéka, mert a forgórész áram nulla. Ahogy növeljük a szlipet, úgy növekszik a forgórész oldali indukált feszültség és annak hatására kialakuló áram amplitúdója. A forgórész tekercs ohmos ellenállása független a szliptől (ha a szkin jelenséget elhanyagoljuk), ezzel szemben, a tekercs induktív reaktanciája szlip értékével növekszik, ezzel rontja forgórész áram fázisszögét a maximálisan elérhető nyomaték szempontjából. Van két ellentétes hatás, amelyik a szlip növelésével érvényesül, az egyik növeli a másik csökkenti a nyomatékot. Ilyen esetekben mindig van egy optimum, egy maximális nyomaték, amelyet billenő nyomatéknak hívnak. Részletes levezetés nélkül belátható, hogy tisztán induktív forgórész tekercs esetén nulla középértékű nyomatékot kapnánk. Ebből az következik, ha valakinek olyan ötlete támadna, hogy az aszinkronmotor forgórész tekercsét szupravezetőből készítené, akkor azt tapasztalná, hogy az aszinkronmotornak nem lenne nyomatéka.
Elektromágneses Szimuláció a Motortervezésben
Az Emag szimuláció segít javítani a hatékonyságot, biztosítani a kompatibilitást és garantálni a teljesítményt egy összetett és zajos emag környezetben. A Simcenter nagyfrekvenciás elektromágneses szimuláció pontos és hatékony nagyfrekvenciás elektromágneses szimulációt hajt végre antenna tervezéshez, EMC/EMI, radarhoz, RF és vezeték nélküli kommunikációs rendszerekhez.
tags: #elektromágneses #nyomaték #virtuális #munka