תיאוריה מוטורית AC

תוֹכֶן

• TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)
• מהו עקרון המנוע?
• איך עובד מנוע AC?
• כמה סוגים של מנועים יש?
• האם כל מנוע AC יכול להיות מהיר משתנה?

ניקולה טסלה המציא מנועי זרם חילופין, או מנועי AC, בסוף המאה ה -19. מנועי זרם חילופין שונים ממנועי זרם ישר או זרם ישר עם השימוש בזרם חילופין המשנה כיוון. מנועי זרם חילופין הופכים אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. מנועי AC הם עדיין בשימוש כבד בחיים המודרניים, ואתה עלול למצוא אותם במכשירים וגאדג'טים בביתך.

TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)

מנועים זרם חילופין או מנועי AC הומצאו על ידי ניקולה טסלה במאה ה -19. תיאוריה מוטורית של AC כוללת שימוש באלקטרומגנטים עם זרמים ליצירת כוח, ולכן תנועה.

מהו עקרון המנוע?

העיקרון הפשוט ביותר של המנוע הוא להשתמש באלקטרומגנטים עם זרמים כדי ליצור כוח להזיז משהו - או במילים אחרות, להמיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית סיבובית. מנועים מוגדרים עם אלקטרומגנטים בטבעות קינון עם קוטביות המגנטים המתחלפות מצפון לדרום בטבעות. מגנטים לסיבוב נעים בזמן שמגנטים סטטוריים אינם נעשים. הקוטביות הצפונית-דרום של אלקטרומגנטים אלה נאלצת להתהפך ללא הפסקה.

איך עובד מנוע AC?

לפני ההמצאות של טסלה, מנועי זרם ישר היו סוג המנוע העיקרי. מנוע זרם חילופין פועל על ידי החלפת זרם חילופין על פיתולי סטטור המייצרים שדה מגנטי מסתובב. מכיוון שהשדה המגנטי מסתובב בצורה זו, מנוע זרם חילופין אינו זקוק לחשמל או לעזר מכני כדי להפעיל את הרוטור. הרוטור יסתובב דרך השדה המגנטי ויצור מומנט על ציר ההינע של המנוע. מהירות הסיבוב משתנה בהתאם למספר הקטבים המגנטיים בסטטור. מהירות זו נקראת מהירות סינכרונית. מנועי אינדוקציה AC, לעומת זאת, פועלים בפיגור או להחליק בכדי לאפשר זרימת זרם הרוטור.

מנועי זרם חילופין שונים יהיו בעלי מספרים שונים של קטבים ולכן מהירויות משתנות בהשוואה זו לזו. אולם מהירות מנוע AC אינה משתנה עצמה, אלא קבועה. זאת בניגוד למנועי DC רבים. מנועי זרם חילופין אינם דורשים את המברשות (אנשי קשר חשמל) או קומוטטורים שמנועי DC צריכים.

ההמצאות של טסלה שינו במידה רבה את נוף המנועים, ואיפשרו מכשירים יעילים ואמינים יותר. מנועי זרם חילופין אלה חוללו מהפכה בתעשיות וסללו את הדרך לשימושים במכשירים רבים ששימשו במאה ה -21, כגון מטחנות קפה, מאווררי מקלחת, מזגנים ומקררים.

כמה סוגים של מנועים יש?

קיימים מספר סוגים של מנועי זרם חילופין ועובדים מאותו עיקרון בסיסי. רבים מהמנועים הללו הם וריאציה של מנועי AC אינדוקציה, אם כי מנוע ה- AC המגנט הקבוע האחרון יותר, או PMAC, עובד קצת אחרת.

מנוע ה AC הנפוץ ביותר הוא מנוע האינדוקציה התלת-פאזי המגוון ביותר. מנוע פוליפייס זה פועל בפיגור ולא במהירות הסינכרונית. הפרש זה במהירות נקרא החלקה של המנוע. זרמים מושרשים הזורמים ברוטור גורמים להחלקה זו, השואבת זרם גבוה בתחילתו. בגלל החלקה, מנועים אלה נחשבים לאסינכרוניים. מנועי אינדוקציה תלת פאזיים מתהדרים בהספק ויעילות גבוהה, עם מומנט התחלה גבוה. מנועים כאלה זקוקים לעתים קרובות לכוח התחלתי מכני בכדי להפעיל את הרוטור בתנועה. מנועי אינדוקציה תלת פאזיים הם מנועים חזקים הנפוצים במכשירים תעשייתיים.

מנועי כלוב סנאי הם סוג של מנוע AC בו מוטות אלומיניום או נחושת על הרוטור שוכבים במקביל לפיר. גודל וצורת המוטות המוליכים משפיעים על מומנט ומהירות. השם נגזר מדמיונו של המכשיר לכלוב.

מנוע אינדוקציה עם רוטור פצע הוא סוג של מנוע AC המורכב מרוטור עם פיתולים ולא סורגים. מנועי אינדוקציה עם רוטור פצע זקוקים למומנט התחלתי גבוה. התנגדות מחוץ לרוטור משפיעה על מהירות המומנט.

מנוע האינדוקציה החד-פאזי הוא סוג של מנוע זרם חילופין המיוצר עם סלילה מתחילה המתווספת בזווית ישרה לסלילה של הסטטור הראשי. מנועים אוניברסליים הם מנועים חד פאזיים ויכולים לפעול באמצעות כוח AC או DC. שואב האבק של הבית מכיל ככל הנראה מנוע אוניברסלי.

מנועי קבלים הם סוג של מנוע זרם חילופין שכולל הוספת קיבול ליצירת מעבר פאזה בין פיתולים. הם נוחים למכונות הדורשות מומנט התחלה גבוה, כמו מדחסים.

מנועי הפעלת קבלים הם סוג של מנוע AC חד פאזי המאזן בין מומנט התחלה טוב וריצה. מנועים אלה משתמשים בקבלים המחוברים עם פיתולי עזר נלווים. תוכלו למצוא מנועי הפעלת קבלים בחלק מאווררי הכבשן. מנועי התנעה של קבלים משתמשים בקבל עם סלילה מתחילה שיכולים ליצור את מומנט ההתחלה הגדול ביותר. שני מנועים מסוג זה דורשים שני קבלים בנוסף למתג, כך שחלקיהם מעלים את המחיר של מנועים כאלה. אם המתג נלקח, מנוע הקבל הפיצול הקבוע המתקבל פועל בעלות נמוכה יותר אך גם משתמש במומנט התחלה נמוך יותר. סוגים אלה של מנועי AC, אף שהם יקרים יותר לתפעול, עובדים היטב לצרכים עם מומנט גבוה כמו מדחסי אוויר ומשאבות ואקום.

מנועים מפצלים מפוצלים הם סוג של מנוע זרם חילופין המשתמש בסלילת התחלה בגודל קטן ועמידות שונה ביחס לתגובה. זה מניב הפרש שלבים באמצעות מוליכים צרים. מנועים מפצלים מפוצלים נותנים מומנט התחלה נמוך יותר מאשר מנועי קבלים אחרים, וזרם התחלה גבוה. לפיכך משתמשים בדרך כלל במנועים מפוצלים במאווררים קטנים, מטחנות קטנות או בכלי חשמל. כוח הסוס של מנועים מפוצלים יכול להגיע עד 1/3 כ"ס.

מנועי מוט מוצל הם סוג של מנוע זרם זרם אינדוקציה חד-פאזי בעל עלות נמוכה עם סלילה אחת. מנועי מוט מוצל מסתמכים על שטף מגנטי בין חלקים לא מוצלים ומוצלים של סליל הצללה עשוי נחושת. אלה משמשים בצורה הטובה ביותר כמנועים קטנים וחד פעמיים שאינם דורשים זמן ריצה ארוך או מומנט רב.

מנועים סינכרוניים נקראים כך מכיוון שהקטבים המגנטיים שהם מייצרים מפנים את הרוטור במהירות סינכרונית. מספר זוגות הקטבים קובע את המהירות של מנוע סינכרוני. תת-סוגי מנועים סינכרוניים כוללים מנועים סינכרוניים תלת-פאזיים.

מנועי היסטרזה הם גלילי פלדה שאין להם פיתולים או שיניים. מנועים אלה בעלי מומנט עקבי ופועלים בצורה חלקה, ולכן הם משמשים לעתים קרובות בשעונים.

רוב מנועי ה- AC משתמשים באלקטרומגנטים מכיוון שאלו אינם נחלשים, בניגוד למגנטים קבועים. עם זאת, טכנולוגיות חדשות יותר הפכו מנועי AC מגנטיים קבועים למימושי ואף עדיפים בנסיבות מסוימות. מנועי AC מגנטיים קבועים או PMACs משמשים ליישומים הדורשים מומנט ומהירות מדויקים. אלה מנועים אמינים ופופולריים המשמשים כיום. מגנטים מותקנים על רוטור, על פני השטח שלו או במינציה. המגנטים המשמשים ב- PMAC מיוצרים מיסודות אדירים נדירים. הם מייצרים יותר שטף מאשר מגנטים להשראה. PMAC הם מכונות סינכרוניות הפועלות ביעילות גבוהה ומתפקדות בין אם הצרכים למומנט משתנים או קבועים. PMACs פועלים בטמפרטורות קרירות יותר מאשר מנועי AC אחרים. זה מסייע להפחתת הבלאי בחלקי המנוע. בגלל היעילות הגבוהה שלהם, PMACs משתמשים פחות אנרגיה. עלויות קדמיות גבוהות יותר מתקזזות בסופו של דבר מהפעולה לטווח הארוך של המנוע היעיל.

האם כל מנוע AC יכול להיות מהיר משתנה?

אחת האטרקציות של מנועי DC היא העובדה כי המהירות שלהם יכולה להיות מגוונת. מנועי AC, לעומת זאת, אינם נוטים לרוץ במהירות משתנה. הם רצים במהירות קבועה ללא קשר לעומסם. זה שימושי לשמירה על מהירות מדויקת. עם זאת, יישומים מסוימים מצריכים מהירות משתנה. ניסיונות לשנות את המהירות של מנועי זרם חילופין עלולים לגרום לנזק או להתחממות יתר שלהם. עם זאת ישנן דרכים לעקוף סוגיות אלה ולהפוך מנוע AC במהירות גבוהה משתנה. קיימים פתרונות מכניים לשינוי המהירות של מנועי AC. ניתן לעשות זאת באמצעות גלגלות בחלק מהמכשירים, כגון עם מחרטה. פיתרון מכני נוסף הוא שימוש במזלג.

רבים מהמכונות של ימינו עדיין פועלים על פי עקרונות המנוע האינדוקציה המקוריים של ניקולה טסלה. מנועים אלה עמדו במבחן הזמן בשל יכולת ההסתגלות שלהם ועמידותם. מהנדסים מבקשים לייעל את המנועים, עם פחות שחיקה וייצור חום, ומניבים עלות נמוכה יותר וכף רגל נמוכה יותר על הסביבה.