עקרון המרת האנרגיה במנועים חשמליים

עקרון המרת האנרגיה של מנוע חשמלי מתייחס למנגנון הליבה שלו של המרת אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית, המבוסס על חוקי האינדוקציה האלקטרומגנטית והכוח האלקטרומגנטי (חוק אמפר)

באופן ספציפי, המנוע משיג המרת אנרגיה באמצעות אינטראקציה אלקטרומגנטית בין הסטטור לרוטור: פיתול הסטטור יוצר שדה מגנטי לאחר מופעל, אשר יוצר אינטראקציה עם הזרם במוליך הרוטור כדי לייצר כוח אלקטרומגנטי (כוח לורנץ), ובכך יוצר את המומנט שמניע את הרוטור להסתובב, ובסופו של דבר הופך את האנרגיה הקינטית החשמלית המבוא לאנרגיה מכאנית.

 

העיקרון הבסיסי של המרת אנרגיה במנועים חשמליים

אינדוקציה אלקטרומגנטית וכוח אלקטרומגנטי: כאשר זרם עובר דרך המוליך של מנוע (כגון פיתול הסטטור), נוצר סביבו שדה מגנטי; השדה המגנטי יוצר אינטראקציה עם הזרם ברוטור, ולפי חוק הכוח של אמפר, המוליך נתון לכוח הגורם לסיבוב הרוטור.

נתיב המרת אנרגיה: לאחר הזנת האנרגיה החשמלית למנוע, היא מומרת לתנועת הסיבוב של הרוטור (אנרגיה מכנית) באמצעות אינדוקציה אלקטרומגנטית וכוח אלקטרומגנטי, המניע את העומס החיצוני לעבודה

מבנה מפתח: המנוע מורכב בעיקר מסטטור (חלק קבוע, יוצר שדה מגנטי) ורוטור (חלק מסתובב, נושא זרם). חלק מהמנועים כוללים גם קומוטטור (מנוע DC) או ממיר תדרים (מנוע AC) לשמירה על מומנט חד-כיווני.

 

סיווג ומאפייני עבודה של מנועים

ניתן לחלק מנועים חשמליים למנועי DC ולמנועי AC בהתאם למקורות הכוח שלהם. ביניהם, מנועי AC נמצאים בשימוש נרחב יותר במערכות חשמל, כולל מנועים סינכרוניים ומנועים אסינכרוניים (למנועים אסינכרוניים יש מהירויות רוטור שאינן מסונכרנות עם מהירויות השדה המגנטי של הסטטור)

6. השדה המגנטי המסתובב של מנוע AC נוצר על ידי זרמים מאוזנים תלת-פאזיים העוברים דרך פיתולי סטטור בהפרש מרחבי של 120 מעלות,

ביניהם, (אומגה=2 \\ pi f) הוא התדר הזוויתי, (f) הוא תדר ההספק, (p) הוא הלוגריתם של הקטבים, והמהירות הסינכרונית (n0=60f/p)

7. מהירות הרוטור של מנוע אסינכרוני (n=(1- s) n0) תמיד מפגרת אחרי המהירות הסינכרונית, מה שמקנה לו יכולת התנעה רכה טבעית בשל המאפיין ה"אסינכרוני" שלו

 

רקע היסטורי ויישום

עקרון העבודה של מנועים חשמליים מקורו באפקט המגנטי הנוכחי שגילה אוסטר ב-1820, ואז פאראדיי המציא את מכשיר המנוע החשמלי הראשון ב-1821

6. מנועים מודרניים היו בשימוש נרחב בתעשיות, תחבורה ומכשירי חשמל ביתיים, ויעילות המרת האנרגיה שלהם תלויה בסוג, בעיצוב ובתנאי השימוש. לדוגמה, מנועי AC הם בדרך כלל יעילים יותר ממנועי DC

1. עם התפתחות מדע החומרים וטכנולוגיית הבקרה, מנועים מתפתחים לקראת צפיפות הספק ואינטליגנציה גבוהות יותר

המנוע החשמלי משתמש בעקרון הכוח הפועל על מוליך מחושמל בשדה מגנטי (ששונה מההשפעה המגנטית של זרם חשמלי, והפיזיקה הנוכחית של People's Education Press כיתה ט' מפרידה בבירור בין השניים). גילוי העיקרון הזה נעשה על ידי הפיזיקאי הדני אוסטר, שנולד ב-14 באוגוסט 1777, במשפחת רוקחים ברודג'ובין, האי לאנגלונג. בשנת 1794 התקבל לאוניברסיטת קופנהגן והשיג את הדוקטורט בשנת 1799. בשנים 1801 עד 1803 הוא ביקר במדינות כמו גרמניה וצרפת ופגש הרבה פיזיקאים וכימאים. מ-1806 שימש כפרופסור לפיזיקה באוניברסיטת קופנהגן, ומשנת 1815 הפך למזכיר בפועל של החברה הדנית המלכותית. בשנת 1820 הוענק לו מדליית קופלי של החברה המלכותית של אנגליה על גילוי יוצא דופן של האפקט המגנטי של הזרם החשמלי.

מאז 1829, הוא משמש כדיקן המכון הטכנולוגי של קופנהגן. הוא נפטר ב-9 במרץ 1851 בקופנהגן. הוא ערך מחקר מקיף בפיזיקה, כימיה ופילוסופיה. בשל השפעת הפילוסופיה של קאנט והפילוסופיה הטבעית של שלינג, אני מאמין בתוקף שניתן להפוך כוחות טבעיים זה לזה, וחקרתי זמן רב את הקשר בין חשמל למגנטיות. באפריל 1820, סוף סוף התגלתה השפעת הזרם החשמלי על מחטים מגנטיות, כלומר ההשפעה המגנטית של זרם חשמלי. ב-21 ביולי באותה שנה, הוא פרסם את ממצאיו תחת הכותרת "ניסוי על השפעת הקונפליקט החשמלי על מחטים מגנטיות". מאמר קצר זה גרם לזעזוע גדול בקהילת הפיזיקה האירופית, והוביל להופעתם של מספר רב של תוצאות ניסוי ובכך פתח תחום חדש של פיזיקה - אלקטרומגנטיות.

סיווג מבני

1, המבנה של מנוע אסינכרוני תלת-פאזי מורכב מסטאטור, רוטור ואביזרים אחרים.

(1) סטטור (חלק נייח)

1. ליבת ברזל סטטור

פונקציה: כחלק מהמעגל המגנטי של המנוע, ועליו מונח פיתול הסטטור.

בנייה: ליבת הסטטור נעשית בדרך כלל על ידי ניקוב ולמינציה של יריעות פלדת סיליקון עם שכבות בידוד על פני השטח בעובי 0.35 ~ 0.5 מילימטרים. ישנם חריצים מפוזרים באופן שווה במעגל הפנימי של הליבה להטמעת סלילה הסטטור.

ישנם מספר סוגים של חריצי ליבת סטטור:

חריץ חצי סגור: היעילות ומקדם ההספק של המנוע גבוהים, אך הטמעה ובידוד מתפתלים קשים. משמש בדרך כלל במנועי מתח נמוך- קטנים.

חריץ פתוח למחצה: מסוגל להטביע פיתולים מעוצבים, המשמשים בדרך כלל למנועי מתח נמוך- גדולים ובינוניים. הפיתול המכונה-מתכוון לליפוף שניתן לבודד לפני שהוא מכניס אותו לחריץ.

חריץ פתוח: משמש להטמעת פיתולים יצוקים, עם שיטת בידוד נוחה, המשמשת בעיקר במנועי מתח גבוה-.

 

2. סלילת סטטור

פונקציה: זהו חלק המעגל של המנוע החשמלי, אשר מסופק עם מתח AC תלת- פאזי ליצירת שדה מגנטי מסתובב.

בנייה: מורכבת משלושה פיתולים זהים המסודרים באופן סימטרי בזווית חשמלית של 120 מעלות בחלל, כל סליל של פיתולים אלו מוטבע בתבנית מסוימת בכל חריץ של הסטטור.

ישנם שלושה פריטי בידוד עיקריים עבור פיתולי סטטור: (הבטחת בידוד אמין בין החלקים המוליכים של הפיתול לליבה הברזל, כמו גם בידוד אמין בין הפיתולים עצמם).

⑴ בידוד קרקע: הבידוד בין כל פיתול הסטטור לבין ליבת הסטטור.

⑵ בידוד בין פאזי: הבידוד בין פיתולי הסטטור של כל שלב.

⑶ בידוד בין סיבובים: בידוד בין סיבובים של כל פיתול סטטור של כל שלב.

חיווט בתוך תיבת צומת המנוע:

יש בלוק קצה בתוך תיבת חיבור המנוע, וששת קצוות החוטים של פיתול התלת-פאזי מסודרים בשתי שורות, כאשר השורה העליונה של שלושה עמודי קצה מסודרים משמאל לימין ממוספרים 1 (U1), 2 (V1), ו-3 (W1), והשורה התחתונה של שלושה עמודי קצה מסודרים משמאל לימין משמאל לימין, משמאל לימין, (V2) ו-5 משמאל לימין. חבר את הפיתול התלת-פאזי- בחיבור כוכב או דלתא. כל הייצור והתחזוקה צריכים להיות מסודרים לפי מספר סידורי זה.

 

3. בסיס מכונה

פונקציה: תקן את ליבת הסטטור ואת מכסי הקצה הקדמיים והאחוריים כדי לתמוך ברוטור, ולספק הגנה, פיזור חום ופונקציות אחרות.

בנייה: הבסיס עשוי לרוב מברזל יצוק. הבסיס של מנועים אסינכרוניים גדולים מרותך בדרך כלל עם לוחות פלדה, בעוד הבסיס של מנועים מיקרו עשוי אלומיניום יצוק. למנוע הסגור יש צלעות פיזור חום בצד החיצוני של הבסיס להגדלת אזור פיזור החום, בעוד למנוע המגן יש חורי אוורור בשני קצוות כיסוי הבסיס כדי לאפשר הסעה ישירה של אוויר בתוך המנוע ומחוצה לו, מה שמקל על פיזור החום.